(Luận văn thạc sĩ) phân tập giao thoa trong hệ thống tế bào OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - Dương Văn Lập PHÂN TẬP GIAO THOA TRONG HỆ THỐNG TẾ BÀO OFDM LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Huế - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Dương Văn Lập PHÂN TẬP GIAO THOA TRONG HỆ THỐNG TẾ BÀO OFDM Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Pgs.Ts Trịnh Anh Vũ HUẾ - 2014 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành chương trình cao học viết luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình q thầy trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội Trước hết, xin chân thành cảm ơn đến q thầy trường Đại học Cơng nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội, đặc biệt thầy tận tình dạy bảo cho tơi suốt thời gian học tập Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Phó giáo sư – Tiến sĩ Trịnh Anh Vũ dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Nhân đây, xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội quí thầy cô Khoa Điện tử - Viễn thông tạo nhiều điều kiện để tơi học hồn thành tốt khóa học Mặc dù tơi có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Huế, tháng 01 năm 2014 Học viên Dương Văn Lập LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ nguyên tắc kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực, chưa công bố trước người khác việc sử dụng tài liệu dùng để tham khảo cho luận văn Ký tên: …………………… Học viên: Dương Văn Lập MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cám ơn………………………………………………………………………1 Lời cam đoan…………………………………………………………………….2 Mục lục………………………………………………………………………… Danh mục thuật ngữ từ viết tắt Danh mục bảng 10 Danh mục hình vẽ đồ thị .11 Chương 1: Giao thoa giải pháp chống giao thoa mạng di động hệ 1G, 2G, 3G .12 1.1 Vấn đề giao thoa………………………………………………………… 12 1.2 Hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM…………… …………………13 1.2.1 Quy hoạch sử dụng tần số GSM [1]…………… ……… …………13 1.2.2 Tái sử dụng lại tần số…… .…… ……… …………14 1.2.3 Nguyên lý tái sử dụng tần số [2] .…… ……… .…………15 1.2.4 Các mẫu tái sử dụng tần số [2] …… ……… .… ………18 1.2.5 Một số giải pháp khác chống giao thoa kênh GSM .23 1.3 Hệ số dùng lại tần số toàn phần, giải pháp chống nhiễu trải phổ (2G-IS95, 3G-UMTS) ……………………………………………… …… 24 1.3.1 Kỹ thuật trải phổ…………… .… …… 24 1.3.2 Các hệ thống trải phổ [3]…… .…………………………………25 1.3.2.1 Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS)………………………… ……… 25 1.3.2.2 Hệ thống dịch tần (FH)……………………….……… .26 1.4 Kết luận ……… …………………… ………………………… 27 Chương 2: Cấu trúc hệ thống LTE .28 2.1 Giới thiệu công nghệ LTE [4] 28 2.2 Kỹ thuật OFDM 29 2.2.1 Sự trực giao (Orthogonal)………………………… 32 2.2.2 Bảo vệ chống lại ISI………………………… 32 2.3 Công nghệ OFDMA [5]……… ……… 33 2.4 Cấu trúc ký hiệu OFDMA phân kênh con………… 34 2.5 So sánh quy hoạch tái sử dụng tần số có tính toán tới loại nhiễu…36 Chương 3: Một giải pháp cải tiến phân tập giao thoa [6]……………….39 3.1 Mơ hình phân tập giao thoa …… ………………………………… 39 3.2 Đánh giá phân tập nhiễu giao thoa…………… … …… … …………40 3.3 Đo mức phân tập nhiễu (IDM)……………………… …… .42 3.4 Giải pháp cải tiến…………… ……………………….… 43 3.5 Kết phân tập nhiễu………………………… …… …44 3.6 Kết luận chương…………………….…… .… ………… 45 Chương Mô hiệu phân tập tần số 46 4.1 Mô hình mơ phỏng………………….…….………… …….46 4.2 Kết mơ Matlab………………… ….