Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng thông tin di động 4g

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o - NGUYỄN VĂN THẮNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử CB HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG THÁI NGUYÊN- 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii Cơng trình đƣợc hồn thành Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Phản biện 1: PGS.TS Đỗ Xuân Tiến Phản biện 2: TS Đào Huy Du Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: phòng 202 nhà A10 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Vào hồi 11h 00‟ ngày 21 tháng 08 năm 2016 Có thể tìm đọc luận văn tại: Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Trung tâm học liệu trường Đại học Thái Nguyên Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Nguyễn Văn Thắng Học viên: Lớp cao học K16- KTĐT, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Nơi công tác: Viettel Thái Nguyên – Tập đồn Viễn thơng Qn đội Tên đề tài luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM ứng dụng mạng thông tin di động 4G” Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 Sau hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trường, em lựa chọn thực đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM ứng dụng mạng thông tin di động 4G” Được giúp đỡ hướng dẫn tận tình Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng nỗ lực thân, đề tài hồn thành Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân em.Các số liệu, kết có luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày 25 tháng 03 năm 2016 Học viên thực Nguyễn Văn Thắng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học làm đề tài thạc sỹ, em nhận truyền đạt kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận giảng viên trường Sự quan tâm lớn nhà trường, khoa Điện tử Viễn thông, thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên bạn lớp Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, thầy giáo tham gia giảng dạy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Công tập thể cán giảng viên môn Điện tử Viễn thơng Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa K16 – KTĐT cho dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng xong kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên chắn luận văn không tránh khỏi thiếu sót, em mong muốn nhận dẫn từ thầy, cô giáo bạn học để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thực tiễn Xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Văn Thắng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG KHÔNG DÂY 1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động 1.1.1 Tồn cảnh hệ thống thơng tin di động 1.1.2 Lộ trình phát triển thơng tin di động 1.1.3 Tổng kết hệ thống thông tin di động 1.2 Giới thiệu tổng quan hệ thống di động 4G 1.2.1 Mục tiêu cách tiếp cận 1.2.2 Các điểm cần xét đến 10 1.2.3 Các kỹ thuật sử dụng 10 1.2.4 Sự khác 3G 4G 11 1.2.4.1 Ưu điểm bật 11 1.2.4.2 Các ứng dụng tạo nên ưu điểm 4G LTE so với 3G 11 1.3 Kết luận 12 CHƢƠNG II: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH ĐA SĨNG MANG TRỰC GIAOVÀ KÊNH VƠ TUYẾN TRONG MẠNG THƠNG TIN DI ĐÔNG 4G 13 2.1 Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao 13 2.1.1 Giới thiệu chung 13 2.1.1.1 Các ưu nhược điểm 14 2.1.1.2 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM Việt Nam 16 2.1.1.3 Các hướng phát triển 16 2.1.1.4 Các cột mốc ứng dụng quan trọng OFDM 16 2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM 17 2.1.2.1 Hệ thống đa sóng mang 18 2.1.2.2Ghép kênh phân chia theo tần số FDM 19 2.1.3 Trực giao OFDM 19 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi 2.1.3.1 Biểu diễn trực giao dạng toán học 21 2.1.3.2 Trực giao miền tần số 23 2.1.4 Biểu thức tín hiệu OFDM 24 2.1.5 Thu phát tín hiệu OFDM 25 2.1.5.