Nghiên cứu hiệu năng hệ thống đa chặng phối hợp trên kênh fading rayleigh trong thông tin di động LTE LTE advanced (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN THÁI HƯNG NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG PHỐI HỢP TRÊN KÊNH FADING RAYLEIGH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/LTE-ADVANCED Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN Phản biện 1: TS TRẦN THỊ HƯƠNG Phản biện 2: TS NGUYỄN HOÀNG CẨM Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật điện tử Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng năm 2015 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện sống ngày thông tin liên lạc đóng vai trò quan trọng khơng thể thiếu được, định nhiều mặt hoạt động xã hội, giúp người nắm bắt nhanh chóng giá trị văn hóa, kinh tế, khoa học kỹ thuật đa dạng phong phú Cùng với phát triển mạnh mẽ dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao, dịch vụ giải trí u cầu băng thơng rộng Bên cạnh xu hướng tích hợp dịch vụ thiết bị di động với số lượng ngày tăng với phát triển th bao Chính điều thúc đẩy ngành viễn thơng phát triển mạnh mẽ, việc nghiên cứu mạng băng rộng đời để đáp ứng phát triển Vì tổ chức ITU nghiên cứu mạng di động công nghệ tiên tiến mới, dịch vụ băng thông rộng với tiêu chuẩn Wimax, LTE hay LTE- Advanced vv Đây công nghệ cho phép truyền tín hiệu có chất lượng cao, băng thơng rộng ưu điểm vượt trội khác hứa hẹn mang lại cho người dùng dịch vụ truy cập liệu tốc độ cao chất lượng dịch vụ tốt Để đạt yêu cầu băng thông rộng, vùng phủ lớn đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced sử dụng kỹ thuật truyền thơng đa chặng Đó việc lắp đặt thêm nút chuyển tiếp để chia vùng phủ sóng thành nhiều chặng nhỏ chuyển tiếp liệu truyền trạm thu phát gốc thiết bị người dùng Đây cơng nghệ có nhiều ưu điểm mang lại lợi ích thiết thực mở rộng vùng phủ sóng, tăng thơng lượng hệ thống, giảm công suất tiêu thụ đường truyền, nâng cao chất lượng hệ thống đặc biệt cải thiện khu vực biên cell nơi mà có tỉ số tín hiệu nhiễu SNR thấp Chính lý trên, việc nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng thông tin di động cần thiết Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu kỹ thuật truyền tín hiệu hệ thống thông tin di động - Nghiên cứu kỹ thuật chuyển tiếp hệ thống thông tin di động - Nghiên cứu đánh giá hiệu làm việc hệ thống đa chặng - Xây dựng, mơ mạng phần mềm chun dụng từ phân tích, so sánh đánh giá kết đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu: - Lý thuyết đặc tính hệ thống thơng tin di động - Lý thuyết kỹ thuật chuyển tiếp hệ thống thông tin di động - Phân tích đặc tính phối hợp - Phân tích hiệu hệ thống đa chặng phối hợp kênh fading rayleigh Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài kết hợp lý thuyết, tính tốn với mô phần mềm để so sánh đánh giá kết Cụ thể phương pháp nghiên cứu bao gồm giai đoạn sau: + Thu thập phân tích chọn lọc thơng tin, tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu + Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu kiến thức cơng thức để tính tốn tham số hệ thống đa chặng + Sử dụng phần mềm Matlab phần mềm chuyên dụng để đánh giá mô thông số hệ thống đa chặng Bố cục đề tài