Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế thông tin di động 4g

LỜI CẢM ƠN Được phân công Khoa Điện-Điện tử tàu biển trường Đại Học Hàng Hải,và đồng ý thầy giáo hướng dẫn TS.Phạm Việt Hưng em thực đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế thông tin di động 4G” Để hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luỵện trường Đại Học Hàng Hải Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Việt Hưng tận tình, chu đáo hướng dẫn em thực đồ án tốt nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh Song buổi đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thực tế hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa thấy Em mong góp ý quý Thầy, Cô giáo bạn ngành để đồ án tốt nghiệp hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng , ngày 21 tháng năm 2016 Sinh viên Nguyễn Trung Thành i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn thầy giáo TS Pham Việt Hưng Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá đước tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, đồ án sử dụng số nhận xét,đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lần xin hòan toàn chịu trách nhiệm nội dung đồ án mình.Trường đại học Hàng Hải Việt Nam không liên quan đến vi phạm tác quyền,bản quyền gây trình thực (nếu có) Hải Phòng, Ngày 21 tháng năm 2016 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ERROR: REFERENCE SOURCE NOT FOUND ERROR: REFERENCE SOURCE NOT FOUND II III XI XI MỞ ĐẦU .1 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỒ ÁN TỔ CHỨC CỦA ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1.2 Lộ trình phát triển thông tin di động .4 CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G .31 3.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 31 _ Phân bổ theo kênh dẫn tới hạn chế tốc độ liệu người dùng 35 3.2.2 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế hiệu suất cao 35 Xử lý tín hiệu SC-FDMA 43 Truyền liệu hướng xuống sử dụng kỹ thuật OFDM 62 KẾT LUẬN .70 ii THAM KHẢO 71 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 2G 3G 4G AAA AMPS 2nd Generation 3rd Gneration 4th Generation Adaptive Array Antenna Advanced Mobile Phone Thế hệ Thế hệ Thế hệ Ăngten dãy thích nghi Dịch vụ điện thoại di AR ARQ Service Access Router Automatic Repeat động tiên tiến Bộ định tuyến truy cập Kĩ thuật yêu cầu lặp tự ATM reQuest Asynchronous Transfer động Chế độ truyền dị BS BSC BSS BTS CDMA Mode Base Station Base Station Controller Base Station Controller Base Tranceiver Station Code Division Multiple Trạm gốc Bộ điều khiển trạm gốc Hệ thống trạm gốc Trạm thu phát gốc Đa thâm nhập phân chia CRC CTP Access Cyclic Redundancy Code Context Transfer Protocol theo mã Mã vòng dư Giao thức truyền ngữ DS DS-CDMA DSP E2R Direct Sequence Direct Sequence CDMA Digital Singnal Processor End-to-End cảnh Chuỗi trực tiếp CDMA chuỗi trực tiếp Bộ xử lý tín hiệu số Khả cấu hình lại từ EIRP Reconfigurability Effective Isotropically đầu cuối đến đầu cuối Công suất phát xạ đẳng FEC FDMA Radiated Forward Error Correct Frequency Division hướng hiệu dụng Mã sửa lỗi trước Đa truy cập phân chia FH-OFDM MultiAccess Frequency Hopping theo tần số OFDM nhảy tần GPS Orthogonal Global Positioning Hệ thống định vị toàn iii GPRS System General Packet Radio cầu Hệ thống vô tuyến gói HARQ System Hybrid Automatic Repeat chung ARQ (tự động yêu cầu IMT-2000 reQuest International Mobile