khảo sát bẻ gãy các giao thức và kĩ thuật trong truyền thông đa chặng mạng LTEADVANCED

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung đồ án không chép nội dung từ đồ án khác Để hoàn thành đồ án này, sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không ghi Nếu sai, xin chịu hình thức kỹ luật theo quy định Sinh viên thực (Ký tên) Võ Như Tuân MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Sơ lược hệ thống thông tin di động 1.3 Tổng quan công nghệ LTE 1.3.1 Giới thiệu công nghệ LTE 1.3.2 Kiến trúc mạng LTE 1.3.3 Kiến trúc mạng lõi LTE 1.3.4 Mạng truy cập E-UTRAN 1.3.5 Thiết bị người dùng (UE) 1.3.6 Vùng dịch vụ (Services) 1.4 Các công nghệ sử dụng LTE-ADVANCED 10 1.4.1 Kết hợp sóng mang (Carrier Aggegation) 10 1.4.2 Kết nối chuyển tiếp (Relay) 11 1.4.3 Giải pháp đa anten (MIMO) 12 1.4.4 Hệ thống phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP 13 1.5 Kết luận chương 14 CHƯƠNG 2: 15 TỔNG QUAN VỀ TRẠM CHUYỂN TIẾP 2.1 Giới thiệu chương 15 2.2 Giới thiệu chung khái niệm chuyển tiếp 15 2.2.1 Giới thiệu chung chuyển tiếp 15 2.2.2 Khái niệm chuyển tiếp 18 2.3 Phân loại 19 2.3.1 Dựa theo mô hình thực tế 19 2.3.1.1 Ở nông thôn (vùng dân cư thưa thớt) 20 2.3.1.2 Ở vùng đô thị (người dùng tập trung) 20 2.3.1.3 Điểm chết (vùng bị che khuất) 21 2.3.1.4 Các vị trí nhà 22 2.3.1.5 Nhóm thuê bao di chuyển 22 2.3.1.6 Triển khai mạng tạm thời 23 2.3.1.7 Mạng lưới không dây 24 2.3.2 Dựa theo vùng phủ sóng 24 2.3.3 Dựa theo băng tần sử dụng 25 2.3.4 Dựa theo sở hạ tầng 26 2.3.4.1 Trạm chuyển tiếp cố định 26 2.3.4.2 Dựa theo băng tần sử dụng 27 2.3.4.2 Dựa theo băng tần sử dụng 27 2.3.5 Dựa theo giao thức truyền dẫn 28 2.3.5.1 Relay khuếch đại chuyển tiếp AF 28 2.3.5.2 Relay giải mã chuyển tiếp DF 29 2.4 Hệ thống thông tin đa chặng 30 2.4.1 Mô hình One-way relay 30 2.4.2 Mô hình Two-way relay 31 2.5 Ưu nhược điểm trạm chuyển tiếp 32 2.5.1 Các ưu điểm 32 2.5.2 Các nhược điểm 32 2.6 Kết luận chương 33 CHƯƠNG : 34 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG CHUYỂN TIẾP 3.1 Giới thiệu chương 34 3.2 Phân tập thu kết hợp theo tỉ số tối đa MRC 34 3.2.1 MRC cho chuyển tiếp AF 35 3.2.2 MRC cho chuyển tiếp DF 37 3.3 Hệ thống SDMA 38 3.3.1 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA 38 3.3.2 Kỹ thuật tiền mã hóa 39 3.3.2.1 Khái niệm tiền mã hóa 39 3.3.2.2 Tiền mã hóa zero-forcing 40 3.4 Kỹ thuật Network coding two-way relay 43 3.4.1 Mô hình Two-way relay đa người dùng 43 3.4.2 Mô hình hệ thống 44 3.4.3 Xây dựng ma trận tiền mã hóa 46 3.4.3.1 Ma trận tiền mã hóa trạm gốc 46 3.4.3.2 Ma trận tiền mã hóa trạm chuyển tiếp 48 3.5 Kết luận chương 51 CHƯƠNG : 52 KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu chương 52 4.2 Khảo sát công suất dùng trạm chuyển tiếp 52 4.3 Khảo sát tỉ số bit lỗi BER hệ thống có chuyển tiếp 55 4.4 Khảo sát BER với mô hình nhiều trạm chuyển tiếp 61 4.4 Khảo sát BER kỹ thuật network coding 63 4.5 Kết luận chương 66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TIẾP THEO 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 70 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN 1G First Generation Thế hệ thứ 2G Second Generation Thế hệ thứ hai 3G Third Generation Thế hệ thứ ba 4G Fourth Generation Thế hệ thứ tư AF Amplify and Foward Khuếch đại chuyển tiếp AWGN Additive White Gauss Noise Nhiễn Gaussian trắng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BSC Base