Theo mục tiêu đối tượng nghiên cứu trình bày phần trên, nội dung đề tài bao gồm phần sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/ LTE-ADVANCE CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG PHỐI HỢP CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐA CHẶNG PHỐI HỢP TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/LTE-ADVANCED CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH, MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG PHỐI HỢP TRÊN KÊNH FADING RAYLEIGH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/ LTE-ADVANCE 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG + Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động + Công nghệ LTE + Công nghệ LTE-Advance + So sánh công nghệ LTE-Advanced công nghệ LTE + Các công nghệ sử dụng LTE-Advanced + Triển vọng hệ thống thông tin di động tương lai 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG 1.2.1 Cơng nghệ mạng hệ thứ (1G) 1.2.2 Công nghệ mạng hệ thứ (2G) 1.2.3 Công nghệ mạng hệ thứ (3G) 1.3 CƠNG NGHỆ LTE 1.3.1 Giới thiệu cơng nghệ LTE 1.3.2 Các đặc điểm công nghệ LTE 1.3.3 Kiến trúc mạng LTE 1.3.4 Kiến trúc mạng lõi LTE 1.3.5 Mạng truy nhập E-UTRAN 1.4 CÔNG NGHỆ LTE-ADVANCED 1.4.1 Giới thiệu công nghệ LTE-Advanced 1.4.2 Ưu điểm công nghệ LTE-Advanced + Băng thông rộng + Nhiều luồng liệu + Hỗ trợ trạm phát nhỏ + Chuyển tiếp thông minh + Công nghệ đa phối hợp + Cải thiện tín hiệu tăng tốc độ truyền tải liệu 1.4.3 Kiến trúc mạng LTE-Advanced a Mạng truy nhập LTE-Advanced E-UTRAN b Mạng lõi gói phát triển EPC Hình 1.6: Kiến trúc E-UTRAN LTE-Advanced 1.5 SO SÁNH CÔNG NGHỆ LTE-ADVANCED VỚI CÔNG NGHỆ LTE 1.6 CÁC CƠNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG LTE-ADVANCED 1.6.1 Cơng nghệ MIMO Tính cho phép thiết bị di động trạm phát sóng kết nối gửi nhận liệu với thông qua nhiều anten gọi MIMO 1.6.2 Truyền dẫn băng rộng chia sẻ phổ tần 1.6.3 Kỹ thuật chuyển tiếp 1.6.4 Truyền dẫn đa điểm phối hợp Phát thu đa điểm phối hợp (CoMP: Co-ordinated Multipoint) coi kỹ thuật hứa hẹn để cải thiện tốc độ số liệu nhờ tăng thông lượng biên cell tăng thơng lượng hệ thống 1.7 TRIỂN VỌNG CỦA THƠNG TIN DI ĐỘNG TƯƠNG LAI 1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG Với ưu điểm vượt trội so với mạng hệ trước cơng nghệ LTE-Advanced khơng mang lại tốc độ truyền liệu nhanh hơn, dung lượng hệ thống lớn hơn, khả phủ sóng tốt mà đáp ứng nhiều tiện ích thiết thực đời sống người Chính vậy, LTE-Advanced công nghệ viễn thông lựa chọn hàng đầu tương lai CHƯƠNG CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG PHỐI HỢP 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG + Giới thiệu kỹ thuật chuyển tiếp hệ thống đa chặng phối hợp + Phân loại chuyển tiếp + Các chế truyền dẫn chuyển tiếp + Các kỹ thuật chuyển tiếp + Hệ thống phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP (Coordinated Multi-Point Transmission) + Các chế bắt cặp cho việc lựa chọn chuyển tiếp 2.2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG PHỐI HỢP Đó việc lắp đặt thêm nút chuyển tiếp để chia vùng phủ sóng thành nhiều chặng nhỏ chuyển tiếp liệu truyền trạm thu phát gốc thiết bị người dùng Hình 2.1: Kỹ thuật chuyển tiếp 2.3 PHÂN LOẠI CHUYỂN TIẾP 