lặp) Thông tin di động toàn IP IPv6 Telecommunication-2000 Internet Protocol Internet Protocol Version cầu-2000 Giao thức Internet Giao thức Internet phiên ITU International bản6 Liên minh Viễn thông MIMO Telecommunication Multi Input-Multi Output Quốc tế Ăngten nhiều kênh vào- Multi Carrier CDMA nhiều kênh Đa truy cập phân chia Network Mobility Next Genaration Network Orthononal Frenquency theo mã đa sóng mang Tính di động mạng Mạng hệ sau Ghép kênh đa truy cập Division phân chia theo tần số Orthononal Frequency trực giao Ghép kênh đa truy cập Code Division phân chia theo mã tần số PAN Multiplexing Persional Access trực giao Mạng truy cập cá nhân PAPR Network Peak Average Power Tỷ số công suất đỉnh QoS RNC Ratio Quality of Service Radio Network Controller công suất trung bình Chất lượng dịch vụ Bộ điều khiển mạng vô RNS Radio Network tuyến Hệ thống mang vô SDR Subsystem Software Defined Radio tuyến Sóng vô tuyến định MC-CDMA NEMO NGN OFDM OFCDM iv SINR Signal to Interference and nghĩa mềm Tỷ số công suất tín hiệu SMS-SC UMTS Noise Power Ratio SMS Service Center Universal Mobile nhiễu tạp âm Trung tâm d/v tin nhắn Hệ thống viễn thông di Telecommunication động toàn cầu System Wideband Code Division Đa thâm nhập vô tuyến Multiple Access phân chia theo mã băng Wireless-LAN rộng Mạng cục không dây W-CDMA W-LAN v DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Bảng 1 Tên bảng Tổng kết hệ thống di động Trang Error: R ef er e n c e s o u rc e n ot f o u n d Khoảng tỷ lệ SNR với kỹ thuật điều chế Bảng PAPR 99,9% cho IFDMA, DFDMA, LFDMA, OFDMA Error: R ef er e n c xi e s o u rc e n ot f o u n d xii DANH MỤC CÁC HÌNH Số Hình Tên Hình Trang Error: Refere Hình 1 Lộ trình phát triển thông tin di động [1] nce source not found Error: Referen Hình 2.1 ce Dịch vụ thông tin y tế source not found Error: Referen Hình 2.2 Hệ thông cung cấp nội dung tiên tiến ce source not found Error: Referen Hình 2.3 ce Hệ thống định vị source not Hình 2.4 found Error: Hệ thông đặt hàng di động Referen ce xiii source not found Error: Referen Hình 2.5 Hệ thống quản lý thực phẩm ce source not found Error: Referen Hình 2.6 ce Hệ thống bảo hiểm rủi ro source not found Error: Referen Hình 2.7 ce Hệ thống quản lý di động source not found Error: Referen Hình 2.8 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G ce source not Hình 2.9 Mô hình tham chiếu nên tảng dịch vụ found Error: Referen ce xiv source not found Error: Referen Hình 2.10 Mô hình tham chiếu tảng dịch vụ: tiện nghi người dùng ce source not found Error: Referen Hình 2.11 Mô hình tham chiếu tảng dịch vụ: dịch vụ nâng cao ce source not found Error: Referen Hình 2.12 Mô hình tham chiếu tảng dịch vụ: quản lý hệ thống ce source not found Error: Referen Hình ce Cơ SCS-MC-CDMA source not Hình Cấu trúc tế bào tối ưu SCS-MC-CDMA found Error: Referen ce xv 15, độ lợi kênh thấp hơn, hiệu suất Như nói, mapping sóng mang localized thiếu phân tập tần số cần sử dụng CDS hay subband hopping để khắc phục hạn chế Trong công trình phân tích BER giá trị kỹ thuật điều chế khác hai băng thông kênh khác 1.25MHz 6MHz với giá trị SNR khác Vào cuối phân tích, kết luận tăng băng thông kênh,chúng nhận thông lượng BER tốt tăng Nhưng lên thứ tự điều chế BER tăng cho giá trị SNR định.Như tiếp tục tăng giá trị SNR cho BER kỹ thuật điều chế vào giảm 3.2.2.4 Kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM (là viết tắt Othogonal Frequency Division Multiplexing) gọi Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Kĩ thuật đưa vào năm 60 mẻ Tuy nhiên độ phức tạp tính toán nên đến gần áp dụng ứng dụng dân dụng Trước dử dụng cho ứng dụng quốc phòng Quốc phòng Mỹ Một vấn đề phức tạp truyền thông tin với tốc độ cao qua kênh có băng thông rộng vấn đề chọn lọc tần số Một kênh chọn lọc tần số c thành phần tần số khác tín hiệu truyền qua kênh bị suy giảm dịch pha với mức độ khác (cả biên độ mức phi tuyến) tín hiệu phía thu bị méo nặng dẫn tới việc khôi phục tín hiệu trở nên khó khăn - Phương pháp điều chế đơn sóng mang Hình 3.22 Biểu diễn phổ tín hiệu miền thời gian 59 Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang , dòng tín hiệu truyền toàn băng tần B, có nghĩa tần số lấy mẫu hệ thống độ rộng băng tần tín hiệu có độ dài : Tsc = 1/B Trong thông tin vô tuyến băng rộng , kênh vô tuyến thường kênh phụ thuộc tần số Tốc độ lấy mẫu thông tin băng rộng lớn, chu kì lấy mẫu T sc nhỏ Vì vậy, phương pháp điều chế sóng mang đơn có đặc điểm sau: Ảnh hưởng nhiễu lên tín hiệu ISI (Intersymbol Interferece) gây hiệu ứng phân tập đa đường tín hiệu thu lớn Điều giải thích độ dài mẫu tín hiệu Tsc nhỏ so với tín hiệu điều chế đa sóng mang Do ảnh hưởng trễ truyền dẫn gây nhiễu lên tín hiệu ISI nhiều mẫu tín hiệu thu Có loại nhiễu thông tin vô tuyến: Gaussian Noise (Nhiễu Gausian) Interchanel Interference (Nhiễu liên kênh) Co-chanel Interference (Nhiễu đồng kênh) Inter-symbol Interference (Nhiễu kí tự ISI) Multiple Access Interference (Nhiễu truy cập) Ảnh hưởng phụ thuộc kênh truyền theo tần số lớn hệ thống Do băng rộng kênh phụ thuộc tần số Hai lí nêu làm cho cân kênh lọc nhiễu máy thu phức tạp Phương pháp điều chế đơn sóng mang sử dụng chủ yếu tỏng thông tin băng hẹp hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang đời để cải thiện nhược điểm 60 Hình 3.23: Biểu diễn tín hiệu OFDM miền tần số Hình 3.24: Biểu diễn tín hiệu OFDM miền thời gian Là công nghệ điều chế không dây thay cho công nghệ CDMA.Đó điều chế kỹ thuật số kỹ thuật ghép kênh thích hợp cho công nghệ 4G Động lực đằng sau cần thiết để đáp ứng yêu cầu bùng nổ điện thoại di động,Internet dịch vụ đa phương tiện kết hợp với quang phổ vô tuyến hạn chế Hiệu quang phổ tín hiệu OFDM tìm thấy cách nhân hiệu quang phổ kỹ thuật điều chế số lượng song mang con,hiệu suất BER tín hiểu OFDM kênh fading tốt nhiều so với hiệu suất QPSK/FDM tín hiệu sóng mang băng rộng nhất.Aithough BER nằm bên tín hiệu OFDM xác giống điều chế bản,đó 8PSK sử dụng để điều chỉnh 61 sóng mang phụ BER tín hiệu OFDM giống BER tín hiệu 8PSK kênh Gaussian Nhưng kênh mờ dần, OFDM cung cấpBER tốt nhiều so với tín hiệu băng rộng xác điều chế tương tự Ưu điểm đa dạng nhiều hãng mà phải áp dụng cho nhóm nhỏ Tín hiệu để tiếng ồn tỷ lệ (SNR) khác biệt cường độ tín hiệu hệ thống tái tạo so với sức mạnh hay biên độ tiếng ồn Theo lý thuyết thông tin Shannon, công suất tối đa kênh băng thông W,với sức mạnh tín hiệu S,bị ảnh hưởng tiếng ồn trắng  bình điện N,được cho [3,6] C = W log  +  S ÷ (2) N Truyền liệu hướng xuống sử dụng kỹ thuật OFDM Sử dụng kỹ thuật OFDM cho truyền liệu hướng xuống, thời gian kí tự OFDM tương đối dài việc kết hợp với tiền tố chu trình (CP),nên kỹ thuật OFDM chống lại sựchọn lọc tần số kênh (Channel frequency selectivity).Sự sai lệch tín hiệu kênh truyền chọn lọc tần số kiểm soát kỹ thuật