Station Controller Trạm điều khiển gốc CA Carrier Aggregation Kết hợp sóng mang CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CoMP Cooperative Multipoint Hệ thống phối hợp truyền đa điểm Transmisson DF Decode and Foward Giải mã chuyển tiếp eNodeB Evolved NodeB NodeB phát triển EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển FDMA Frequency Division Multiple Đa truy cập phân chia theo tần số Access GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu Communication HSPA High-Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thường trú IMS IP Mutilmedia System Hệ thống đa phương tiện IP LOS Line Of Sigth Đường truyền trực tiếp LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MIMO Multi Input Multi Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động MRC Maximum Ratio Combine Bộ kết hợp phân tập MS Mobile Station Trạm di động NAS Non-Access Stratum Tầng không truy cập OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực Multiplexing giao PCRF Policy Control Charging Tính cước tài nguyên PDN Packet Data Network Gói liệu mạng P-GW Packet Date Network Gatewway Cổng mạng liệu gói PSTN Public Switch Telephone Network Mạng chuyển mạch công cộng QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không gian S-GW Serving Gateway Cổng phục vụ SINR Signal to Interference Tỉ số tín hiệu can nhiễu cộng nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian UE User Equipment Thiết bị sử dụng DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Quá trình phát triển công nghệ thông tin di động Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống cho mạng LTE Hình 1.3: Kiến trúc mạng lõi LTE Hình 1.4: Mạng truy cập E-UTRAN Hình 1.5: Kết hợp sóng mạng LTE-ADVANCED 10 Hình 1.6: Kết nối chuyển tiếp LTE-ADVANCED 11 Hình 1.7: Các chế độ MIMO LTE-ADVANCED 12 Hình 1.8: Hệ thống phối hợp với nút chuyển tiếp 13 Hình 2.1: Sự thay đổi khoảng cách cực tiểu chùm tia tín hiệu điều chế mật độ cao 16 Hình 2.2: a) Giải pháp thu nhỏ cell dùng nhiểu BTS 17 Hình 2.2: b) Giải pháp dùm trạm chuyển tiếp 17 Hình 2.3: Mô hình hệ thống với trạm chuyển tiếp 18 Hình 2.4: Dựa theo mô hình thực tế 19 Hình 2.5: Chuyển tiếp vùng nông thôn 20 Hình 2.6: Chuyển tiếp vùng đô thị 20 Hình 2.7: Chuyển tiếp khu vực điểm chết 21 Hình 2.8: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao nhà 22 Hình 2.9: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao di chuyển 23 Hình 2.10: Sử dụng trạm chuyển tiếp để triển khai mạng tạm thời 23 Hình 2.11: Sử dụng chuyển tiếp làm mạng lưới không dây 24 Hình 2.12: Dựa theo vùng phủ sóng 24 Hình 2.13: Trường hợp minh bạch trường hợp không minh bạch 25 Hình 2.14: Dựa theo băng tần sử dụng 26 Hình 2.15: Trạm chuyển tiếp cố định 26 Hình 2.16: Trạm chuyển tiếp tạm thời 27 Hình 2.17: Trạm chuyển tiếp di chuyển 27 Hình 2.18: Khuếch đại chuyển tiếp AF 28 Hình 2.19: Giải mã chuyển tiếp DF 29 Hình 2.20: Mô hình One-way relay 30 Hình 2.21: Mô hình Two-way relay 31 Hình 3.1: Hệ thống thông tin di động có chuyển tiếp AF 35 Hình 3.2: Hệ thống thông tin di động có chuyển tiếp DF 36 Hình 3.3: SDMA đa truy cập phân chia theo không gian 38 Hình 3.4: Mô hình SDMA đơn giản 39 Hình 3.5: Tiền mã hóa Zero-forcing 40 Hình 3.6: Mô hình Two-way relay đa người dùng 43 Hình 3.7: Mô hình hệ thống Two-way relay sử dụng tiền mã hóa 44 Hình 3.8: Mô hình truyền nhận liệu Two-way relay 44 Hình 4.1: Mô hình hệ thống với chuyển tiếp 52 