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) 27 2.1.5.2 Điều chế sóng mang phụ 28 2.1.5.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 29 2.1.5.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) 30 2.1.5.5 Biểu diễn dạng toán học 31 2.1.6 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 32 2.1.6.1 Chống lỗi dịch thời gian 33 2.1.6.2 Chống nhiễu symbol (ISI) 33 2.1.6.3 Mào đầu phân cách sóng mang 36 2.1.6.4 Biểu diễn dạng toán học 36 2.1.7 Hạn dải tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 40 2.1.7.1 Lọc thông dải 41 2.1.7.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 43 2.2 Các kỹ thuật điều chế OFDM 43 2.2.1 Điều chế BPSK 44 2.2.2 Điều chế QPSK 45 2.2.3 Điều chế QAM 47 2.2.4 Mã Gray 48 2.3 Các đặc tính OFDM 50 2.3.1 Ưu điểm 50 2.3.2 Nhược điểm 51 2.4 Kênh vô tuyến mạng thông tin di động 4G 51 2.4.1 Suy hao đường truyền suy giảm tín hiệu (Path loss and Attenuation) 51 2.4.2 Định nghĩa fading 52 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii 2.4.3 Hiện tượng Multipath 54 2.4.4 Kênh truyền chọn lọc tần số kênh truyền phẳng trải trễ đa đường gây 58 2.4.5 Kênh truyền biến đổi nhanh kênh truyền biến đổi chậm (fast fading & slow fading channel) trải Dopler gây 62 2.4.6 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Ricean 64 CHƢƠNG III: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 67 3.1 Đánh giá chung hiệu suất 67 3.1.1 Quan điểm người dùng cuối hiệu suất 68 3.1.2 Khía cạnh nhà khai thác 70 3.2 Hiệu suất sở tốc độ liệu đỉnh độ trễ 70 3.3 Đánh giá hiệu suất 4G 72 3.3.1 Các mơ hình giả thiết 72 3.3.2 Tiêu chí đánh giá 76 3.3.3 Một số kết mô đánh giá hiệu suất 4G 77 3.4 Kết luận 80 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 81 A.Kết luận 81 B.Hướng phát triển 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Lộ trình phát triển hệ thống thơng tin di động Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang 19 Hình 2.2: Ghép kênh phân chia theo tần số 19 Hình 2.3: Tích phân sóng sin có tần số 21 Hình 2.4: Cấu trúc miền thời gian tín hiệu OFDM 22 Hình 2.5: Phổ tín hiệu OFDM có sóng mang 24 Hình 2.6 : Sơ đồ khối thu phát OFDM 26 Hình 2.7: Cho ta thấy quan hệ tốc độ symbol tốc độ bít phụ thuộc vào số bít symbol 27 Hình 2.8: Tạo tín hiệu OFDM giai đoạn IFFT 29 Hình 2.9: Điều chế tần số vơ tuyến tín hiệu OFDM băng sở 30 sử dụng kỹ thuật tương tự 30 Hình 2.10: Điều chế tần số vơ tuyến tín hiệu OFDM băng sở sử dụng kỹ thuật số (DDS – Tổng hợp số trực tiếp) 30 Hình 2.11: Bộ điều chế OFDM 31 Hình 2.12: Hiệu loại bỏ ISI dải bảo vệ 34 Hình 2.13 : Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu 37 Hình 2.14 : Mơ q trình chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu 37 Hình 2.15: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng ISI 38 Hình 2.16: Dạng sóng miền thời gian 40 Hình 2.18: Phổ tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang 41 Hình 2.19: Đáp ứng tần số tín hiệu OFDM khơng qua lọc 42 Hình 2.20: Đáp ứng tần số tín hiệu OFDM sử dụng lọc FIR 42 Hình 2.21: Cấu trúc symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 43 Hình 2.22: Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK 45 Hình 2.23: Biểu đồ tín hiệu QPSK 47 Hình 2.24: Chùm tín hiệu 16-QAM 48 Hình 2.25: Giản đồ IQ cho dạng điều chế sử dụng OFDM 50 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ix Hình 2.26: Hiệu ứng pha đinh 52 Hình 2.27: (a) flat fading, (b) fading chọn lọc tần số, (c) với truyền dẫn OFDM liệu truyền nhiều sóng mang con, nên tần số bị fading tập hợp liệu nhỏ liệu phát bị 53 Hình 2.28: Hiện tượng phản xạ 55 Hình 2.29: Hiện tượng tán xạ 55 Hình 2.30: Hiện tượng nhiễu xạ 55 Hình 