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

LỜI CẢM ƠN Đƣợc phân công Khoa Điện-Điện tử tàu biển trƣờng Đại Học Hàng Hải,và đồng ý thầy giáo hƣớng dẫn TS.Phạm Việt Hƣng em thực đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế thơng tin di động 4G” Để hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo tận tình hƣớng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luỵện trƣờng Đại Học Hàng Hải Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn TS Phạm Việt Hƣng tận tình, chu đáo hƣớng 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 nhƣ hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên tránh khỏi thiếu sót định mà thân chƣa thấy đƣợc Em mong đƣợc 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 Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng đƣợc hƣớng dẫn thầy giáo TS Pham Việt Hƣng Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chƣa cơng bố dƣới hình thức trƣớc Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá đƣớc tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, đồ án sử dụng số nhận xét,đánh giá nhƣ số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lần tơi xin hòan tồn chịu trách nhiệm nội dung đồ án mình.Trƣờng đại học Hàng Hải Việt Nam không liên quan đến vi phạm tác quyền,bản quyền gây q trình thực (nếu có) Hải Phòng, Ngày 21 tháng năm 2016 ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II MỤC LỤC III DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT IV DANH MỤC CÁC BẢNG .VII DANH MỤC CÁC HÌNH .VIII GIỚI THIỆU IX MỞ ĐẦU……………………………………………………………….….… 1 Cơ sở nghiên cứu mục đích đồ án………………………………… …1 Tổ chức đồ án………………………………………….…………… … CHƢƠNG 1: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG…………… 1.1 Lịch sử xu phát triển thông tin di động…………………………….3 1.1.1Tồn cảnh hệ thống thơng tin di động…………………………………….,.,,3 1.1.2 Lộ trình phát triển thơng tin di động… ………………………,,,…,……4 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G …9 2.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động…………………………………… 2.1.1 Giới thiệu chung………………………………………………………… .9 2.1.2 Các dịch vụ hệ thống di động 4G cung cấp…………………………… … 11 2.2Mơ hình tham chiếu hệ thống di động 4G…………… ………………………17 CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G……… 20 3.1 Tổng quan kỹ thuật điều chế thông tin di động 4G……………………20 3.2 Kỹ thuật truyền dẫn dung lƣợng lớn,tốc độ cao………………………………20 3.2.1 Các kỹ thuật đa truy nhập (Multiple Access Techniques) ……………… 20 3.2.2 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế hiệu suất cao……………………………….24 KẾT LUẬN………………………………………………………………………… 58 THAM KHẢO……………………………………………………………………… 59 iii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 2G 2nd Generation Thế hệ 3G 3rd Gneration Thế hệ 4G 4th Generation Thế hệ AAA Adaptive Array Antenna Ăngten dãy thích nghi AMPS Advanced Mobile Phone Dịch vụ điện thoại di Service động tiên tiến AR Access Router Bộ định tuyến truy cập ARQ Automatic Repeat Kĩ thuật yêu cầu lặp tự reQuest động Asynchronous Transfer Chế độ truyền dị ATM Mode BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station Controller Hệ thống trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Đa thâm nhập phân chia Access theo mã CRC Cyclic Redundancy Code