2.3.1 Chuyển tiếp loại Chuyển tiếp loại kiểu công nghệ chuyển tiếp khuếch đại chuyển tiếp tín hiệu (AF) 2.3.2 Chuyển tiếp loại Chuyển tiếp loại kiểu cơng nghệ chuyển tiếp giải mã hóa chuyển tiếp (DF) 2.4 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN DẪN CHUYỂN TIẾP 2.4.1 Khuếch đại chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) Hình vẽ 2.4: Minh hoạ chế chuyển tiếp AF MRC tai đường downlink từ trạm chuyển tiếp đường trực tiếp đến đích : yDMRC [t ] = Pt hSD x[t ] + +ηhSR hRD x[t ] + (ηhRD hRD x[t ]) + ηhRD nRN + nD (2.10) 2.4.2 Giải mã hóa chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) Hình vẽ 2.7: Minh hoạ chế chuyển tiếp DF MRC DF y D [t1 ] = ξ PR hRD x[t ] + nRN + Pt hSD x[t ] + nD (2.17) 2.4.3 Giải điều chế chuyển tiếp (DMF) Đầu tiên, trạm chuyển tiếp giải điều chế tín hiệu nhận từ nguồn Sau thực điều chế chuyển tiếp tín hiệu đến đích 2.5 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 2.5.1 Chuyển tiếp chiều Hình vẽ 2.8: Minh hoạ chuyển tiếp chiều 10 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐA CHẶNG PHỐI HỢP TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/LTE-ADVANCED 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Kỹ thuật truyền dẫn đa chặng kết hợp liên kết truyền dẫn ngắn để mở rộng phạm vi phủ sóng mạng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian máy phát máy thu 3.2 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG ĐƠN CHẶNG VÀ ĐA CHẶNG 3.2.1 Hệ thống đơn chặng 3.2.2 Hệ thống đa chặng a Đặc tính hệ thống hai chặng b Các mơ hình hệ thống đa chặng 3.3 MỘT SỐ KIẾN TRÚC HỆ THỐNG DI ĐỘNG ĐA CHẶNG 3.3.1 Hệ thống đa chặng với nút chuyển tiếp cố định RNs cố định thường triển khai mạng để cải thiện vùng phủ sóng dung lượng vùng biên Cell phủ, vùng lõm bị che chắn 3.3.2 Hệ thống đa chặng với nút chuyển tiếp di động Trạm chuyển tiếp di động thường gắn thiết bị giao thơng (Ví dụ xe bt, xe lửa …) nhằm mục tiêu cung cấp dịch vụ di động tốt bên phương tiện giao thông 3.3.3 Hệ thống đa chặng với nút chuyển tiếp tạm thời Trạm chuyển tiếp tạm thời cho phép triển khai trạm RN tạm thời để cung cấp bổ sung vùng phủ lực mạng khu vực, nơi mà trạm eNodeB trạm chuyển tiếp cố định có vùng phủ yếu 11 khơng đảm bảo chất lượng dịch vụ, nơi xảy cố tắc nghẽn 3.4 CÁC ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐA CHẶNG PHỐI HỢP 3.4.1 Ưu điểm hệ thống đa chặng phối hợp 3.4.2 Nhược điểm hệ thống đa chặng 3.5 CÁC MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN 3.5.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 3.5.2 Phân bố Ricean 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Dựa số kiến trúc hệ thống đa chặng đề xuất trên, nhà quản lý khai thác dịch vụ viễn thơng dễ dàng chọn lựa cho kiến trúc phù hợp với điều kiện yêu cầu thực tiễn để triển khai Ngồi ra, thơng qua ưu điểm, hệ thống thơng tin đa chặng giải vấn đề công suất hệ thống tăng số chặng truyền dẫn trạm phát trạm thu, đồng thời tăng vùng phủ cách đáng kể CHƯƠNG PHÂN TÍCH, MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG PHỐI HỢP TRÊN KÊNH FADING RAYLEIGH 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Hệ thống thông tin đa chặng phối hợp sử dụng đem lại nhiều ưu điểm lợi ích