2.31: Các tượng xảy kênh truyền vô tuyến 56 Hình 2.32: Tín hiệu gốc thành phần Multipath 57 Hình 2.33: Kênh truyền chọn lọc tần số biến đổi theo thời gian 57 Hình 2.34a: Đáp ứng tần số kênh truyền chọn lọc tần số 58 Hình 2.34b: Đáp ứng tần số kênh truyền phẳng 59 Hình 2.35: Tín hiệu tới phía thu theo L đường 59 Hình 2.36: Kênh truyền thay đổi theo thời gian 62 Hình 2.37: Hàm mật độ xác suất Rayleigh Ricean 65 Hình 3.1: Xác định tốc độ liệu cho hiệu suất 69 Hình 3.2: Hiệu phổ tế bảo FDD hiệu phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R(đường xuống đường lên) 77 Hình 3.3: Phân bố thơng lượng người dùng chuẩn hóa FDD(đường xuống đường lên) 78 Hình 3.4: Phân bố SINR FDD (đường xuống đường lên) 78 Hình 3.5a: Hiệu phổ tế bào TDD hiệu phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R (đường xuống đường lên) 79 Hình 3.5b: Hiệu phổ tế bào TDD hiệu phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R (đường xuống đường lên) 79 Hình 3.6: Phân bố thơng lượng người dùng chuẩn hóa TDD (đường xuống đường lên) 80 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn x KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt 1G One Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ 2G Second Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ hai 3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ ba 4G Four Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ tư 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án hợp tác hệ thứ AAA Adaptive Array Antenna Ăng ten dãy thích nghi AAA Aunthentication, Authorization & Accounting Chứng thực, ủy quyền toán Access Router Bộ định tuyến truy nhập ARQ Automatic Repeat reQuest Kỹ thuật yêu cầu lặp tự động ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế độ truyền dị BS Base Station Trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã Cyclic Redundancy Code Mã vòng dư CN Core Network Mạng lõi CN Correspondent Node Nút trung gian CoA Care of Address Địa tạm thời CNR Carrier – to – Noise - Radio Tỷ số sóng mang tạp âm CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư vòng CTP Context Transfer Protocol Giao thức truyền ngữ cảnh DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp AR CDMA CRC DS-CDMA Direct Sequence - CDMA CDMA chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số E2R End – to – End Reconfigurability Khả cấu hình lại từ đầu cuối đến đầu cuối Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 69 xác định tiếng nói thụ cảm chất lượng video.Dịch vụ chất lượng cao có lỗi chút tín hiệu nhận Ngược lại, người dùng tải trang web clip phim thơng qua liệu gói mơ tả chất lượng dịch vụ sở độ trễ họ trải nghiệm, kể từ bắt đầu tải trang web clip phim hiển thị Dịch vụ nỗ lực tốt không đảm bảo tốc độ liệu có sẵn điều kiện thời Đây thuộc tính chung mạng chuyển mạch gói – có nghĩa tài nguyên mạng không dành riêng cho người dùng Trên sở độ trễ tằng với kích thước đối tượng tải về, độ trễ tuyệt đối thước đo hợp lý chất lượng dịch vụ Hình 3.1: Xác định tốc độ liệu cho hiệu suất Hiệu suất dịch vụ liệu gói hệ thống di động đặc trưng số thước đo khác tùy thuộc vào quan điểm áp dụng (xem hình 3.1) Một người sử dụng mạng vô tuyến trải qua điều kiện vơ tuyến tốt thưởng thức tốc độ liệu đỉnh giao diện vô tuyến.Tuy nhiên, thông thường người sử dụng chia sẻ tài nguyên vô tuyến với người dùng khác.Nếu điều kiện vơ tuyến tối ưu có nhiễu từ người dùng khác, tốc độ liệu giao diện vô tuyến nhỏ tốc độ liệu đỉnh.Ngồi ra, số gói liệu bị mất, trường hợp cần phải truyền lại liệu thiếu; điều giảm tốc độ liệu hiệu dụng nhìn từ lớp giao thức cao hơn.Thêm vào đó, tốc độ liệu hiệu dụng bị giảm khoảng cách từ tế 70 bào tăng lên (do điều kiện vô tuyến rìa tế bào).Tốc độ liệu trải nghiệm bên lớp MAC, sau chia sẻ kênh với người dùng khác, gọi thông lượng người dùng Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP) – giao thức lớp vận tải – sử dụng chhung với lưu lượng IP.Tuy nhiên, gọi lại thuật toán khởi động chậm, nhạy cảm với độ trễ mạng nên đặc biệt thiên gây trễ cho file nhỏ.Thuật toán khởi động chậm nhằm để đảm bảo tốc độ truyền gói từ nguồn không vượt khả nút mạng giao diện Độ trễ mạng, nguyên tắc số đo thời gian cần thiết để gói truyền từ khách hàng đến server ngược lại, có tác động trực tiếp đến hiệu suất với TCP Do đó, mục tiêu thiết kế quan trọng giảm độ trễ mạng Một tiêu chuẩn có liên quan đến chất lượng khác (quan điểm người dùng cuối) thời gian thiêt lập để khởi xướng phiên lướt web chẳng hạn 3.1.2 Khía cạnh nhà khai thác Các tài nguyên vô tuyến cần phải chia sẻ mạng có nhiều người dùng.Kết tất liệu phải xếp hàng trước phát đi; điều hạn chế tốc độ liệu hiệu người dùng Bất chấp thực tế này, nhà khái thác cải thiện thơng lượng hệ thống tổng số bit giây phát giao điện vô tuyến cách lập lịch tài nguyên vô tuyến Số đo chung hiệu suất hệ thống “hiệu phổ”, thông lượng hệ thống Mhz phổ tế bào hệ thống 4G áp dụng phương pháp lập lịch thông minh để tối ưu hiệu suất, từ quan điểm người dùng cuối nhà khai thác Số đo hiệu suất quan trọng nhà khai thác số người dùng tích cực kết nối đồng thời Trên sở tài nguyên hệ thống hạn chế, có dung hòa số người dùng tích cực chất lượng dịch vụ cảm thụ thông lượng người dùng 3.2 Hiệu suất sở tốc độ liệu đỉnh độ trễ LTE phát triển q trình mục tiêu thiết kế cho tham số hiệu suất đóng vai trò quan trọng.Một mục tiêu tốc độ liệu đỉnh giao diện vô tuyến.Các mục tiêu thiết kế nguyên cho phiên LTE lập thành tài liệu 3GPP TR 25.913[5] Khả mục tiêu hoạt động 71 phân bổ phổ 20 Mhz tốc độ liệu đỉnh 100 Mbit/s đường xuống 50 Mbit/s đường lên Các số giả sử hai anten thu đầu cuối cho khả DL anten phát cho khả UL Khả tốc độ liệu đỉnh tiêu chuẩn LTE vượt số mục tiêu nhờ dự trữ tốt LTE phiên hỗ trợ tốc độ liệu đỉnh 300 Mbit/s DL 75 Mbit/s UL cách sử dụng ghép không gian bốn lớp (4x4 MIMO) DL cà 64QAM DL UL Với giả thiết mục tiêu thiết kế - tức ghép không gian hai lớp – tốc độ liệu đỉnh DL 150 Mbit/s, cao đáng kể so với mục tiêu Các mục tiêu thiết kế cho LTE phiên 10 (“LTE-Advanced”) diễn tả tài liệu 3GPP TR 36.913[7], dựa mục tiêu thiết lập ITU-R[6] Khơng có mục tiêu tốc độ liệu đỉnh tuyệt đối thể cho LTE phiên 10; thay vào thể so với dải thông kênh hiệu phổ đỉnh, với mục tiêu 15 bit/s/Hz cho đường xuống 6.75 bit/s/Mhz cho đường lên [6] LTE phiên 10 vượt số dự trữ tốt, thể Bảng bên Hiệu suất phổ đỉnh LTE[TR 36912] Bảng 3.2 Hiệu phổ đỉnh Đường xuống Đường lên Yêu cầu ITU [bit/s/Hz] Thực LTE Phiên Phiên 10 FDD TDD FDD TDD 15 15.3 15.0 30.6 30.0 6.75 4.2 4.0 16.8 16.0 Các giả định để thu số hiệu phổ đỉnh triển khai với MHz dải thông kênh, 8x8 MIMO đường xuống, 4x4 MIMO đường lên Yêu cầu ITU-R hiệu phổ đỉnh đường xuống thực tế thực LTE phiên 8, giả sử 4x4 MIMO đường xuống [7] Mục tiêu ITU-R cho độ trễ [8] thiết lập với định nghĩa khác với Bảng 3.2 Thay độ trễ hai chiều, có mục tiêu 10 ms cho độ trễ chiều hai đường xuống đường lên.Độ trễ chiều định nghĩa thời gian vận chuyển chiều gói hiệ có lớp IP trạm gốc người dùng sẵn có gói lớp IP thiết bị đầu cuối người dùng.Và 72 ngược lại, Điều đạt với dự trữ tốt cho LTE, nơi mà đỗ trễ đạt ms cho LTE TDD 3.3 Đánh giá hiệu suất 4G Một phần quan trọng việc đệ trình LTE phiên 10 lên IUT-R ứng cử viên cho IMT-advanced đánh giá hiệu suất hiệu phổ Các yêu cầu kỹ thuật thiết lập Báo cáo ITU-R M.2134[6] phương pháp đánh giá chi tiết miêu tả Báo cáo ITU-R M.2135 [8] Đối với công việc LTE phiên 10, 3GPP thực chiến dịch mô lớn với đầu vào từ số thành viên 3GPP.Các số hiệu suất kết