Hình 4.2: Khảo sát công suất phát trạm gốc có trạm chuyển tiếp 54 Hình 4.3: BER hệ thống có relay AF relay 56 Hình 4.4: BER hệ thống có relay DF relay 57 Hình 4.5: BER hệ thống có relay DF, relay AF relay 58 Hình 4.6: BER thuê bao với hệ số khuếch đại khác 60 Hình 4.7: Mô hình nhiều trạm chuyển tiếp 62 Hình 4.8: BER thuê bao với mô hình đa trạm chuyển tiếp 62 Hình 4.9: Hệ thống sử dụng Network coding 63 Hình 4.10: BER trạm thuê bao sử dụng kỹ thuật Network coding 65 Hình 4.11: BER trạm gốc sử dụng kỹ thuật Network coding 65 Chương : Khảo sát mô Hình 4.7: Mô hình nhiều trạm chuyển tiếp Kết mô Hình 4.8: BER thuê bao với mô hình đa trạm chuyển tiếp Nhận xét: Từ kết ta nhận thấy tăng số lượng trạm chuyển tiếp hệ thống tỷ lệ bit lỗi thấp hơn, điều phân tập thu MRC thuê bao Số lượng trạm chuyển tiếp tăng tin truyền nhiều hướng không gian đạt độ phân tập không gian tốt, nhờ nâng cao chất lượng dịch vụ Trang 62 Chương : Khảo sát mô 4.4 Khảo sát BER kỹ thuật network coding Sau thực mô đưa ưu điểm trạm chuyển tiếp chất lượng hệ thống; tập trung vào kỹ thuật áp dụng trạm chuyển tiếp nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ Việc xây dựng hệ thống đa người dùng cho hệ thống two-way relay với việc sử dụng khe thời gian chu kỳ nâng cao thông lượng hệ thống Tuy nhiên ảnh hưởng xấu đến BER can nhiễu tín hiệu thuê bao khác Trong phần ta tập trung vào mô kỹ thuật network coding với việc tiền mã hóa trước truyền tín hiệu gốc trạm chuyển tiếp Chúng ta xét hệ thống với trạm chuyển tiếp trạm chuyển tiếp với M anten Ta khảo sát tỉ số bit lỗi BER trạm gốc trạm thuê bao thay đổi số lượng thuê bao hệ thống Tương ứng với M thuê bao hệ thống trạm gốc trạm chuyển tiếp có M anten, từ khảo sát chất lượng tín hiệu trạm gốc trạm thuê bao Hình 4.9: Hệ thống sử dụng Network coding Trang 63 Chương : Khảo sát mô Lưu đồ thuật toán Bắt đầu Các thông số điều chế M Số lần lặp test=1000 min_SNR max_SNR Các thông số điều chế M Số lần lặp test=0:1:999 S n 0.5; % cac bit lon hon 0.5 thi bang lai bang % tao ma tran chuoi bit user gui len BTS % hang thu m cua ma tran ung voi thong tin cua user thu m bit_seq_U = rand(Number(n),B*N); %sinh chuoi bit ngau nhien tu den phan bo quanh 0.5 bit_seq_U = bit_seq_U > 0.5; % cac bit lon hon 0.5 thi bang lai bang % dieu che for k=1:Number(n) % dieu che tai BTS bit_seq_BTS_inQAM=reshape(bit_seq_BTS(k,:),B,N); % tao dau vao cho bo dieu che tu hang thu k cua ma tran bit_seq_BTS tx_signal_BTS_outQAM(k,:) = MQAM_modulator(bit_seq_BTS_inQAM); % dieu che hang thu k % dieu che tai user bit_seq_U_inQAM=reshape(bit_seq_U(k,:),B,N); %tao dau vao cho bo dieu che tu hang thu k cua ma tran bit_seq_U tx_signal_U_outQAM(k,:) = MQAM_modulator(bit_seq_U_inQAM); % dieu che hang thu k end % tao ma tran dap ung kenh G = randn(Number(n),Number(n))+i*randn(Number(n),Number(n)); % Ma tran dap ung duong truyen giua tram goc va chuyen tiep H = randn(Number(n),Number(n))+i*randn(Number(n),Number(n)); % Ma tran dap ung duong truyen giua tram chuyen tiep va thue bao % tinh toan ma tran gioi han cong sua D_bts va D_relay D_bts_diag = []; D_relay_diag = []; H_1 = inv(H'*H); for k=1:Number(n) D_s = 1/sqrt((H(:,k))'*(inv(G))'*(inv(G))*(H(:,k))); % tinh cac gia tri tren duong cheo cua ma tran D_bts D_r = 1/sqrt(2*H_1(k,k)); % tinh cac gia tri tren duong cheo cua ma tran D_r D_bts_diag = [D_bts_diag D_s]; % them cac gia tri da tinh vao vecto cac phan tu