cân phía thu, chống lại fading lựa chọn tần số (Bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp,các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hệ thống đơn sóng mang) Nguyên tắc đa truy nhập đường xuống OFDM Kỹ thuật OFDM Kỹ thuật OFDM dễ dàng hỗ trợ cho việc phân bố băng thông cách linh hoạt, cách biến đổi băng tần sở thành sóng mang để truyền đi, sóng mang điều chế độc lập dòng liệu tốc độ thấp tần số băng tần trực giao với Với số đặc điểm kỹ thuật OFDM như: +Sử dụng lượng tương đối lớn sóng mang băng hẹp +Dạng xung đơn giản Điều đáp ứng phổ dạng sóng mang 62 +Những sóng mang xếp chặt chẽ miền tần số với khoảng cách sóng mang Tu thời gian điều chế sóng mang Hình 3.26 Tín hiệu OFDM Thông thường 15kHz, với máy thu phát dựa FFT =15000 * N Trong thực tế máy phát/thu với N=2048, =30,72MHz thích hợp cho băng thông rộng 15MHz Kích thước FFT dạng lũy thừa 2, bội số ước số tốc độ chíp WCDMA/HSPA R c=3.84Mchip/s Ngoài truyền dẫn đa phương quảng bá dựa MBSFN Trong miền tần số sóng mang nhóm thành khối tài nguyên 180kHz, Sóng mang DC(một chiều) không sử dụng trùng với tần số dao động nội Tổng số sóng mang đường xuống N SC=12NRB+1, NRB số lượng khối tài nguyên Lớp vật lý LTE có số lượng khối tài nguyên dải từ đến 100 khối tài nguyên, tương ứng băng thông truyền dẫn dải từ 1MHz đến 20MHz 63 Hình 3.27 BER so với SNR cho hệ thống OFDM băng thông kênh 1,25 MHz 0510152025300.450.50.550.60.650.70.750.80.850.9Eb / NoBERError Xác suất kênh băng thông 1.25MHz Hình 3.28 BER so với SNR cho hệ thống OFDM băng thông kênh 6MHz 3.2.2.5 Kỹ thuật điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) Điều chế pha PSK cung cấp chia thành kỹ thuật BPSK, QPSK, kỹ thuật liệu chuyển tải cách thay đổi pha sóng mang.BPSK kỹ thuật điều chế kỹ thuật số hình thức đơn giản thay đổi giai đoạn keying điều chế Nó sử dụng hai giai đoạn phân cách sử thay đổi giai đoạn 180° mà làm cho gọi 2-PSK.Các tín hiệu chuyển giai đoạn dạng sóng để hai tiểu bang để đại diện cho biểu tượng 64 nhị phân tương ứng.Mạch lạc BPSK có không gian tín hiệu chiều với hai điểm thông báo,để tạo tín hiệu BPSK, liệu nhị phần đầu vào hình thức cực với biều tượng đại diện với mức biên độ không đổi E b E - b Qúa trình mã hóa truyền dẫn tín hiệu thực mức độ mã hóa Non Return Zero (NRZ).Sản lượng sóng nhị phân với tàu sân bay hình ∅ (tt ) ,có tần số cho f c = n T c đưa b vào điều chế sản phẩm sóng mang BPSK mong muốn đạt đầu điều chế Để giải điều chế chuỗi nhị phân ban đầu tín hiệu BPSK đến thông qua thành tương quan, tạo thành từ nhân nhà tích hợp Các tín hiệu đến với tín hiệu tham khảo chặt chẽ ∅ (tt ) nhân đầu đưa vào nhà tích hợp Đầu xx1 tương quan so sánh với ngưỡng 0, định thực dựa nguyên tắc định.Nếu xx1>0 thiết bị tạo sản lượng xx10 định thực để sản xuất xx10 định thực để sản xuất xx2[...]... nghệ tiên tiến như: các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến dung lượng lớn, tốc độ cao (OFDMA,SCS-MC-CMDA) ,kỹ thuật ăngten dãy thích nghi tiên tiến, kỹ thuật ghép kênh tiên tiến (MIMO)… được triển khai ở hệ thống di động 4G • Kết Luận 2 CHƯƠNG 1: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử và xu thế phát triển của thông tin di động 1.