hình thành phần thiết yếu đệ trình LTE-Advanced ứng cử viên cho IMT-Advanced báo cáo chi tiết 3GPP TR 36.912[7] Ngồi tiêu chí đánh giá ITU-R, mơi trường thử nghiệm bổ sung với mục tiêu hiệu suất cao so với mục tiêu thiết lập ITU-R xác định 3GPP Các số hiệu suất cho môi trường bổ sung báo cáo [7] Việc đánh giá dựa phương pháp ITU-R giả định trình bày [9] phác họa đây.Việc đánh giá dựa mô hệ thống với thời gian động, người dùng giảm xuống độc lập với phân bố hệ thống mô LTE với số lượng lớn tết bào.Các mơ bao gồm chi phí cho kênh điều khiển mơ hình thời gian động kênh phản hồi Với mức độ chi tiết áp dụng cho mơ hình giao thức giả định mô sử dụng cho việc đánh giá mô tả đây, tiềm công nghệ LTE phiên 10 chứng minh, việc cho thấy yêu cầu hiệu suất IMT-Advanced vượt Đánh giá chi tiết LTE phiên so với phiên trước 3GPP HSPA tìm thấy [10,11] 3.3.1 Các mơ hình giả thiết Mục trình mơ hình giả định sử dụng cho việc đánh giá [9].Tóm tắt mơi trường thử nghiệm đưa Bảng 3.2.và giả định cho đặc tính hệ thống LTE-advanced đưa Bảng 3.3 Môi trường thử nghiệm tham số triển khai để đánh giá 73 Môi trƣờng thử nghiệm Nôi dung Kịch Trong nhà triển Hostpot khai nhà Mơ hình kênh InH Tế bào Micro Phủ sóng thành phố Micro thành thị Macro thành thị Tốc độ cao Macro thông Umi Uma Rma Tấn số sóng mang 3.4 GHz 2.5 GHz 2.0 GHz 0.8 GHz Khoảng cách 60 m vị trí trạm gốc 200 m 500 m 1732 m km/h km/h 30 km/h 120 km/h 100% nhà 50% nhà, 100% 50% nhà nhà 6m 10 m 25 m 35 m 17 dBi 17 dBi 17 dBi Vận tốc máy di động Phân dùng bố người Độ cao anten BS Tăng ích anten BS dBi nơng ngồi 100% nhà ngồi Cơng suất BS 21 dBm / 20 44 dBm / 20 49 dBm / 20 49 dBm / 20 MHz MHz MHz MHz Công suất UE 21 dBm 24 dBm 24 dBm 24 dBm Việc đánh giá thực bốn kịch triển khai, kịch tương ứng với môi trường thử nghiệm khác xác định ITU-R[8]; + Hotspot nhà: Kịch triển khai cho môi trường nhà, có tế bào văn phòng điểm nóng (hotspot) cách lý cho người dùng văn phòng cho người bộ, với mật độ người sử dụng cao thông lượng người sử dụng cao + Đô thị micro: Kịch triển khai cho môi trường tế bào micro, có tế bào nhỏ với vùng phủ sóng ngồi trời ngồi trời đến nhà cho người người sử dụng xe cộ chậm, cung cấp trạm sở trời thấp mái nhà Nó có lưu lượng cao đơn vị diện tích hạn chế nhiễu + Đô thị Macro: Kịch triển khai cho mơi trường thị phủ sóng bản, có tế bào lớn phủ sóng liên tục cho từ người lên đến người sử dụng xe cộ 74 nhanh chóng, cung cấp trạm gốc ngồi trời cao mái nhà Nó hạn chế nhiễu có điều kiện lan truyền gần khơng nhìn thẳng + Macro nơng thơng: Kịch triển khai cho mơi trường tốc độ cao, có tế bào lớn phủ sóng liên tục cho người sử dụng xe cộ tầu hỏa tốc độ cao Bó bị hạn chế tạp âm nhiễu Mỗi kịch miêu tả [8] tương ứng với tham số triển khai, bao gồm mơ hình truyền sống chi tiết cho truyền sóng LOS, khơng LOS, vằ/hoặc ngồi trời đến nhà Các mơ hình kênh dựa gọi mơ hình kênh WINNER II[12], mơ hình kênh khơng gian (SCM) áp dụng cho mô MIMO[13] Thông tin chi tiết môi trường kiểm tra thông số triển khai đưa Bảng 3.2 Bảng 3.3 Các đặc trưng hệ thống 4G Đặc trƣng tổng quan FDD Giả thiết phương pháp song TDD: cấu hình 1, chiều dài DwPTS/GP/UpPTS đặt theo công 12/1/1 symbol OFDM Phân bố phổ 10 MHz DL+ 10 MHz UL cho FDD, 10 MHz cho TDD Dải thông kép cho trường hợp InH Cấu hình anten trạm gốc Anten phân cực đứng cách khoảng bước (BS) sóng (InH) 0.5 bước sóng (Umi, Uma, Rma) Cấu hình anten UE Cùng phân cực đứng, cách 0.5 bước sóng Đồng mạng Đồng bộ, khơng sử dụng cách rõ ràng trừ để tránh nhiễu UE-UE BS-BS cho TDD Đặc trưng chi tiết cho giao diện vơ tuyến mơ hình DL: cơng tỷ lệ thời gian tần số; UL: ghép Bộ lập lịch kênh miền tần số dựa chất lượng InH: chế độ truyền 4; ghép khơng gian thích nghi hạng tiền mã hóa dựa sách mã vòng