Mã vòng dƣ CTP Context Transfer Protocol Giao thức truyền ngữ cảnh DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp DS-CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp DSP Digital Singnal Processor Bộ xử lý tín hiệu số E2R End-to-End Khả cấu hình lại từ Reconfigurability đầu cuối đến đầu cuối iv Effective Isotropically Công suất phát xạ đẳng Radiated hƣớng hiệu dụng FEC Forward Error Correct Mã sửa lỗi trƣớc FDMA Frequency Division Đa truy cập phân chia MultiAccess theo tần số Frequency Hopping OFDM nhảy tần EIRP FH-OFDM Orthogonal Global Positioning Hệ thống định vị toàn System cầu General Packet Radio Hệ thống vơ tuyến gói System chung Hybrid Automatic Repeat ARQ (tự động yêu cầu reQuest lặp) International Mobile Thơng tin di động tồn Telecommunication-2000 cầu-2000 IP Internet Protocol Giao thức Internet IPv6 Internet Protocol Version Giao thức Internet phiên bản6 International Liên minh Viễn thông Telecommunication Quốc tế Multi Input-Multi Output Ăngten nhiều kênh vào- GPS GPRS HARQ IMT-2000 ITU MIMO nhiều kênh MC-CDMA Multi Carrier CDMA Đa truy cập phân chia theo mã đa sóng mang NEMO Network Mobility Tính di động mạng NGN Next Genaration Network Mạng hệ sau OFDM Orthononal Frenquency Ghép kênh đa truy cập v Division phân chia theo tần số trực giao OFCDM PAN Orthononal Frequency Ghép kênh đa truy cập Code Division phân chia theo mã tần số Multiplexing trực giao Persional Access Mạng truy cập cá nhân Network Peak Average Power Tỷ số công suất đỉnh Ratio cơng suất trung bình QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô PAPR tuyến RNS SDR Radio Network Hệ thống mang vô Subsystem tuyến Software Defined Radio Sóng vơ tuyến định nghĩa mềm SINR Signal to Interference and Tỷ số cơng suất tín hiệu Noise Power Ratio nhiễu tạp âm SMS-SC SMS Service Center Trung tâm d/v tin nhắn UMTS Universal Mobile Hệ thống viễn thơng di Telecommunication động tồn cầu System W-CDMA Wideband Code Division Đa thâm nhập vô tuyến Multiple Access phân chia theo mã băng rộng W-LAN Wireless-LAN vi Mạng cục không dây DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 Tổng kết hệ thống di động Bảng 3.1 Khoảng tỷ lệ SNR với kỹ thuật điều chế 36 Bảng 3.2 PAPR 99,9% cho IFDMA, DFDMA, LFDMA, OFDMA 41 Bảng 3.3 chân lý tín hiệu điều chế BPSK: 46 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số Hình Tên Hình Trang Hình 1.1 Lộ trình phát triển thơng tin di động Hình 2.1 Dịch vụ thơng tin y tế 11 Hình 2.2 Hệ thơng cung cấp nội dung tiên tiến 12 Hình 2.3 Hệ thống định vị Hình 2.4 Hệ thống bảo hiểm rủi ro 14 Hình 2.5 Hệ thống quản lý di động 15 Hình 2.6 Mơ hình tham chiếu hệ thống di động 4G 17 Hình 3.1 Cơ SCS-MC-CDMA Hình 3.2 Cấu trúc tế bào tối ƣu SCS-MC-CDMA Hình 3.3 Phân bổ kênh Điều chế thích nghi sóng mang Hình 3.4 Cấu trúc phát thu hệ thống Hình 3.5 SC-FDMA/OFDMA 13 22 23 24 25 31 Hình 3.6 Cấu trúc thu SC-FDMA với Q thiết bị đầu cuối 32 Hình 3.7 Biên độ mẫu SC-FDMA OFDMA có đầu vào điều chế QPSK 33 Hình 3.8 Xử lý kênh vật lý đƣờng lên 33 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Điều chế SC-FDMA sử dụng DFT IDFT Lƣu lƣợng kỹ thuật điều chế truyền B bit/symbol Hiệu suất clipping: (a) khơng mã hóa;(b) đƣợc mã hóa viii 34 35 37 : Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Sơ đồ khối mơ SC-FDMA Hiệu suất SER SC-FDMA với kỹ thuật mapping sóng mang khác Sơ đồ khối OFDM 38 39 40 Hình 3.15 biểu diễn việc xử lý tín hiệu phát OFDM 40 Hình 3.16 Biểu diễn phổ tín hiệu miền thời gian 41 Hình 3.17 Biểu diễn tín hiệu OFDM miền tần số 42 Hình 3.18 Biểu diễn tín hiệu OFDM miền thời gian 42 Hình 3.19 Tín hiệu OFDM 43 BER so với SNR cho hệ thống OFDM băng thơng kênh 1,25 MHz Hình 3.20 0510152025300.450.50.550.60.650.70.750.80.850.9 Eb / NoBERError Xác suất kênh băng thơng 40 1.25MHz Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 BER so với SNR cho hệ thống OFDM băng thông kênh 6MHz Đồ thị thời gian trạng thái Sơ đồ khối thực điều chế PSK Quan hệ pha /thời gian đầu điều chế BPSK theo tín hiệu vào Phƣơng pháp giải điều chế PSK Tín hiệu BPSK với tín hiệu điều chế dạng nhị phân : [0 1 0 1 0 ] ix 41 46 46 47 47 49 Dạng tín hiệu BPSK với tín hiệu dạng nhị phân vào Hình 3.27 Hình 2.28 59 [1 1 0101 1 ] Hiệu suất Phân tích kỹ thuật điều chế 16QAM WCDMA AWGN x 54 hai điểm thông báo,để tạo tín hiệu BPSK, liệu nhị phần đầu vào hình thức cực với biều tƣợng đƣợc đại diện với mức biên độ không đổi E b - E b Qúa trình mã hóa truyền dẫn tín hiệu đƣợc thực mức độ mã hóa Non Return Zero (NRZ).Sản lƣợng sóng nhị phân với tàu sân bay hình 1(tt ) ,có tần số đƣợc cho f c  n T c b đƣợc đƣa vào điều chế sản phẩm sóng mang BPSK mong muốn đạt đƣợc đầu điều chế Để giải điều chế chuỗi nhị phân ban đầu tín hiệu BPSK đến đƣợc thơng qua thành tƣơng quan, đƣợc tạo thành từ nhân nhà tích hợp Các tín hiệu đến với tín hiệu tham khảo chặt chẽ 1(tt ) đƣợc nhân đầu đƣợc đƣa vào nhà tích hợp Đầu xx1 tƣơng quan so sánh với ngƣỡng 0, định đƣợc thực dựa nguyên tắc định.Nếu xx1>0 thiết bị tạo sản lƣợng nhƣng xx12) Số trạng thái pha đầu hệ thống M mức M=4 tức có trạng thái pha đầu ra, …khi đó:  N=4,8,16,…  N=log2M  Trong N: số bít đƣợc mã hóa  M : số trạng thái pha đầu với N bit Ta lại có: B=fb/log2M  Trong fb : tốc độ bít đầu vào(Hz)  B: độ rộng băng tần tối thiểu(bps)  M số trạng thái đầu Ứng dụng : Điều chế khóa dịch pha đƣợc sử dụng rộng dãi hệ thống thông tin quân , thƣơng mại , hệ thống vi ba số Phƣơng thức điều chế xem phƣơng thức điều chế hiệu cho ứng dụng truyền tin vơ tuyến đảm bảo xác suất lỗi thấp mức tín hiệu thu định đo chu kỳ tín hiệu 3.2.2.7 Kỹ thuật điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Là kỹ thuật điều chế số có liên quan đến hai tín hiệu khác đƣợc gửi đồng thời tần số sóng mang Nói cách để biên độ đƣợc phép thay đổi theo giai đoạn.Sự kết hợp ASK PSK sản lƣợng bậc cao kỹ thuật điều chế nhƣ QAM Nó đƣợc chia thành kỹ thuật khác nhƣ 8QAM,16QAM vv Nó đƣợc sử dụng chủ yếu hệ thống viễn thông kỹ thuật số ứng dụng giao hàng liệu cao nhƣ hệ thống modem cáp Khi tốc độ liệu cần thiết vƣợt 8PSK, đƣợc khuyến khích chuyển sang QAM đạt đƣợc khoảng cách lớn điểm lân cận I Q máy bay 51 cách phân bố điểm Sự phức tạp tham gia giải điều chế phải phát biên độ giai đoạn điểm khơng có biên độ tƣơng tự Có nhiều hình thức khác QAM nhƣng phổ biến 16QAM, 64QAM, 128QAM 256QAM.bậc cao M-ary QAM cho phòng cho điểm nhiều chòm sao,do khả truyền bit biểu tƣợng có thể,và điều vốn cho phép liệu đƣợc truyền băng thơng nhỏ nhiều Tuy nhiền,nếu lƣợng trung bình chòm khơng đổi, biểu tƣợng