1.Tính cấp thiết của đề tài Sự ra đời của hệ thống 4GLTE 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 (LTEAdvanced) 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 (LTEAdvanced). 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 LTEAdvanced Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE và LTEAdvanced 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 LÊ ĐÌNH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP CỦA MẠNG DI ĐỘNG 4G (LTE-ADVANCED) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ ĐÌNH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP CỦA MẠNG DI ĐỘNG 4G (LTE-ADVANCED) Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Tăng Tấn Chiến Đà Nẵng – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Đình Tuấn MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED 1.1 LTE 1.1.1 Các yêu cầu LTE 1.1.2 Kiến trúc LTE 1.1.3 Cơ chế truyền dẫn 1.1.4 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền thích ứng tốc độ 11 1.1.5 Giải pháp đa anten (MIMO) 14 1.2 LTE-ADVANCED 20 1.2.1 Các yêu cầu LTE-Advanced 20 1.2.2 Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced 21 1.3 SO SÁNH LTE LTE-ADVANCED 26 KẾT LUẬN CHƯƠNG 27 CHƯƠNG 2:KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 28 2.1 CÁC LOẠI NÚT CHUYỂN TIẾP 29 2.2 CÁC CHIẾN LƯỢC CHUYỂN TIẾP 30 2.3 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN DẪN CHUYỂN TIẾP 33 2.3.1 Khuếch đại chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) 33 2.3.2 Giải mã hóa chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) 33 2.4 HỆ THỐNG PHỐI HỢP 33 2.5 CÁC CƠ CHẾ BẮT CẶP CHO VIỆC LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP 34 2.5.1 Cơ chế bắt cặp tập trung 35 2.5.2 Cơ chế bắt cặp phân phối 36 KẾT LUẬN CHƯƠNG 38 CHƯƠNG : PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ THỐNGPHỐI HỢP CHUYỂN TIẾP 39 3.1 HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP AF 39 3.1.1 Mơ hình hệ thống 39 3.1.2 PDF CDF cho SNR giới hạn 41 3.1.3 Phân tích đặc tính hệ thống 44 3.2 HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP DF 48 3.2.1 Mô hình hệ thống 48 3.2.2 Phân tích SER 49 3.2.3 SER biên xấp xỉ tiệm cận 52 KẾT LUẬN CHƯƠNG 55 CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP 56 4.1 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KIỂM TRA CÔNG THỨC LÝ THUYẾT 57 4.1.1 Sơ đồ mô đánh giá kiểm tra công thức lý thuyết 57 4.1.2 Thuật toán 58 4.1.3 Kết mô 59 4.1.4 Nhận xét 59 4.2 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU CỦA HỆ THỐNG PHỐI HỢP CHUYỂN TIẾP 60 4.2.1 Thiết kế môi trường mô 60 4.2.2 Sơ đồ mô 63 4.2.3 Thuật toán 4.2.4 Kết mô 66 4.2.5 Nhận xét đánh giá kết 69 KẾT LUẬN CHƯƠNG 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3GPP : 3rd Generation Partnership Project 4G : Fourth Generation AF : Amplify and Forward AWGN : Additive White Gaussian Noise BPSK : Binary Phase Shift Keying BS : Base Station CDF : Cumulative Distribution Function CDMA : Code Division Multiple Access DF : Decode and Forward EPC : Evoled Packet Core E-UTRAN : Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Net FEC : Forward Error Correction HSDPA : High Speech Downlink Packet Access ICI : Inter Carrier Interference ISI : Inter Signal Interference IP : Internet Protocol IFFT : Inverse Fast Fourier Transform LTE : Long Term Evolution MGF : Moment Generating Function MIMO : Multiple Input Multiple Output MRC : Maximal Ratio Combining MS : Mobile Station