kín Sơ đồ truyền dẫn đường Umi, Uma, Rma: chế độ truyền 5; tạo búp sóng kết xuống hợp(trong tế bào) với MU-MINO Sơ đồ truyền dẫn đường lên anten TX, anten RX, không MU-MINO Kiểu máy thu anten TX, anten RX, không MU-MIMO Điều khiển công suất đường lên MMSE D UL 75 Vòng hở với bù phần tổn hao đường truyền; tham số Sơ đồ ARQ lai chọn theo kịch triển khai Sự tăng tạp âm hiệu dụng thấp 10dB Thích nghi đường truyền Độ dư tăng dần, đồng bộ, thích nghi Ước lượng kênh Khơng lý tường, dựa phản hồi bị trễ Không lý tưởng; báo cáo trạng thái kênh không lý tường Lỗi kênh phân phối DL; phản hồi không lỗi báo cáo; trễ báo cáo ms; chu kỳ báo cáo ms Chất lượng UR đánh giá từ PUSCH, trễ ms, chu kỳ thăm dò 20 ms Phí tổn kênh điều khiển DL: symbol OFDM khung UL: khối tài nguyên Phí tổn cho kênh điều khiển chung( đồng bộ, quảng bá truy nhập ngẫu nhiên, ~1% cho 10MHz) chưa khấu trừ Phương pháp mô “thời gian động”, hệ thống trạm gốc thiết bị đầu cuối mô khung thời gian hạn chế (20-100 giây).Điều lặp lại để tạo lượng mẫu đạt đến độ tin cậy thống kê đủ Đối với mô phòng, thiết bị đầu cuối bố trí ngẫu nhiên mơ hình trạm vơ tuyến kênh vô tuyến trạm gốc cặp anten thiết bị cuối mô theo lan truyền mơ hình fading Một mơ hình lưu lượng đệm đầy với trung bình 10 người tế báo giả định.Điều dẫn đến hệ thống đạt 100% tải tối đa hệ thống Dựa thể kênh nhiễu tích cực, tỷ số tín hiệu nhiễu tạp âm (SINR) tính cho anten thhu thiết bị đầu cuối (hoặc trạm gốc).Các giá trị SINR sau ánh xạ lên xác suất lỗi khối cho điều kiện chế mã hóa áp dụng cho người dùng MIMO kiểu điều chế mã hóa theo tiêu chuẩn LTE lựa chọn dựa thông tin phản hồi bị trễ Truyền lại mơ hình hóa cách rõ ràng thông lượng cho người dùng hoạt động i số bit nhận cách rõ ràng thông lượng cho người dùng hoạt động i số bít nhận cách xác Xi cho tất người sử dụng, lấy trung bình tất tế bào chia cho thời gian mô T Các thông kê thu thập từ lần chạy mô sau thiết bị đầu cuối bố trí ngẫu nhiên cho mẫu 76 3.3.2 Tiêu chí đánh giá ITU-R xác định hai yêu cầu liên quan đến hiệu giao diện vô tuyến để dánh giá hiệu suất công nghệ giao diện vô tuyến (RIT: Radio-Interface Technologies) ứng viên IMT-Advanced [6] Thứ hiệu phổ tế bào, xác định quan điểm nhà khai thác, thứ hai hiệu phổ rìa tế bào, xác định quan điểm người dùng đầu cuối Hiệu phô tế bào tổng thông lượng tất người dùng, chia trung bình cho tất tế bào chia cho dải thông kênh Chi tiêu liên quan đến thơng lượng hệ thống Hình 3.1 số đo “dung lượng” tổng cực đại có hệ thống cần chia sẻ người dùng; đơn vị đo bit/s/Hz/tế bào Hiệu phổ tế bào ɳ xác định sau: ɳ= 𝑁 𝑖=1 𝑋𝑖 𝑇 𝜔 𝑀 Xi số bit thu xác người dùng i hệ thống có N người dùng M tế bào, ω dải thơng kênh T thời gian thu bít liệu Hiệu phổ người dùng rìa tế bào dựa phân bố người dùng thơng lượng người dùng chuẩn hóa (xem Hình 3.1), xác định thơng lượng người dùng trung bình khoảng thời gian xác định chia cho dải thông kênh đo theo bit/s/Hz Hiệu phổ người dùng rìa tế bào xác định điểm 5% hàm phân bố tích lũy (CDF) thơng lượng người dùng chuẩn hóa Vì vậy, số đo “chất lượng dịch vụ” thụ cảm người dùng cuối 5% người dùng có thông lượng người dùng thấp Bảng 3.4 Các yêu cầu ITU-R hiệu phổ IMT-Advanced Hiệu phổ tế bào [bit/s/Hz/tế bào] Môi trƣờng thử nghiệm kịch triển khai tƣơng ứng DL Hiệu phổ ngƣời dùng rìa tế bào [bit/s/Hz] UL DL UL Trong nhà(InH) 2.25 0.1 0.07 Tế bào micro(UMi) 2.6 1.8 0.075 0.05 Đơ thị phủ sóng 2.2 bản(UMa) 1.4 0.06 0.03 Tốc độ cao(RMa) 0.7 0.4 0.015 1.1 77 Thơng lượng người dùng chuẩn hóa cho người dùng i xác định sau; 𝑋𝑖 𝛾𝑖 = 𝑇𝑖 𝜔 𝑇𝑖 thời gian phiên hoạt động người dùng i Các yêu cầu xác định ITU-R [6] hiệu phổ tế bào hiệu phổ người dùng rìa tế bào liệt kê Bảng 3.4.Các mức yêu cầu trình bày đường nét với giá trị hiệu suất