duong cheo D_relay_diag = [D_relay_diag D_r]; % them cac gia tri tinh duoc vao vecto cac phan tu duong cheo end D_bts = diag(D_bts_diag); % chuyen vecto duong cheo cua ma tran duong cheo D_relay = diag(D_relay_diag); % tinh ma tran tien ma hoa tai BTS va RELAY P = inv(G)*H*D_bts; % tinh ma tran tien ma hoa tai BTS W = inv((H)')*D_relay*inv(H); % tinh ma tran tien ma hoa tai RELAY % tao ma tran nhieu nhiet tai RELAY n_r = sqrt(No/2)*(randn(Number(n),N)+i*randn(Number(n),N)); % tao ma tran nhieu nhieu tai BTS n_bts = sqrt(No/2)*(randn(Number(n),N)+i*randn(Number(n),N)); Trang 75 % tao ma tran nhieu nhiet tai user n_user = sqrt(No/2)*(randn(Number(n),N)+i*randn(Number(n),N)); % tinh tin hieu thu nhan duoc tai BTS voi network coding rx_signal_BTS = (G'*inv(H')*D_relay)*(tx_signal_U_outQAM+D_bts*tx_signal_BTS_outQAM+inv(H)*n_r)+n _bts; rx_signal_BTS = rx_signal_BTS(G'*inv(H')*D_relay)*D_bts*tx_signal_BTS_outQAM; rx_signal_BTS = inv(D_relay)*H'*inv(G')*rx_signal_BTS; % tinh tin hieu nhan duoc tai cac User voi network coding rx_signal_USER = D_relay*(tx_signal_U_outQAM+D_bts*tx_signal_BTS_outQAM+inv(H)*n_r)+n_user; rx_signal_USER = rx_signal_USER - D_relay*tx_signal_U_outQAM; rx_signal_USER = inv(D_bts)*inv(D_relay)*rx_signal_USER; % giai dieu che cho network coding for k=1:Number(n) rx_bit_BTS(k,:) = MQAM_Demodulator(rx_signal_BTS(k,:),ones(1,N),M); rx_bit_USER(k,:) = MQAM_Demodulator(rx_signal_USER(k,:),ones(1,N),M); end % dem so bit loi error_user(index) = error_user(index)+ sum(abs(reshape(bit_seq_BTS,1,B*N*Number(n))reshape(rx_bit_USER,1,B*N*Number(n)))); error_bts(index) = error_bts(index)+ sum(abs(reshape(bit_seq_U,1,B*N*Number(n))-reshape(rx_bit_BTS,1,B*N*Number(n)))); end end error_user = error_user/(B*N*Number(n)*test); error_bts = error_bts/(B*N*Number(n)*test); mt_error_user(n,:) = mt_error_user(n,:) + error_user; mt_error_bts(n,:) = mt_error_bts(n,:) + error_bts; end figure(1) semilogy(SNR,mt_error_user(1,:),'r-'); hold on; semilogy(SNR,mt_error_user(2,:),'g*-'); hold on; semilogy(SNR,mt_error_user(3,:),'bo-'); hold on; semilogy(SNR,mt_error_user(4,:),'mx-'); hold on; semilogy(SNR,mt_error_user(5,:),'y*-'); hold on; grid on; title('BER tai thue bao'); xlabel('SNR (dB)'); ylabel('Bit error rate (BER)'); legend( 'user=1','user=2','user=4','user=6','user=8'); figure(2) semilogy(SNR,mt_error_bts(1,:),'r-'); hold on; semilogy(SNR,mt_error_bts(2,:),'g*-'); hold on; semilogy(SNR,mt_error_bts(3,:),'bo-'); hold on; semilogy(SNR,mt_error_bts(4,:),'mx-'); hold on; semilogy(SNR,mt_error_bts(5,:),'y*-'); hold on; grid on; title('BER tai tram goc'); xlabel('SNR (dB)'); ylabel('Bit error rate (BER)'); legend( 'user=1','user=2','user=4','user=6','user=8'); Trang 76 [...]... cấu trúc phẳng Các eNodeB kết nối với nhau thông qua các đường giao tiếp X2, và kết nối với EPC bằng đường giao tiếp S1 Giao tiếp S1 là giao diện giữa E-UTRAN và EPC, nó mang dữ liêu giao thông giữa các eNodeB và S-GW; nó là một giao diện báo hiệu chỉ giữa các eNodeB và các MME Giao tiếp X2 là giao diện giữa các eNodeB; các đường giao tiếp này được dùng để chuẩn bị những cuộc chuyển giao và dùng để gữi... tiếp 2.3.1.4 Các vị trí trong nhà Chuyển tiếp có thể được sử dụng để đạt được thông lượng dữ liệu cao cho các vị trí trong nhà Do đa số các thuê bao đang ở trong nhà và tại các công sở nên sóng truyền từ các thiết bị thường bị phản xạ và khúc xạ bởi tường và các