luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền trong mạng 4g lte

1.Tính cấp thiết của đề tài Sự ra đời của hệ thống 4G/LTE mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng (đến 100 MHz), dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao (1Gbps cho Downlink và 500Mbps cho Uplink). Để đạt được các yêu cầu trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, các công nghệ thành phần tiên tiến đã được đề xuất sử dụng như: OFDMA, MIMO anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp, … Một trong những công nghệ đem lại nhiều ưu điểm và lợi ích thiết thực là kỹ thuật chuyển tiếp, đó là việc đặt thêm các nút chuyển tiếp để chuyển tiếp dữ liệu truyền giữa trạm thu phát gốc và thiết bị người dùng. Kỹ thuật chuyển tiếp được sử dụng với nhiều ưu điểm: - Mở rộng vùng phủ sóng của eNodeB - Cung cấp tốc độ dữ liệu cao, đặc biệt tại khu vực rìa cell, nơi mà ở đó có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp - Nâng cao chất lượng hệ thống - Tối ưu được tiêu thụ công suất trên toàn bộ tuyến truyền dẫn - Giá thành thiết bị thấp hơn eNodeB Với những ưu điểm này, kỹ thuật chuyển tiếp là công nghệ tiên phong được đề xuất sử dụng để đáp ứng những yêu cầu của hệ thống 4G. 2. Mục đích nghiên cứu So sánh đánh giá khả năng cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp của mạng di dộng 4G (LTE-Advanced) 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Chất lượng tín hiệu (thông qua tỉ số SER) trong hệ thống chuyển tiếp của mạng di động 4G (LTE-Advanced). 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng mạng 4G sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để tính toán chất lượng tín hiệu, cụ thể: + Thu thập các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. + Xây dựng mô hình mạng 4G, tiến hành mô phỏng một số thông số về chất lượng, kiểm tra đánh giá kết quả sau mô phỏng. 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Với những ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp, việc nghiên cứu kỹ thuật này sẽ đáp ứng được những yêu cầu cao về thông số cũng như chất lượng dịch vụ trong thông tin di động 4G. 6. Cấu trúc luận văn Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội dung của luận văn bao gồm các phần sau: Chương 1: Tổng quan về LTE và LTE-Advanced Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE và LTE-Advanced Chương 2: Kỹ thuật chuyển tiếp Giới thiệu về khái niệm, các loại nút chuyển tiếp, các cơ chế truyền dẫn chuyển tiếp, các cơ chế bắt cặp chuyển tiếp và truyền dẫn phối hợp Chương 3: Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp chuyển tiếp Phân tích và đi xây dựng các biểu thức về tỉ số lỗi symbol SER trong hệ thống phối hợp với hai loại nút AF và DF Chương 4: Mô phỏng đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ thống phối hợp chuyển tiếp Giới thiệu các sơ đồ, lưu đồ thuật toán chương trình mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM HỒNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THƠNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM HOÀNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN LÊ HÙNG Đà Nẵng - Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Phạm Hoàng Phương MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài Tổng quan tài liệu nghiên cứu CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.3 KỸ THUẬT OFDM 1.3.1 Nguyên lý OFDM 1.3.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 1.3.3 Ưu điểm nhược điểm kỹ thuật OFDM 14 1.4 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA KỸ THUẬT OFDM 14 1.4.1 Sự suy hao 14 1.4.2 Tạp âm Gaussian 15 1.4.3 Trải trễ 15 1.4.4 Dịch tần số Doppler 16 1.4.5 Kênh truyền fading 16 1.5 HỆ THỐNG MIMO 19 1.5.1 Giới thiệu kỹ thuật MIMO 19 1.5.2 Mơ hình hệ thống MIMO 19 1.5.3 Kênh SVD MIMO 21 1.5.4 Kỹ thuật phân tập 25 1.5.5 Các độ lợi hệ thống MIMO-OFDM 28 1.6 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 29 1.6.1 Giới thiệu tiền mã hóa 29 1.6.2 Tiền mã hóa Zero-forcing (ZF) 31 1.6.3 Tiền mã hóa Block Diagonalization 33 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN 37 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 37 2.2 VAI TRỊ CỦA HỒI TIẾP THƠNG TIN KÊNH TRUYỀN 37 2.3 LƯỢNG TỬ HÓA VECTOR 39 2.3.1 Khái niệm lượng tử hóa vector 39 2.3.2 Quá trình lượng tử đáp ứng kênh truyền 40 2.4 HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI SỐ LƯỢNG NGƯỜI DÙNG HẠN CHẾ MỖI CELL 41 2.4.1 Huấn luyện hồi tiếp 41 2.4.2 Sai số lượng tử hồi tiếp 46 2.5 HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU NGƯỜI DÙNG TRONG MỘT CELL 48 2.5.1 Hai phương án thiết kế cho hệ thống MIMO đường xuống 48 2.5.2 Tổng kết kết với đa người dùng 50 2.6 HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU ANTEN THU 51 2.6.1 Mô hình hệ thống 51 2.6.2 Tiền mã hóa Block Diagonalization 52 2.6.3 Lượng tử không gian 53 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 55 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 55 3.2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG 56 3.2.1 Mơ hình tín hiệu phát 56 3.2.2 Đáp ứng kênh truyền theo mơ hình BEM 57 3.2.3 Mơ hình tín hiệu thu 58 3.3 HỒI TIẾP ĐA NGƯỜI DÙNG SỬ DỤNG MƠ HÌNH BEM 59 3.3.1 Hồi tiếp hữu hạn sử dụng mơ hình BEM 60 3.3.2 Tiền mã hóa BD 63 3.3.3 Thuật toán Greedy Scheduling 66 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 67 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 68 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 68 4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TỐN HỒI TIẾP THƠNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 68 4.2.