mơ Hình 3.2 3.5 3.3.3 Một số kết mô đánh giá hiệu suất 4G Các mô FDD TDD tất môi trường thử nghiệm đệ trình để đánh giá ITU-R trình bày đây.Tuy nhiên, số không đồng với số đưa [7], xem mẫu kết từ đánh giá [9] Đối với FDD, hiệu phổ tế bào hiệu phổ rìa tế bào trình bày Hình 3.2.Tát kết vượt yêu cầu hiệu suất ITU-R Bảng 3.4, số trường hợp dự trữ tốt Đối với kịch nhà DL, điều đạt nhờ cấu hình anten khơng tương quan với MIMO đơn người dùng Đối với kịch khác, thiết lập anten tương quan tạo búp sóng kết hợp tế bào (CBF) với MU-MIMO sử dụng đường xuống.Cấu hình đường lên không dùng MIMO sử dụng cho tất môi trường.Lưu ý hiệu phổ tế bào phụ thuộc mạnh vào tải hệ thống mô ITUR diện với tải cực đại mơ hình đệm đầy Một ví dụ số hiệu suất LTE bao gồm tải thấp tải biến đổi đọc [16] Hình 3.2: Hiệu phổ tế bảo FDD hiệu phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R(đường xuống đường lên) Đường xuống 4x2 FDD Đường lên 1x4 FDD 78 Thông lượng người dùng chuẩn hóa[bit/s/Hz] Thơng lượng người dùng chuẩn hóa[bit/s/Hz] Hình 3.3: Phân bố thơng lượng người dùng chuẩn hóa FDD(đường xuống đường lên) Các phân phố thông lượng người dùng chuẩn hóa đưa Hình 3.3 phân bố SINR biểu diễn Hình 3.4.Các hình cho thấy tác động phân bố SINR có lợi đạt kịch hotspot nhà mức độ với macro nông thông, dẫn đến số hiệu phổ cao môi trường Đường xuống 4x2 FDD Đường lên 1x4 FDD SINR trung bình tần số-thời gian[dB] SINR trung bình tần số-thời gian[dB] Hình 3.4: Phân bố SINR FDD (đường xuống đường lên) Đối với TĐ, hiệu phổ tế bào hiệu phổ rìa tế bào biểu diễn Hình 3.5a hình 3.5b, phân bố thơng lượng người dùng chuẩn hóa minh họa Hình 3.6 Có sụt giảm nhỏ số hiệu phổ so với FDD, tất kết vượt yêu cầu hiệu suất ITU-R Sự khác 79 so với FDD phí tổn hao cao từ khoảng bảo vệ DL UL Trễ trung bình thực phép đo UE thu kết đo BS tăng so với FDD, cấu trúc miền thời gian TDD Điều có tác động đến hiệu suất lập lịch thích nghi đường truyền Tính thuận nghịch kênh không sử dụng sơ đồ mô TDD Đường xuống 4x2 FDD Đường lên 1x4 FDD Hình 3.5a: Hiệu phổ tế bào TDD hiệu phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R (đường xuống đường lên) Đường xuống 4x2 FDD Đường lên 1x4 FDD Hình 3.5b: Hiệu phổ tế bào TDD hiệu phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R (đường xuống đường lên) 80 Đường xuống 4x2 FDD Đường lên 1x4 FDD Thơng lượng người dùng chuẩn hóa[bit/s/Hz] Thơng lượng người dùng chuẩn hóa[bit/s/Hz] Hình 3.6: Phân bố thơng lượng người dùng chuẩn hóa TDD (đường xuống đường lên) 3.4 Kết luận Các kết mơ trình bày chương tiềm lớn 4G hiệu phổ tổng thể theo lợi ích nhà khai thác hiệu suất rìa tế bào cao theo lợi ích người dùng cuối Hiệu suất đánh giá môi trường thử nghiệm khác nhau.Các kết FDD TDD DL UL vượt yêu cầu ITU-R đánh giá ứng viên IMT-Advanced.Ngoài ra, Tốc độ liệu đỉnh giao diện vô tuyến độ trễ đạt LTE thỏa mãn yêu cầu ITU-R 81 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN A Kết luận Luận văn nghiên cứu số vấn đề sau: Các hệ thống thông tin di động qua hệ, dịch vụ đáp ứng yêu cầu ngừơi sử dụng cần thiết phải nâng cấp cải tiến mạng thông tin di động (từ 3G lên 4G) Một số kỹ thuật sử dụng mạng thông tin di động 4G luận văn trình bày kỹ thuật OFDM bao gồm: kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao, kênh vô tuyến Khi sử dụng công nghệ OFDM mạng thơng tin di động 4G có số ưu điểm trội so với hệ thống như: - OFDM tăng hiệu suất sử dụng cách cho phép chồng lấp sóng mang - Bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) xuyên nhiễu sóng mang (ICI) cách chèn thêm vào khoảng thời gian bảo vệ trước symbol - Sử dụng việc chèn kênh mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM khôi phục lại symbol bị tượng lựa chọn tần số kênh - Kỹ thuật cân kênh