………………… 48 Kết luận hướng phát triển đề tài 50 Tài liệu tham khảo 51 Phụ lục 52 DANH MỤC C C 3GPP 2G 3G Third Generation Tổ chức chuẩn hóa mạng di Partnership Project động hệ thứ second generation Thế hệ thứ Công nghệ truyền thông hệ thứ ba Third-generation technology A AMC Adaptive Modulation And Coding Mã hóa điều chế thích nghi B BCW Broadcast Channel Kênh quảng bá BER Bit-Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BICM Bit-interleaved coded modulation Bit-xen kẽ điều chế mã hóa BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc C CC Convolutional Code Mã chập CCI Co_channel Interference Nhiễu đồng kênh CDMA Code Division Multiple Access Committee of European CEPT Post and Telecommunication C/I Cochannel Interference D Đa truy nhập phân chia theo mã Ủy ban bưu viễn thơng Châu Âu Nhiễu đồng kênh Diversity Subcarrier Phương pháp đa dạng sóng Method mang DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc DL Downlink Đường xuống Downlink Full Use of Sóng mang sử dụng Subcarrier hồn tồn Downlink partial usage of Sóng mang sử dụng subchannel phần Direct Sequency Hệ thống trải phổ trực tiếp DSM DL FUSC DL PUSC DS E EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution European ETSI Telecommunication Standards Institute Công nghệ web di động Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu F FEC FDD forward error correction Hiệu chỉnh lỗi Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần Multiplexing số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier nhanh FH Frequency Hopping Trải phổ dịch tần FDM G GPRS GI GSM General Packet Radio Services Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp Gaurd Interval Khoảng bảo vệ Global Sytem For Mobile Hệ thống truyền thơng di động Communications tồn cầu H HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao I IEEE Institute Of Electrical And Electronics Engineers Viện kỹ sư điện điện tử IFFT Inverse FFT FFT đảo ngược ICI Inter-Channel Interface Nhiễu liên kênh IDM IMT-2000 ISI Interference Diversity Metric Thước đo phân tập giao thoa International Mobile Viễn thông di động quốc tế Telecommunications 2000 2000 Inter-Symbol Interface Nhiễu liên kí tự L LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn M MIMO MoU MS Multiple Input Multiple Ouput Memorandum of Đa ngõ vào đa ngõ Biên ghi nhớ Understanding Trạm di động Mobile Station N NLOS Non Light of Sight Không theo tầm nhìn thẳng O OFDM OFDMA Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần Division Multiplexing số trực giao Orthogonal Frequency Đa truy nhập phân chia theo tần Division Multiple Access số trực giao P PRNG Pseudo – Random Number Bộ phát số giả ngẫu nhiên Generato Q QAM QPSK Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Điều chế biên độ vng góc Khóa dịch pha vng góc S SC-FDMA Single Carrier FDMA FDMA đơn sóng mang SS Spread Spectrum Trải phổ T TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian Hệ thống dịch thời gian TH U UL UL PUSC UL AMC Đường lên Uplink Uplink Partial Usage of Subcarriers Adaptive Modulation And Coding Universal Mobile UMTS Telecommunications System Các hốn vị khơng bắt buộc Mã hóa điều chế thích nghi Hệ thống viễn thơng di động toàn cầu W WCDMA WIMAX Wideband Code Division Đa truy nhập băng rộng phân Multiple Access chia theo mã Worldwide Interoperability Kết nối Internet băng thông for Microwave Access rộng không dây