thiết bị trong nhà Việc sử dụng chuyển tiếp trong các trong trường hợp này giúp nâng cao thông lượng và phục vụ các thuê bao bên trong với vùng... thuật sử dụng trong chuyển tiếp - Chương 4: Khảo sát và mô phỏng Sau khi tìm hiểu đồ án chúng ta có thể hiểu thêm về những vấn đề cơ bản về chuyển tiếp trong thông tin di động Hiểu hơn những ưu điểm của các giao thức và kỹ thuật mang lại cho hệ thống thông tin đa chặng Hơn hết là có cái nhìn tổng quan về kỹ thuật chuyển tiếp trong truyền thông đa chặng trong mạng LTE-ADVANCED Đà Nẵng, tháng 6 năm 2014... kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin di động Đồ án sẽ tập trung nghiên cứu các giao thức và kỹ thuật sử dụng trong trạm chuyển tiếp trong truyền thông đa chặng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng đường truyền từ trạm gốc đến thuê bao Qua đó ta có thể thấy được những lợi ích vượt trội mà kỹ thuật chuyển tiếp mang lại cho hệ thống thông tin di động thông qua phần lý thuyết và. .. án: “ Khảo sát BER các giao thức và kỹ thuật trong truyền thông đa chặng của mạng LTE-ADVANCED ” giúp chúng ta hiểu thêm về một công nghệ mới được áp dụng để nâng cao chất lượng hệ thống Để hiểu rõ hơn về công nghệ đó, đồ án được chia thành 4 chương với nội dụng như sau: - Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động - Chương 2: Tổng quan về trạm chuyển tiếp - Chương 3: Các kỹ thuật sử dụng trong. .. (NAS) Các chức năng chính của MME được phân loại như sau :  Các chức năng liên quan đến quản lý thông báo: chức năng này bao gồm thiết lập duy trì và gởi đi các thông báo và được điều khiển bởi lớp quản lý phiên trong giao thức NAS  Các chức năng liên quan đến quản lý kết nối: bao gồm việc kết nối và bảo mật giữa mạng và UE được điều khiển bởi lớp quản lý tính di động hoặc kết nối trong giao thức. .. thông tin di động + Cổng phục vụ (S-GW): tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua S-GW, S-GW như một trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi UE di chuyển giữa các eNodeB Đối với mỗi UE, S-GW giữ lại thông tin về các thông báo khi UE trong tình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE Thêm vào... hiện các chức năng điều khiển mạng khách như là thu thập thông tin để tính cước + Cổng mạng số liệu gói (P-GW): chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE, cho phép UE truy nhập đến mạng dữ liệu gói (PDN) bằng cách gắn địa chỉ IP từ mạng PDN vào UE; ngoài ra nó còn thực thi QoS, thực hiện chức năng chọn lưu lượng và lọc các gói IP hướng xuống người sử dụng trong các thông báo QoS khác nhau Ngoài các. .. khiển tổng thể UE và thiết lập các thông báo Các nút logic chính của mạng lõi EPC là : - Thực thể quản lý di động (MME) - Cổng phục vụ (S-GW) - Cổng mạng số liệu gói (P-GW) Hình 1.3: Kiến trúc mạng lõi LTE + Thực thể quản lý di động (MME) : Thực thể quản lý tính di động (MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC Điều khiển các Node xử lý tín hiệu giữa UE và EPC Giao thức giữa UE và EPC là Non-Access... độ của nút điều khiển mạng tạm trú Lưu trữ bản gốc của hồ sơ thuê bao, trong đó chứa thông tin về các dịch vụ áp dụng cho người sử dụng bao gồm cả thông tin về các kết nối PDN được cho phép và có được phép chuyển đến một mạng khác nào đó hay không Trang 7 Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động 1.3.4 Mạng truy cập E-UTRAN Mạng truy cập E-UTRAN chỉ bao gồm mạng lưới các eNodeB Vì thế kiến