trở nên đơn giản kênh thích ứng sử dụng hệ thống đơn sóng mang - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào chức điều chế vài giải điều chế làm giảm chức phức tạp OFDM.Các phương pháp điều chế vi sai giúp tránh yêu cầu bổ sung giám sát kênh - OFDM chịu đựng tốt xung nhiễu với xuyên nhiễu kênh kết hợp Đánh giá số kết tác giả minh họa qua mô phần mềm Matlab B Hƣớng phát triển Tiếp tục nhiên cứu ảnh hưởng nhiễu đến hệ thống OFDM đưa biện pháp hạn chế Nghiên cứu vấn đề đồng hệ thống OFDM để tránh trượt sóng mang 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1, Tiếng việt [1] Nguyễn Văn Đức: Lý Thuyết Và Các Ứng Dụng Của Kỹ Thuật OFDM, Trong tuyển tập "Kỹ Thuật Thông Tin Số ", tập 2, nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Năm 2006 [2] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên: Thông Tin Vô Tuyến (Radio Communications), Trong tuyển tập "Kỹ Thuật Thông Tin Số ", tập 4, nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Năm 2007 [3] Nguyễn Văn Đức: Lý Thuyết Kênh Vô Tuyến,Trong tuyển tập "Kỹ Thuật Thông Tin Số ", tập 3, nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Năm 2006 [4] Phạm Công Hùng, Nguyễn Hoàng Hải, Tạ Vũ Hằng, Vũ Minh Tú, Đỗ Trọng Tuấn, Vũ Đức Thọ, Nguyễn Văn Đức: Thông Tin Di Động, Sách giáo trình trường ĐHBK-HN, nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Năm 2006 2, Tiếng anh [5] 3GPP, 3rd generation partnership project; Technical specification group radio access network; Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) (Release 7), 3GPP TR 25.913 [6] ITU-R, Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s), Report ITU-R M.2134, 2008 [7] 3GPP, 3rd generation partnership project; Technical specification group radio access network; Feasibility study for further advancements for E-UTRA (LTEAdvanced) (Release 9), 3GPP TR 36.912 [8] ITU-R, Guidelines for Evaluation of Radio Interface Technologies for IMTAdvanced, Report ITU-R M.2135-1, December 2009 [9] A Furuskär, Performance evaluations of LTE-advanced – the 3GPP ITU proposal, 12th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC 2009), Invited Paper 83 [10] E Dahlman, H Ekström, A Furuskär, Y Jading, J Karlsson, M Lundevall, S Parkvall, The 3G long-term evolution – radio interface concepts and performance evaluation, 63rd Vehicular Technology Conference, VTC 2006 – Spring, Vol 1, pp 137–141, IEEE, 2006 [11] E Dahlman, S Parkvall, J Sköld, P Beming, G Evolution – HSPA and LTE for Mobile Broadband, second ed., Academic Press, 2008 [12] WINNER, IST-WINNER II Deliverable 1.1.2 v 1.2 WINNER II Channel Models, ISTWINNER2, Tech Rep., 2007 [13] 3GPP, 3rd generation partnership project; Technical specification group radio access network; Spatial Channel Model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) Simulations (Release 9), 3GPP TR 25.996 3, Các website tham khảo [14] http://www.vntelecom.org [15] http://www.dientucongnghe.net [16] http://www.wikipedia.org [17] http://www.3gpp.org [18] http://www.ieee.org Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Văn Thắng ... thống thôn tin di động 4G làm thay đổi sống việc trao đổi thông tin kỹ thuật OFDM lựa chọn đầy thuyết phục với nhiều khả tiềm tàng nghiên cứu sử dụng cho tầng vật lý mạng thông tin di động 4G Với... ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 Sau hai năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trường, em lựa chọn thực đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu kỹ thuật OFDM ứng dụng mạng thông tin di động 4G Được... sử dụng mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a hệ thống thông tin di động thứ Đặc biệt hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM kết hợp với kỹ thuât khác kỹ