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 thơng tin di động 4G” Để hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy 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 Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn thầy giáo TS Pham Việt Hưng Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng 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 Ngồi 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 tơi xin hòan tồn 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 q trình thực (nếu có) Hải Phòng, Ngày 21 tháng năm 2016 ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I NGUYỄN TRUNG THÀNH I LỜI CAM ĐOAN II HẢI PHÒNG, NGÀY 21 THÁNG NĂM 2016 .II MỤC LỤC III DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT III DANH MỤC CÁC BẢNG VII 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 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 2.1.1 Giới thiệu chung 2.2 MƠ HÌNH THAM CHIẾU HỆ THỐNG DI ĐỘNG 4G 16 2.2.1 Bốn miền mơ hình tham chiếu .16 CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 20 3.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 20 _ Phân bổ theo kênh dẫn tới hạn chế tốc độ liệu người dùng 25 3.2.2 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế hiệu suất cao 25 3.2.2.1 Kỹ thuật điều chế/giải điều chế thích nghi sóng mang (Subcarrier Adaptive Modulation/Demodulation Techniques) 26 3.2.2.2 Kỹ thuật điều chế PSK 27 + Xử lý đường lên .35 KẾT LUẬN 57 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT iii 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 GPRS System General Packet Radio cầu Hệ thống vô tuyến gói System chung iv HARQ Hybrid Automatic Repeat 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 MC-CDMA NEMO NGN OFDM OFCDM PAN PAPR Multiplexing trực giao Persional Access Network Mạng truy cập cá nhân Peak Average Power Tỷ số công suất đỉnh QoS RNC Ratio Quality of Service Radio Network Controller cơng 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 vơ tuyến định SINR Signal to Interference and nghĩa mềm Tỷ số cơng 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 thơng di v W-CDMA W-LAN Telecommunication động tồn cầu System Wideband Code Division Đa thâm nhập vô tuyến Multiple Access phân chia theo mã băng Wireless-LAN rộng Mạng cục không dây vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Bảng 1.1 Tên bảng Tổng kết hệ thống di động Trang 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 thông cung cấp nội dung tiên tiến 12 Hình 2.3 Hệ thống định vị Hình 2.4 14 Hình 2.5 Hệ thống bảo hiểm rủi ro Hệ thống quản lý di động Hình 2.6 Mơ hình tham chiếu hệ thống di động 4G Hình 3.1 Cơ SCS-MC-CDMA 17 22 Hình 3.2 Hình 3.3 Cấu trúc tế bào tối ưu SCS-MC-CDMA Phân bổ kênh 23 24 Hình 3.4 Điều chế thích nghi sóng mang Cấu trúc phát thu hệ thống 25 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 SC-FDMA/OFDMA Cấu trúc thu SC-FDMA với Q thiết bị đầu cuối Biên độ mẫu SC-FDMA OFDMA có đầu vào điều chế QPSK Xử lý kênh vật lý đường lên Điều chế SC-FDMA sử dụng DFT IDFT Lưu lượng kỹ thuật điều chế truyền B bit/symbol Hiệu suất clipping: (a) khơng mã hóa;(b) mã hóa 13 15 31 32 33 33 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 viii 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 Hình 3.18 Hình 3.19 Biểu diễn tín hiệu OFDM miền tần số Biểu diễn tín hiệu OFDM miền thời gian Tín hiệu OFDM 42 42 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 thông 40 1.25MHz Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 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 Phương pháp giải điều chế PSK 41 46 46 47 47 Tín hiệu BPSK với tín hiệu điều chế dạng nhị phân : Hình 3.26 [0 1 0 1 0 ] 49 Dạng tín hiệu BPSK với tín hiệu dạng nhị phân vào Hình 3.27 Hình 2.28 [1 1 0101 1 ] 59 Hiệu suất Phân tích kỹ thuật điều chế 16QAM WCDMA AWGN ix 54 GIỚI THIỆU Trong năm gần đây,thông tin di động đạt đước thành tựu vượt bậc Thông tin di động cho phép người dùng sử dụng lúc,mọi nơi vùng phủ sóng, kể di chuyển Ngồi thơng tin di động đáp ứng nhiều dịch vụ tiện ích khác như: nhắn tin, truyền số liệu, truyền thông đa phương tiện,xác định vị trí người sử dụng… mà dịch vụ khác không thực Do nhu cầu thông tin di động ngày tăng lên tương lai không xa hình thức thơng tin vạn đước áp dụng nhiều vào sống vs thay đổi lối sống người Cho đến thông tin di động giới trải qua ba hệ Thế hệ thứ sử dụng công nghệ tương tự từ năm 70 đến năm 80 hệ thống thông tin di động hệ thứ hai đời phát triển mạnh mẽ Những năm đầu kỷ 21 (khoảng 2002) hệ thống thông tin di động hệ thứ x dạng sóng để hai tiểu bang để đại diện cho biểu tượng nhị phân tương ứng Mạch lạc BPSK có khơng 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 f ,có tần số cho c = n T ∅ (tt ) c b đưa 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 thơng 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 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 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 