V VMS virtual memory specification Đặt tả nhớ ảo 39 C ƯƠ 3: MỘ GIẢ P P CẢ P Â P AO OA [6] Như trình bày chương 2, kỹ thuật thơng tin di động sử dụng 4G có lõi chung sử dụng công nghệ OFDMA cho đa người dùng đường xuống SC-OFDM cho đường lên Mỗi người dùng phân kênh gồm nhóm sóng mang Kỹ thuật đảm bảo tính trực giao người dùng cell nên chống nhiễu tốt cell Để đảm bảo chống nhiễu người dùng cell lân cận (do lặp lại tần số), chuẩn LTE nêu hốn vị sóng mang việc thiết lập kênh phân cho người dùng cell lân cận phải khác Bản chất vấn đề nhiễu kênh lên người dùng cell phải đến từ nhiều người dùng khác cell lân cận (chứ từ người dùng cell bên cạnh) Mà từ nhiều người dùng khác cell bên cạnh có nghĩa nhiễu đến từ nhiều khoảng cách khác không tập trung khoảng cách Kỹ thuật gọi phân tập giao thoa (chính xác gọi phân tán giao thoa) áp dụng cho đường lên đường xuống giảm độ thăng giáng nhiễu tập trung lên người dùng Chương trình bày giải pháp [6] kiểm soát giao hoán thông qua số đo nhiễu giao thoa, đối tượng nghiên cứu nghiên cứu hệ LTE mà hệ 802.16e, song cấu trúc OFDMA có ý nghĩa tương đương 3.1 Mơ hình phân tập giao thoa Mơ hình người dùng tế bào chịu nhiễu đồng kênh hướng lên từ người dùng cell lân cận, minh họa hình 3.1 Hình 3.1:Sự can thiệp từ nhiều người sử dụng, can thiệp đa dạng 40 Để hiểu chế phân tập nhiễu cách đơn giản ta xét sóng mang thuộc kênh tế bào Trong tế bào 2, sóng mang giống phần kênh khác sử dụng người dùng khác tế bào có vị trí khác trạm sở tế bào Các sóng mang chung kênh tơ hình oval dọc Chiều cao mũi tên minh họa công suất thu sóng mang trạm sở tế bào 1, tức công suất nhiễu giao thoa nhìn thấy trạm sở (hình minh họa 3.2) Hình 3.2: Minh họa đa dạng can thiệp vào hệ thống nhiều ô Cần ý khác chiều cao mũi tên sóng mang phụ thuộc vào vị trí khác người sử dụng Trong hình minh họa 3.2, minh họa vị trí đại diện sóng mang tạo nên kênh tế bào Một cách hiệu quả, tỷ số tín hiệu/nhiễu+tạp âm (SINR) bị chọn lọc tần số điều kiện đa đường điều kiện nhiễu thay đổi sóng mang kênh 3.2 Đánh giá phân tập nhiễu giao thoa Chúng ta xét hệ thống 802.16e với băng thơng MHz 512 sóng mang Dưới điều kiện này, có tất 15 kênh đường xuống và 17 kênh đường lên Một kênh thơng thường gồm 24 sóng mang có vị trí phân tán khơng gian tần số Tế bào chia thành sector (0,1,2) Mỗi sector chứa kênh hướng xuống (DL) Còn kênh hướng lên (UL), 41 sector đánh số 0, phân 6, kênh Ảnh hưởng phân tập nhiễu giao thoa đường xuống cho kênh khác tế bào tham chiếu cụ thể Số sóng mang góp phần can thiệp kênh tham khảo Kênh tham khảo 5 1 2 4 5 1 1 10 2 11 3 12 2 0 13 1 14 2 15 Bảng 3.1: Đa dạng nhiễu hệ thống 802.16e dựa tuyến xuống Trong bảng này, xem xét kênh sector tế bào tham chiếu với giá cụ thể xét tế bào lân cận dùng lại tần số mang Trong kênh có 24 sóng mang tế bào bên cạnh, sóng mang lại phân cho kênh khác Trong bảng 3.1, hàng, phân tán 24 sóng mang 15 kênh tế bào bên cạnh thể Có thể thấy từ bảng 3.1, kênh tham chiếu, sóng mang gây nhiễu phân bố 12 -13 kênh tế bào lân cận Thực nghiệm mở rộng với giá trị khác sở hoán vị xu hướng tương tự tính trung bình Một số kênh tham chiếu nhận kênh góp phần làm nhiễu kênh khác nhận số cao kênh góp phần làm nhiễu Điều nói lên phân tập giao thoa lộ rõ việc phân bổ đường xuống Trong đường lên, phân tập giao thoa khác phân bổ đường có sóng mang liên tiếp xem đơn vị Kênh tham khảo Số sóng mang góp phần