MME OFDM : Mobility Management Entity : Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAPR : Peak to Average Power Ratio PDF : Probability Distribution Function PSK : Phase-Shift Keying QAM : Quadrature Amplitude Modulation QPSK : Quadrature Phase-Shift Keying RN : Relay Node RS : Relay Station SC : Single Carrier SC-FDMA : Single Carrier-Frequency Division Multiple Access SER : Symbol Error Ratio SNR : Signal to Noise Ratio SINR : Signal-to-noise-plus-interference ratio UE : User Equipment DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 Tên bảng So sánh yêu cầu LTE LTE-Advanced Trang 26 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Kiến trúc LTE 1.2 Hoạch định phụ thuộc kênh miền thời gian tần số 13 1.3 Truyền dẫn đa anten MIMO 15 1.4 Sơ đồ hệ thống OFDM 18 1.5 Phổ sóng mang OFDM 19 1.6 Ví dụ khối tập kết sóng mang 21 1.7 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 23 1.8 Chuyển tiếp LTE-Advanced 25 2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp 28 2.2 Mở rộng vùng phủ sử dụng nút chuyển tiếp 29 2.3 Minh họa nút chuyển tiếp loại loại 30 2.4 Các chiến lược chuyển tiếp 31 2.5 Chuyển tiếp chiều 31 2.6 Chuyển tiếp chiều 32 2.7 Hệ thống phối hợp với 02 nút chuyển tiếp 34 3.1 Mơ hình phối hợp với nút chuyển tiếp AF 39 3.2 Độ lợi SNR trung bình theo số lượng nút chuyển tiếp 45 3.3 Mơ hình phối hợp với nút chuyển tiếp DF 48 4.1 Sơ đồ mô kỹ thuật phối hợp chuyển tiếp 57 4.2 Sơ đồ thuật tốn mơ kỹ thuật phối hợp chuyển tiếp 58 4.3 Kết so sánh chất lượng tín hiệu lý thuyết mô 59 4.4 Mô hình mơ khơng có nút chuyển tiếp 60 61 + Qua RN Dựa vào điều này, mô tả mơi trường mơ sau: + Khơng có nút chuyển tiếp (RN): BS thông tin trực tiếp đến UE + Không phối hợp: BS thông tin với UE thông qua RN + Phối hợp dùng RN: BS thông tin với UE theo đường: trực tiếp thông qua RN + Phối hợp dùng RN: BS thơng tin với UE theo đường hình 4.7 Hình 4.6 Mơi trường mơ hệ thống phối hợp dùng chuyển tiếp Hình 4.7 Mơi trường mơ hệ thống phối hợp dùng nút chuyển tiếp 62 Xác định vị trí BS, RN UE Để đạt hiểu RN, thành phần môi trường phải cố định khoảng cách Khoảng cách xác định hình: Hình 4.8 Khoảng cách mơi trường dùng RN Hình 4.9 Khoảng cách môi trường RN 63 4.2.2 Sơ đồ mô Sơ đồ mô OFDM mô tả hình 4.10, liệu sau tạo qua IFFT chèn CP Dữ liệu truyền qua kênh truyền bao gồm nhiễu trắng (AWGN) Tín hiệu sau thu gỡ bỏ CP qua IFFT đảo, thực MMSE, sau đánh giá SER Quá trình lăp lại cho giá trị SNR dãy Đối với RN, trình thực thi OFDM có khác giai đoạn nhận tín hiệu RN, tín hiệu nhận bị gỡ bỏ CP qua IFFT đảo, thực thi MMSE trước phát (đến UE) kênh truyền tín hiệu phải qua IFFT chèn thêm CP Quá trình tương tự diễn UE Hình 4.10 Sơ đồ mơ 64 4.2.3 Thuật tốn Bắt đầu Thiết lập vị trí BS, UE RN Khai báo ma trận bắt cặp cho RN Khởi tạo tín hiệu OFDM Count=0 Count++ Tạo kênh truyền OFDM cho tín hiệu truyền qua RN Tính SER cho RN OFDM cho truyền trực tiếp Tính SER cho RN (phối hợp) SER truyền trực tiếp N Count=2000 Y SER trung bình cho RN SER trung bình RN (phối hợp) SER trung bình (trực tiếp) Vẽ đồ thị SER theo SNR Kết thúc 65 Mơ tả thuật tốn mơ phỏng: Đầu tiên khai báo mảng hướng anten cho BS UE, khai báo vị trí xác định khoảng cách BS, RN UE Tiếp đến khai báo ma trận bắt cặp cho RN, việc khai báo xác định BS giao tiếp với Tiếp theo tạo môi trường kênh truyền Sau khối mơ OFDM, có mơi trường kết nối nên có khối mơ OFDM dành cho mơi trường khơng có RN, mơi trường không phối hợp môi trường