sử dụng rộng dãi hệ thống thông tin quân , thương mại , hệ thống vi ba số Phương thức điều chế xem phương 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 gửi đồng thời tần số sóng mang Nói cách để biên độ phép thay đổi theo giai đoạn.Sự kết hợp ASK PSK sản lượng bậc cao kỹ thuật điều chế QAM Nó chia thành kỹ thuật khác 8QAM,16QAM vv Nó sử dụng chủ yếu hệ thống viễn thông kỹ thuật số ứng dụng giao hàng liệu cao hệ thống modem cáp Khi tốc độ liệu cần thiết vượt 8PSK, khuyến khích chuyển sang QAM đạt khoảng cách lớn điểm lân cận I Q máy bay cách phân bố điểm Sự phức tạp tham gia giải điều chế phải 51 phát biên độ giai đoạn điểm khơng có biên độ tương tự Có nhiều hình thức khác QAM phổ biến 16QAM, 64QAM, 128QAM 256QAM.bậc cao M-ary QAM cho phòng cho điểm nhiều chòm sao,do khả truyền bit biểu tượng có thể,và điều vốn cho phép liệu truyền băng thông nhỏ nhiều Tuy nhiền,nếu lượng trung bình chòm khơng đổi, biểu tượng gần điều làm cho họ dễ bị tổn thương với tiếng ồn méo khác dẫn đến tỷ lệ lỗi bit cao Tín hiệu phải truyền với nhiều quyền lực để biểu tượng 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 để QAM Dạng tổng quát tín hiệu QAM M-ary thể thể toán học sau: S (t ) = i Nơi E E T s a cos(2π f t) + c 2E b sin(2π f T s t ),0 ≤ t ≤ T , i = 1, 2,3 M c lượng 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: φ1 (t ) = − φ2 (t ) = bi sin(2π f c t ) T sin(2π 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 ( −1,3) (1,3) (3,3)   ( −3,3)  ( −3,1) ( −1,1) (1,1) (3,1)    (ai , bi ) =  ( −3, −1) ( −1, −1) (1, −1) (3, −1)     ( −3, −3) ( −1, −3) (1, −3) (3, −3)  Thành phần đồng pha vng 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 đưa đến chuyển đổi mức nhánh Tốc độ kỹ hiệu trường hợp Rs=Rb/4 _ Các biến đổi mức chuyển đổi mức vào L mức () tạo tín hiệu L mức tương 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 tạo từ dao động nội phát TLO (Transmitter Local Oscillator) cộng lại ta 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 đưa lên nhánh đồng pha vng pha, sau nhân với hàm trực giao giống phía phát tạo từ dao động nội thu RLO (Receiver Local Oscillator) Nhờ tính chất trực giao mà ta tách thành phần tín hiệu _ Tín hiệu sau đưa qua tương quan lấy mẫu, đánh giá ngưỡng ( so sánh với L-1 ngưỡng) để thu kí hiệu _ Sau hai chuỗi số nhị phân tách nói kết hợp với biến đổi song song vào nối tiếp để khơi 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 thường bố trí vng với khoảng cách dọc ngang nhau, cấu hình khác Từ viễn thơng kỹ thuật số liệu thường nhị phân, số lượng điểm lưới điện thường sức mạnh (2, 4, ).Từ QAM thường vuông, 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, lượng trung bình chòm cũ, điểm phải xích lại gần dễ bị nhiều tham nhũng, điều dẫn đến tỉ lệ lỗi bit cao hơn,do bậc cao 56 QAM cung cấp nhiều liệu tin cậy so với để QAM, cho lượng liên túc có nghĩa chòm sao.Từ liệu, tỷ giá vượt người cung cấp PSK-8 yêu cầu, nhiều bình thường để di chuyển đến QAM kể từ đạt khoảng cách lớn điểm lần cận mặt phẳng IQ phân phối điểm 64-QAM 256-QAM thường sử dụng truyền hình cáp kỹ thuật số ứng dụng modem cáp KẾT LUẬN Đồ án trình bày tồn cảnh dịch vụ lợi ích mà hệ thống thơng tin di động 4G đạt để phục vụ sống người.Đồng thời đồ án trình bày 57 kỹ thuật điều chế thông tin di động 4G,những vấn đề kỹ thuật xây dựng tảng dịch vụ sở hạ tầng hệ thống nghiên cứu trình bày bài,những cơng nghệ then chốt để hệ thống 4G đạt dung lượng 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 BPSK vv Thiết kế hệ thống thông tin liên lạc định hướng ứng dụng hoàn toàn 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 BPSK(2bits), QPSK(4bit), QAM,16 QAM 64 QAM.Chúng thiết kế mơi trường mơ phỏngtrong MATLAB với cấu hình khác kỹ thuật OFDM.Mục tiêu cơng việccủa để đo Bit Error Rate với đề án điều chế khác đến cấu hình tốt để đạt sử dụng tốt băng thơng.Chúng tơi nghiên cứu cấu hình với kỹ thuật điều chế tương tự kỹ thuật số so sánh kết Trong tất kỹ thuật điều chế số thảo luận kết luận bậc cao QAM truyền liệu 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 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 sử dụng cho mục đích liên quan đến hiệu suất lỗi thấp lượng tối thiểu hiệu băng thông thấp, mục đích chương trình phù hợp với u cầu cao mà hiệu băng thông cao hơn, điện thấp hiệu THAM KHẢO [1] ABBAS MOHAMMADI, FADHEL M GHANNOUCHI RF TRANSCEIVER THIẾT KẾ CHO MIMO WIRELESS COMMUNICATIONS 58 [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 ... Chương 1: Các hệ thống thơng tin di động • Chương 2: Hệ thống thơng tin di động 4G • Chương 3: Các kỹ thuật điều chế hệ thống thông tin di động 4G Ở chương trình bày số kỹ thuật điều chế, kỹ thuật. .. 3: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 20 3.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 20 _ Phân bổ theo kênh dẫn tới hạn chế tốc độ liệu người dùng 25 3.2.2 Kỹ thuật. .. khai hệ thống di động 4G • Kết Luận CHƯƠNG 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