thiết thực Để nhìn nhận rõ ràng xác thực chương luận văn phân tích hiệu hoạt động hệ thống thơng qua việc phân tích tham số quan trọng hệ thống 12 4.2 HỆ THỐNG HAI CHẶNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP CỐ ĐỊNH 4.2.1 Mơ hình hệ thống Hình 4.1 : Mơ hình hệ thống với trạm chuyển tiếp cố định γ D = γ (S−R−D) + γ SD (4.1) 4.2.2 Tuyến truyền (S-R-D) γD ( S−R−D ) = γ 1γ γ +γ +1 (4.6) 4.3 XÁC SUẤT LỖI BIT CỦA HỆ THỐNG HAI CHẶNG PHỐI HỢP 4.3.1 Xác suất lỗi bit với chế chuyển tiếp AF a Xác suất lỗi bit tuyến (S-R-D) Xác suất lỗi bit tuyến (S-R-D) : AF P(S−R−D) =  a bγ SD erf − γ th /γ S ,D × γ SD (γ − γ SD )(1 − e )  1+ bγ SD ( λ )−γ +e−γ th (1/γ SD +1/γ ) (γ SD eγ th /γ − γ eγ th /γ SD ) erfc( bγ th ) − (γ SD − γ + (1− e : − γ th (1/γ SD −1/γ )  ) γ e−γ th /γ erfc  ( bγ th ) ) bγ erf 1+ bλ ( ζ)   bγ − erfc( ζ )   1+ bγ   λ = γ th (1+ bγ SD ) / γ SD ζ = γ th (1+ bγ SD ) / γ b Xác suất lỗi bít tuyến (SD) Xác suất lỗi bít tuyến (S-D) là: (4.16) 13 P(γ SD ≤ γ th ) = γ th ∫γ e−γ SD /γ SD dγ = 1− e−(γ th /γ SD ) (4.19) SD Trong đó: γ SD = E(hSD )ES N SNR trung bình tuyến (S-D) c Xác suất lỗi bit đích khơng sử dụng tín hiệu trạm chuyển tiếp Pdi = a × erfc ( ) bγ th − a × eγ th γ SD bγ SD erfc 1+ bγ SD ( γ th (b +1 γ SD ) ) (4.22) Xác suất lỗi bit trung bình với chế chuyển tiếp AF hệ thống hai chặng phối hơp γ SD ≤ γ th là: AF PDAF = P(γ SD ≤ γ th ) × P(S−R−D) + (1− P(γ SD ≤ γ th )) × P di (4.23) 4.3.2 Xác suất lỗi bit với chế chuyển tiếp DF *Xác suất lỗi bít tuyến S-R-D DF P(S−R−D) = Pbit−SR Pbit−D + (1− Pbit−SR ) Pcom−D (4.24) Trong đó: Pbit−SR xác suất lỗi xảy trạm chuyển tiếp Pbit−SR = a(1− bγ SR ) 1+ bγ SR (4.25) Khi trạm chuyển tiếp giải mã thành cơng truyền tín hiệu đến đích (D), xác suất xảy lỗi đích Pcom−D a(1− e− γ /γ SD )−1  bγ SD bγ RD erf ( λ ) − γ RD erf ( ζ ) γ γ RD − γ SD  SD 1+ bγ SD + bγ RD Pcom−D = +e−γ th /(1/γ SD +1/γ RD ) (γ SD eγ /γ RD − γ RD eγ /γ SD )erfc bγ th − (γ SD − γ RD ) (4.28)    bγ RD +(1− e−γ th /(1/γ SD −1/γ RD ) γ RD e−γ th /γ RD erf bγ th − γ RD erfc( ζ )   1+ bγ RD    14 λ = γ th (1+ bγ SD ) / γ SD ζ = γ th (1+ bγ RD ) / γ RD Xác suất lỗi lỗi lan truyền Pbit−D giới hạn giá đó: trị xấu Pbit−D ≤ 0.5 4.4 XÁC SUẤT RỚT MẠNG CỦA HỆ THỐNG HAI CHẶNG PHỐI HỢP 4.4.1 Xác suất rớt mạng chế chuyển tiếp AF PoAF = + γ e(−γ γ SD − γ th /γ ) − γ SD (− γ e γ SD − γ th /γ (4.30) ) 4.4.2 Xác suất rớt mạng chế chuyển tiếp DF  γ e−γ th γ RD − γ SD e−γ th γ SD  PoDF = (1 − e−γ th γ SR )(1− e−γ th γ SD ) + e−γ th γ SR × 1+ RD  γ SD − γ RD   (4.37) 4.5 HỆ THỐNG ĐA CHẶNG 4.5.1 Mơ hình hệ thống h2 h1 Source hn Relayn−1 Relay2 Relay1 Destination Hình 4.5: Mơ hình hệ thống đa chặng 4.5.2 Xác suất lỗi bit hệ thống đa chặng Pb−QAM (E) ≥ π π /2 ∫  1 ∑ sin θ  n=1 γ  N 1+ −1 dθ = ( N N + γ + γ (N + γ ) ) (4.47) 4.5.3 Xác suất rớt mạng hệ thống đa chặng  1 N −hop Pout = P [γ D < γ th ] = P  >   γ D γ th   M (s)  γD = 1− L−1   s   1γ th (4.48) 15 4.6 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KIỂM TRA CÔNG THỨC LÝ THUYẾT 4.6.1 Sơ đồ mô đánh giá kiểm tra công thức lý thuyết 4.6.2 Lưu đồ thuật toán a Lưu đồ thuật toán đánh giá BER hệ thống Bắt Đầu hai chặng phối hợp Khởi tạo chuỗi bit thông số ban đầu Tính SNR Đúng i