gần điều làm cho họ dễ bị tổn thƣơng với tiếng ồn méo khác dẫn đến tỷ lệ lỗi bit cao Tín hiệu phải đƣợc truyền với nhiều quyền lực để biểu tƣợng để lây lan nhiều hơn,do làm giảm hiệu sứac mạnh kỹ thuật so với kỹ thuật điều chế khác Tuy nhiên thứ tự cao QAM truyền liệu mà làm cho họ để sản xuất quang phổ truyền dẫn hiệu quả, nhiên họ tin cậy so sánh với dƣới để QAM Dạng tổng quát tín hiệu QAM M-ary thể đƣợc thể nhƣ toán học nhƣ sau: S (t )  E i Nơi E T a cos(2 f s t)  c 2E b sin(2 f T t ),0  t  T , i  1,2,3 M c s lƣợng tín hiệu với biên độ thấp nhất, a số nguyên độc lập lựa chọn theo vị trí điểm tín hiệu cụ thể Có thể phân tích Si (t ) thành cặp sở: 1 (t )   2 (t )  bi sin(2 f c t ) T sin(2 fc.t ) T 0t T 0t T 52 b cặp Hình 3.30 Khơng gian tín hiệu cho QAM hạng M với M=4 Tọa độ điểm tin E0 bi E0 với:  (  L  1, L  1) (  L  3, L  1)  (  L  1, L  3) (  L  3, L  3) (ai , bi )     (  L  1,  L  1) (  L  3, L  3) ( L  1, L  1)  ( L  1, L  3)     ( L  1,  L  1)  Độ với 16-QAM ta có L=4  ( 3,3) ( 1,3) (1,3) (3,3)   ( 3,1) ( 1,1) (1,1) (3,1)    ( , bi )   ( 3, 1) ( 1, 1) (1, 1) (3, 1)    ( 3, 3) ( 1, 3) (1, 3) (3, 3)  Thành phần đồng pha vuông pha 16-QAM 53 Hình 3.31 Chùm tín hiệu 16 QAM 54 + Sơ đồ điều chế Hình 3.32 Sơ đồ điều chế 16-QAM Họat động điều chế _ Bộ phân luồng (demux) chuyển đổi luồng nhị phân b(t) tốc độ bit Rb=1/Tb đầu vào thành bốn luồng độc lập, bit lẻ đƣợc đƣa đến chuyển đổi mức nhánh dƣới Tốc độ kỹ hiệu trƣờng hợp Rs=Rb/4 _ Các biến đổi mức chuyển đổi mức vào L mức () tạo tín hiệu L mức tƣơng ứng với đầu vào đồng pha pha vng góc _ Sauk hi nhân hai tín hiệu L mức với hai sóng mang có pha vng góc đƣợc tạo từ dao động nội phát TLO (Transmitter Local Oscillator) cộng lại ta đƣợc tín hiệu M-QAM + Bộ giải điều chế 55 Hình 3.33 Sơ đồ giải điều chế QAM Họat động giải điều chế _ Tín hiệu thu đƣợc đƣa lên nhánh đồng pha vuông pha, sau đƣợc nhân với hàm trực giao giống phía phát đƣợc tạo từ dao động nội thu RLO (Receiver Local Oscillator) Nhờ tính chất trực giao mà ta tách đƣợc thành phần tín hiệu _ Tín hiệu sau đƣợc đƣa qua tƣơng quan lấy mẫu, đánh giá ngƣỡng ( so sánh với L-1 ngƣỡng) để thu đƣợc kí hiệu _ Sau hai chuỗi số nhị phân đƣợc tách nói kết hợp với biến đổi song song vào nối tiếp để khôi phục lại chuỗi nhị phân phía phát + Ứng dụng QAM Với nhiều đề án điều chế kỹ thuật số, biểu đồ chòm đại diện hữu ích Trong QAM, điểm chòm thƣờng đƣợc bố trí vuông với khoảng cách dọc ngang nhau, cấu hình khác Từ viễn thông kỹ thuật số liệu thƣờng nhị phân, số lƣợng điểm lƣới điện thƣờng sức mạnh (2, 4, ).Từ QAM thƣờng vng, số số hình thức phổ biến 16-QAM, 64-QAM, 128QAM 256-QAM Bằng cách di chuyển đến chòm bậc cao, để truyền tải bit ký hiệu Tuy nhiên, lƣợng trung bình chòm nhƣ cũ, điểm phải đƣợc xích lại gần dễ 56 bị nhiều tham nhũng, điều dẫn đến tỉ lệ lỗi bit cao hơn,do bậc cao QAM cung cấp nhiều liệu tin cậy so với dƣới để QAM, cho lƣợng liên túc có nghĩa chòm sao.Từ liệu, tỷ giá vƣợt ngƣời đƣợc cung cấp PSK-8 đƣợc u cầu, nhiều bình thƣờng để di chuyển đến QAM kể từ đạt đƣợc khoảng cách lớn điểm lần cận mặt phẳng IQ phân phối điểm 64-QAM 256-QAM thƣờng sử dụng truyền hình cáp kỹ thuật số ứng dụng modem cáp 57 KẾT LUẬN Đồ án trình bày tồn cảnh dịch vụ nhƣ lợi ích mà hệ thống thông tin di động 4G đạt đƣợc để phục vụ sống ngƣời.