phối hợp Tiếp theo tính tốn Symbol Error Rates (SER) cho loại mơi trường Q trình lặp lại 2000 lần.Mỗi lần SER tính cộng vào SER lần trước, sau hồn thành tồn vịng lặp, SER tổng tính tốn lấy giá trị trung bình.SER sau biểu diễn đồ thị tương ứng với giá trị SNR 66 4.2.4 Kết mô So sánh truyền trực tiếp truyền thơng qua nút chuyển tiếp khơng phối hợp Hình 4.11 SER chuyển tiếp không phối hợp truyền trực tiếp 67 So sánh truyền chuyển tiếp phối hợp Relay Relay Hình 4.12 SER chuyển tiếp phối hợp RN RN 68 So sánh truyền chuyển tiếp phối hợp không phối hợp Hình 4.13 SER chuyển tiếp khơng phối hợp có phối hợp 69 So sánh truyền trực tiếp truyền qua nút chuyển tiếp Hình 4.14 So sánh SER truyền trực tiếp qua nút chuyển tiếp 4.2.5 Nhận xét đánh giá kết Các kết mô thực với nguồn vào bit ngẫu nhiên, sử dụng điều chế QPSK dùng loại nút chuyển tiếp AF Từ kết mô đạt cho thấy: - Sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp giúp nâng cao chất lượng hệ thống thông tin Điều thể rõ thông qua kết tỉ số SER hệ thống chuyển tiếp giảm nhiều so với hệ thống truyền trực tiếp - Chất lượng cải thiện truyền phối hợp so với truyền không phối hợp Tỉ số SER giảm đáng kể trường hợp truyền phối hợp so với truyền không phối hợp 70 - Chất lượng hệ thống cải thiện gia tăng số lượng nút chuyển tiếp Kết mô cho thấy tỉ số SER giảm nhiều gia tăng số lượng nút chuyển tiếp 71 KẾT LUẬN CHƯƠNG Kết mô cho thấy cải thiện chất lượng tín hiệu đáng kể nút chuyển tiếp mạng di động 4G so với truyền dẫn trực tiếp truyền dẫn không phối hợp từ BS đến UE ngược lại Qua thấy cần thiết nút chuyển tiếp việc cải thiện chất lượng tín hiệu mạng 4G 72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kỹ thuật chuyển tiếp công nghệ đem lại nhiều ưu điểm lợi ích cho truyền thơng tương lai, mà cụ thể hệ thống thông tin di động tiên tiến 4G bắt đầu triển khai nhiều nước giới Việt Nam Nó đáp ứng hầu hết yêu cầu hệ thống 4G tốc độ, băng thông, dung lượng, vùng phủ sóng giá thành triển khai mạng Chất lượng tiêu quan tâm hàng đầu hệ thống thông tin, đặc biệt thông tin di động Hệ thống thông tin di động 4G biết đến hệ thống tích hợp tất dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng nhiều dịch vụ đa phương tiện nên đòi hỏi tiêu chất lượng phải khắt khe Kỹ thuật chuyển tiếp giúp nâng cao chất lượng hệ thống giải đòi hỏi khắt khe hệ thống 4G Trong thông tin di động, user khu vực rìa cell thường thu tín hiệu với SNR thấp xa trạm gốc Sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để mở rộng vùng phủ sóng khu vực rìa cell, giúp user khu vực rìa cell đảm bảo tốc độ truyền liệu cao yêu cầu hệ thống 4G Luận văn sâu phân tích chất lượng tín hiệu hệ thống chuyển tiếp phối hợp thông qua số BER SER, thấy ưu điểm hệ thống so với hệ thống truyền trực tiếp không qua nút chuyển tiếp, đồng thời có mơ đánh giá để qua thấy cần thiết hệ thống chuyển tiếp Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu vấn đề Trong tương lai, kỹ thuật chuyển tiếp cần xem xét nghiên cứu mức độ sâu vấn đề xử lý tín hiệu chuyển giao, điều khiển cơng suất chuyển tiếp, vấn đề quy hoạch vị trí nút chuyển tiếp để đạt hiệu suất tối ưu cho hệ thống 73 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Aimi S A Ghafar, N Satiman, N Fisal, M M S Marwangi, Faiz A Saparudin, Rozeha A Rashid, N Katiran, Relay Architectures for LTEAdvanced Network, Center of Excellence in Telecommunication Technology, Faculty of Electrical Engineering, Universiti Teknologi