can thiệp kênh tham khảo 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 10 0 0 4 11 0 12 0 0 13 0 0 14 0 15 0 4 16 0 0 Bảng 3.2: Nhiễu đa dạng hệ thống 802.16e dựa đường lên 17 0 0 42 Từ bảng 3.2, thấy rằng, 5-6 kênh khác góp phần gây nhiễu đến kênh cụ thể tế bào tham chiếu Thực nghiệm mở rộng cho thấy với giá trị khác sở hốn vị có xu hướng giống tính trung bình Một kênh tham chiếu nhận kênh gây nhiễu kênh khác nhận số cao kênh gây nhiễu 3.3 Đo mức phân tập nhiễu (IDM) Bởi phân tập nhiễu quan trọng hệ thống OFDMA, nên quan trọng việc xác định lượng phân tập nhiễu tình khác Ý tưởng dựa phương pháp với1 kênh tham chiếu tế bào có nhiều kênh góp phần gây nhiễu từ tế bào kênh bên cạnh, phân tập nhiễu tốt hơn trường hợp có số kênh góp phần gây nhiễu Phân tập nhiễu đo cho kênh tham chiếu tế bào Các thông số sau đưa vào để thiết kế phép đo: - Số lượng kênh gây nhiễu kênh tham chiếu tế bào tham chiếu - Sự phân tán sóng mang từ kênh gây nhiễu kênh đối chiếu tế bào đối chiếu Xem xét mục tiêu sau đưa vào để thiết kế phép đo: - Phân tập nhiễu kênh mang đối chiếu xác định số đo x={x | ≤ x ≤ 1} - Phân tập nhiễu tốt đạt x=1 - Phân tập nhiễu tồi đạt x=0 - Nếu ≤ x < x ≤ 1, x cho thấy phân tập nhiễu tốt so với x - Phân tập nhiễu tốt kỳ vọng tất kênh trong cell góp phần gây nhiễu tới kênh tham chiếu tế bào đối chiếu - Phân tập nhiễu tồi kênh sóng mang góp phần gây nhiễu đến kênh đối chiếu tế bào đối chiếu - Số lượng kênh góp phần gây nhiễu số mức phân tập nhiễu Số lớn kênh nhiễu thị phân tập nhiễu tốt ngược lại 43 - Một số lớn sóng mang gây giao thoa từ kênh làm giảm số đo phân tập Các bước sau dùng để có thước đo phân tập đề nghị: - Cho m tổng số kênh sector (cung) tế bào đối chiếu - Cho n tổng số kênh tế bào đối chiếu - Cho ngưỡng số sóng mang mà lớn nó, đóng góp từ sóng mang gây nhiễu kênh gây nhiễu tới kênh đối chiếu không xem xét - Xác định số sóng mang gây nhiễu từ kênh tế bào kênh vùng lân cận hướng tới kênh đối chiếu tế bào đối chiếu - Cho count số kênh mà từ số sóng mang gây nhiễu với ngưỡng - Giá trị x kênh đối chiếu tế bào đối chiếu gọi count/n Giá trị ngưỡng chọn cho thí nghiệm n/2 Việc chọn lựa giá trị ngưỡng chủ quan thiết lập hợp lý kênh gây nhiễu xem xét để nguồn nhiễu chiếm trội 3.4 iải pháp cải tiến Mục tiêu tạo phương pháp để tạo nên kênh cho cải thiện phân tập nhiễu (IDM) so sánh với tiêu chuẩn 802.16e Cụ thể, phương pháp đề xuất [6] dùng thuật toán xáo trộn Sattolo để hốn vị số sóng mang vật lý Cho SI tập hợp số sóng mang liệu vật lý sử dụng tiêu chuẩn WiMAX Đối với sơ đồ đề xuất tập SI dùng để gắn vào sóng mang liệu vật lý xác định hốn vị khác Một ví dụ hoán vị số sử dụng thuật xáo trộn Satto lo minh họa Bảng 3.3 Phạm vi Ngẫu nhiên 1-5 1-4 1-3 1-2 Trao đổi/Kết 12345/ 1254/3 425/13 45/213 5/4213 Bảng 3.3: Phạm vi ngẫu nhiên 44 “Random” số ngẫu nhiên tạo Đối với trường hợp này, phát số ngẫu nhiên sử dụng Mersenne Twister (MT19937), phát số ngẫu nhiên phân bố Các phát tuyến tính phức tạp dùng để tạo chu kỳ đầy đủ trình tự ngẫu nhiên giả Tuy nhiên, chất lượng số ngẫu nhiên tạo mà thuật tốn sinh số ngẫu nhiên ‘tố t’ có tên MT19937 sử dụng MT19937 vượt qua thử nghiệm tính ngẫu nhiên Diehard thử nghiệm NIST Việc lựa chọn xáo trộn Sattolo theo yêu cầu phải tạo hoán vị dãy giả ngẫu nhiên khoảng thời gian mong muốn Sử dụng thuật toán ngẫu nhiên để tạo 32 số sóng mang vật lý 360 dãy ≤ số sóng mang