Đồng thời đồ án trình bày kỹ thuật điều chế thông tin di động 4G,những vấn đề kỹ thuật xây dựng tảng dịch vụ sở hạ tầng hệ thống đƣợc nghiên cứu trình bày bài,những cơng nghệ then chốt để hệ thống 4G đạt đƣợc dung lƣợng lớn,tốc độ cao, bảo mật: kỹ thuật ăngten MIMO, OFCDM, chứng thực dựa sinh trắc học Nhu cầu ngày tăng cho hệ thống thông tin liên lạc cách sử dụng mang lại phát triển kỹ thuật điều chế kỹ thuật số nhƣ BPSK vv Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc định hƣớng ứng dụng hồn tồn phụ thuộc vào loại tín hiệu có liên quan.Điều mức độ phức tạp khác tham gia vào kỹ thuật trình thiết kế tham gia vào điều chế giải điều chế hệ thống.Trong báo này,chúng thảo luận kỹ thuật điều chế kỹ thuật số khác nhƣ BPSK(2bits), QPSK(4bit), QAM,16 QAM 64 QAM.Chúng thiết kế môi trƣờng mô phỏngtrong MATLAB với cấu hình khác kỹ thuật OFDM.Mục tiêu công việccủa để đo Bit Error Rate với đề án điều chế khác đến cấu hình tốt để đạt đƣợc sử dụng tốt băng thơng.Chúng tơi nghiên cứu cấu hình với kỹ thuật điều chế tƣơng tự kỹ thuật số so sánh kết Trong tất kỹ thuật điều chế số thảo luận kết luận bậc cao QAM truyền liệu nhƣng đáng tin cậy tỷ lệ lỗi cao so sánh với QAM bậc thấp Tuy nhiên làm giảm lỗi cách giới thiệu kỹ thuật sửa lỗi, chẳng hạn nhƣ mã hóa chập turbo mã hóa, giúp cải thiện hiệu suất hệ thống Kết cho thấy kế hoạch giai đoạn chuyển đổi kết thúc thấp keying đƣợc sử dụng cho mục đích liên quan đến hiệu suất lỗi thấp lƣợng tối thiểu nhƣng hiệu băng thông thấp, mục đích chƣơng trình phù hợp với u cầu cao mà hiệu băng thông cao hơn, nhƣng điện thấp hiệu 58 THAM KHẢO [1] ABBAS MOHAMMADI, FADHEL M GHANNOUCHI RF TRANSCEIVER THIẾT KẾ CHO MIMO WIRELESS COMMUNICATIONS [2] R Mongre, M Kapoor, Phân tích Compative kỹ thuật số điều chế kỹ thuật Cơ sở Bit Error Rate họ VHDL, IJETR, vol-2 năm 2013 0510152025300.450.50.550.60.650.70.750.80.850.9Eb / NoBERError Xác suất kênh băng thông 6MHz BPSKQPSK16QPSKQAM 66 Charles U Ndujiuba et al: phân tích so sánh kỹ thuật số điều chế kỹ thuật LTE 4G Systems [3] ] Manish Trikha, BER So sánh kết QPSK 4-QAM điều chế Schemes Tạp chí Quốc tế Điện Instrumentation Engineering, vol 3, khơng có 2, tr 62-66, tháng năm 2013 [4] Shinsuke Hara and Ramjee Prasad, “Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications”, Artech House, 2003 [5] “Towards the 4G Mobile Communications Systems”, 4G Mobile Communications Committee, 2005 [6] “4G Technical Survey Report – System Infrastructure”, 4G Mobile Communications Committee, 2006 [7] “4G Technical Survey Report – Service Platform”, 4G Mobile Communications Committee, 2006 59 60 ... thống di động 4G cung cấp…………………………… … 11 2.2Mơ hình tham chiếu hệ thống di động 4G ………… ………………………17 CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G …… 20 3.1 Tổng quan kỹ thuật điều chế thông. .. khai hệ thống di động 4G  Kết Luận CHƢƠNG 1: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử xu phát triển thông tin di động 1.1.1 Tồn cảnh hệ thống thơng tin di động Thông tin di động không ngừng... thơng tin di động 4G cần thiết Tổ chức đồ án Đồ án đƣợc trình bày thành ba chƣơng  Chƣơng 1: Các hệ thống thông tin di động  Chƣơng 2: Hệ thống thông tin di động 4G  Chƣơng 3: Các kỹ thuật điều