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình 68 4.2.2 Lưu đồ thuật toán tạo ma trận sở 70 4.2.3 Lưu đồ thuật tốn phân tích đáp ứng kênh theo mơ hình BEM 71 4.2.4 Lưu đồ thuật tốn lượng tử hóa hệ số BEM 72 4.2.5 Lưu đồ thuật tốn khơi phục đáp ứng kênh BS 73 4.2.6 Lưu đồ thuật toán lựa chọn người dùng 74 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 75 4.3.1 Dung lượng hệ thống số lượng người dùng khác 76 4.3.2 Dung lượng hệ thống số lượng bit hồi tiếp khác 77 4.3.3 Dung lượng hệ thống số lượng anten phát khác 78 4.3.4 Dung lượng hệ thống sử dụng số hàm DSP-BEM khác 79 4.3.5 Dung lượng hệ thống tốc độ di chuyển thuê bao khác 80 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 81 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt 3G 3GPP Tiếng Anh Third Generation Mobile Communication Network Third Generation Partnership Project FFT Fourth Generation Mobile Communication Network Additive White Gaussian Noise Block Diagonalization Basis Expansion Model Bit Error Rate Base Station Channel Impulse response Channel Frequency response Cyclic Prefix Channel State Information Channel State Information Transmiter Channel State Information Receiver Digital Analog Converter Downlink Dirty Paper Coding Discrete Prolate Spheroidal Basis Expansion Model Fast Fourier Transform FDD Frequency Division Duplex 4G AWGN BD BEM BER BS CIR CFR CP CSI CSIT CSIR DAC DL DPC DSP-BEM FDM FDMA Frequency Division Multiplexing Frequency Division Multiple Access Tiếng Việt Hệ thống thông tin di động hệ thứ Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động tế bào Hệ thống thông tin di động hệ thứ Nhiễu Gauss trắng cộng Mơ hình mở rộng sở Tỉ lệ lỗi bit Trạm gốc Đáp ứng xung kênh truyền Đáp ứng tần số kênh truyền Tiền tố lặp Thông tin trạng thái kênh Thông tin trạng thái kênh máy phát Thông tin trạng thái kênh máy thu Bộ biến đổi số sang tương tự Đường xuống Biến đổi Fourier nhanh Ghép kênh song công phân chia theo tần số Ghép kênh phân chia theo tần số Đa truy cập phân chia theo tần số Từ viết tắt GSM Tiếng Anh Global System for Mobile Communication GPRS General Packet Radio Service HSPA ICI High Speed Packet Access Inter Channel Interference Institute of Electrical and Electronics Engineers Inverse Fast Fourier Transform Inter Symbol Interference International Telecommunication Union Linde, Buzo and Gray Long Term Evolution Multiple Input Multiple Output Multi User Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access IEEE IFFT ISI ITU LBG LTE MIMO MU OFDM OFDMA PAPR Peak to Average Power Ratio PCM Pulse Code Mudulation Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Single Carrier Frequency Division Multiple Access Signal to Interference Noise Ratio QAM QPSK RF SC-FDMA SINR Tiếng Việt Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp Truy nhập gói tốc độ cao Nhiễu xuyên kênh Viện kỹ nghệ Điện Điện Tử Biến đổi Fourier nhanh ngược Nhiễu xuyên ký tự Liên hiệp Viễn thơng Quốc tế Tiến hóa dài hạn Đa anten phát - Đa anten thu Đa người dùng Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao Tỉ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình Điều chế xung mã Điều biên cầu phương Điều chế pha vng góc Tần số vơ tuyến Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang Tỷ lệ tín hiệu nhiễu tạp âm SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự Từ viết tắt SNR Tiếng Anh Signal to Noise Ratio SISO Single Input Single Output SVD Singular Value Decomposition TDD Time Division Duplex UE UL User Equipment Uplink Universal Mobile Telecommunications System User Terminal Vector Quantization Zero Forcing UMTS UT VQ ZF Tiếng Việt Tỷ lệ tín hiệu nhiễu Đơn anten phát - đơn anten thu Phân tích ma trận thừa số Ghép song công phân chia thời gian Thiết bị người dùng Đường lên Hệ thống viễn thông di động tồn cầu Người dùng đầu cuối Lượng tử hóa vector Cưỡng khơng 71 4.2.3 Lưu đồ thuật tốn phân tích đáp ứng kênh theo mơ hình BEM Bắt đầu Đặt tham số đầu vào: wd len_sam_index, sam_time, v_ms User =1 tx_anten =1 Tap =1 Tx_anten= tx_anten+1 Tính: alpha_n , Shi_n, PHI_ma Tính: fading_gain ( v ,u ) Tap = Tap + User = user +1 Tính tham số DPS – BEM c q ,l Tính đáp ứng kênh truyền biến đổi máy thu CIR_RxTính đáp ứng kênh truyền block fading máy thu TI_CIR_Rx Tap < L Đ S tx_anten < N_tx Đ S Đ User < N_user Đ S Đ thúc Kết Hình 4.3: Lưu đồ thuật tốn phân tích đáp ứng kênh theo mơ hình BEM 72 Với lưu đồ thuật tốn tính tích đáp ứng kênh theo mơ hình BEM tham khảo mã nguồn file: Zheng_DPS_CIR_Gen.m 4.2.4 Lưu đồ thuật toán lượng tử hóa hệ số BEM Bắt đầu User =1 tx_anten =1 Tap =1 Seg =1 Tìm index bảng mã LBG có giá trị sai số nhỏ so với hệ số BEM Tx_anten= tx_anten+1 User = user +1 Tap = Tap + Seg