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động Thông tin di động luôn không ngừng... thác Sự xuất hiện của hệ thống thông tin di xxi động thế hệ thứ tư có thể tạo ra một sự bùng nổ trong ngành công nghiệp thông tin di động nói riêng và ngành công nghiệp viễn thông nói chung Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là Nghiên cứu các kĩ thuật điều chế trong thông tin di động 4G làm chủ đề nghiên cứu xxii MỞ ĐẦU 1 Cơ sở nghiên cứu và mục đích của đồ án Nhu... nghệ thông tin di động, thì việc nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G là cần thiết 2 Tổ chức của đồ án Đồ án được trình bày thành ba chương • Chương 1: trình bày sơ lược về cơ sở nghiên cứu, mục đích cũng như tổ chức của đồ án • Chương 2: trình bày về lịch sử ,các thế hệ của thông tin di động • Chương 3: các công nghệ ứng dụng trong hệ thống di động 4G Ở chương này trình bày về một số kỹ thuật, ... rộng rãi trong thông tin quân đội và sau này là thông tin vô tuyến công cộng Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin di động số thế hệ thứ hai,hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa phương... Dịch vụ thông tin định vị (dịch vụ định vị, chỉ dẫn tuyến đường, thông tin giao thông ) - Dịch vụ thông tin xe cộ (thông tin xe ôtô, thông tin điều chỉnh động cơ xe…) - Dịch vụ giải trí (radio, chương trình truyền hình, v.v.) 14 - Dịch vụ điều khiển (điều khiển xe trong sự kiện động đất, tai nạn…) - Dịch vụ khẩn cấp (tai nạn, ôm đau bất ngờ…) Dịch vụ đặt hàng di động Hình 2.4 Hệ thông đặt hàng di động. .. di động, thương mại di động, phòng chống thiên tai… Hiện nay, điều chế là vô cùng quan trọng cho tất cả không dây thông tin liên lạc Hầu hết các đường truyền không dây đến ngày hôm nay là kỹ thuật số với quang phổ có sẵn hạn chế, do đó các loại điều chế được sử dụng là rất quan trọng Việc chuyển đổi các tín hiệu tương tự để điều chế kỹ thuật số an ninh cung cấp cải thiện dữ liệu,tăng cường truyền thông. .. đây ,thông tin di động đã đạt đước những thành tựu vượt bậc Thông tin di động cho phép người dùng sử dụng ở mọi lúc,mọi nơi trong vùng phủ sóng, kể cả khi đang di chuyển Ngoài ra thông tin di động còn đáp ứng nhiều dịch vụ tiện ích khác nhau như: nhắn tin, truyền số liệu, truyền thông đa phương tiện,xác định vị trí người sử dụng… mà các dịch vụ khác không thực hiện được Do vậy nhu cầu về thông tin di động. .. những năm gần đây thông tin di động ra đời như một tất yếu khách quan nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin trong thời kỳ đổi mới của đất nước Vào thời kỳ ban đầu,xuất hiện một số mạng thông tin di động như mạng nhắn tin ABC, mạng nhắn tin toàn quốc có tính chất thử nghiệm cho công nghệ thông tin di động ở Việt Nam.Sau đó, vào tháng 3/1993, mạng điện thoại di động MobiFone sử dụng kỹ thuật số GSM đã... được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống di động 4G Lộ trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ tư được mô tả ở hình 2.1 Hình 1 1 Lộ trình phát triển của thông tin di động Trong đó: +TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập tổng thể + NMT900 (Nordic Mobile Telephone 900): Hệ thống điện thoại di động Bắc... người Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động 3G đã được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ Saigon Postel, Hà Nội Telecom, EVN Telecom và được đưa vào khai thác vào năm 2006 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) đã được hãng viễn thông lớn trên thế giới, Hiệp hội Viễn thông quốc tế -ITU, di n đàn Mobile IT nghiên cứu và chuẩn hóa Năm 2012 hệ thống thông tin di động 4G sẽ được triển khai và