Malaysia, Skudai, Johor, Malaysia [2] Ahmed K Sadek, Weifeng Su, and K J Ray Liu, Fellow, Multinode Cooperative Communications in Wireless Networks, Student Member, IEEE [3]Hao Lu, Homayoun Nikookar and Tao Xu ( Sep 2010) OFDM Communication with Cooperative Relays, Communications and Networking, Jun Peng (Ed.), ISBN: 978-953-307-114-5, Sciyo, Croatia [4]Mikio Iwamura, Hideaki Takahashi, Satoshi Nagata (2011), “Relay Technology in LTE-Advanced”, NTT Docomo Technical Journal, Vol 12 No2 [5] K.J.RayLiu, Ahmed K.SaDek, Weifeng Su and Andres Kwasinski (2009), Cooperative Communications and Networking, Cambridge University Press, New York [6]Samar Agnihotri, Sidharth Jaggi, and Minghua Che (2011), Amplify-andForward in Wireless Relay Networks, Department of Information Engineering, The Chinese University of Hong Kong [7] StevenW Peters, Ali Y Panah, Kien T Truong, and RobertW Heath Jr, Relay Architectures for 3GPP LTE-Advanced, Department of Electrical and Computer Engineering, The University of Texas at Austin, University Station C0803, Austin, TX 78712-0240, USA 74 [8]David Soldani, Multi-hop Relay Networks, Huawei Technologies, European Research, Centre Germany [9]Yang Yang, Honglin Hu and Jing Xu, Guoqiang Mao, Relay Technologies for WiMAX and LTE-Advanced Mobile Systems, University College London and Chinese Academy of Sciences, Chinese Academy of Sciences, The University of Sydney and National ICT Australia [10]Weifeng Su, Ahmed K Sadek, and K J Ray Liu, SER Performance Analysis and Optimum Power Allocation for Decode-and-Forward Cooperation Protocol in Wireless Networks, Department of Electrical and Computer Engineering University of Maryland, College Park, MD 20742 [11]Mohammad Torabi, Wessam Ajib and David Haccoun (2009), Performance Analysis of Amplify-and-Forward Cooperative Networks with Relay Selection over Rayleigh Fading Channels, Department of Electrical Engineering, Ecole Polytechnique de Montreal, Montreal, QC, Canada, Department of Computer Science, Universit edu Quebec a Montreal, Canada [12]Dr John Thompson, Cooperative Diversity in Wireless Networks, Erasmus Project at the University of Edinburgh [13]David Martin-Sacristan, Jose F.Monserrat, Jorge Cabrejas-Penuelas, Daniel Calabuig, Salvador Garrigas, and Narcis Cardona, On the Way towards Fourth-GenerationMobile:3GPP LTE and LTE-Advanced, iTEAM Research Institute, Universidad Politecnica de Valencia, Camino de Vera S/N, 46022 Valencia, Spain [14] Xiaofeng Tao, Xiaodong Xu, and Qimei Cui (June 2012), “An Overview of Cooperative Communications”,IEEE Communications Magazine 6804(12)pp 65-71 75 [15] Yifei Yuan (2013) LTE-Advanced Relay Technology and Standardization Springer, London [16]Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang and Chung G Kang (Nov 2010) MIMO-OFDM wireless communications with MATLAB, Wiley-IEEE Press, Singapore ... NẴNG LÊ ĐÌNH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP CỦA MẠNG DI ĐỘNG 4G (LTE- ADVANCED) Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng... yêu cầu hệ thống 4G Mục đích nghiên cứu So sánh đánh giá khả cải thiện chất lượng tín hiệu hệ thống chuyển tiếp mạng di dộng 4G (LTE- Advanced) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Chất lượng tín hiệu (thơng... SER) hệ thống chuyển tiếp mạng di động 4G (LTE- Advanced) 2 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết mô mạng 4G sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp