Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM

Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Nguyễn thu hà Bộ Giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoA hà nội Luận văn Thạc sĩ khoa học điện tử viễn thông Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ ofdm Nguyễn thu hà 2003-2005 Hµ Néi 2005 Hµ Néi -2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CẤP KÊNH TĨNH VÀ CẤP KÊNH ĐỘNG CHO MẠNG TẾ BÀO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM NGÀNH: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG MÃ SỐ: NGUYỄN THU HÀ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS TRẦN ĐỨC HÂN HÀ NỘI -2005 - LỜI CẢM ƠN! Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất thầy trường Đại học Bách khoa Hà Nội dìu dắt em suốt thời gian theo học trường Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt Thầy Trần Đức Hân người trực tiếp hướng dẫn tốt nghiệp đơn đốc, bảo tận tình cho em suốt trình học tập thời gian làm luận văn tốt nghiệp Đồng thời, em xin cảm ơn tất bạn bè, đặc biệt Thầy Nguyễn Văn Đức có ý kiến đóng góp, giúp đỡ em để em thực tốt luận văn Tuy nhiên, nhiều hạn chế mặt thời gian kiến thức nên luận văn em tránh khỏi thiếu sót Em mong thầy giáo, bạn bè đồng nhận xét, góp ý cho em để em hồn thiện luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày….tháng 10 năm 2005 Học viên Nguyễn Thu Hà - CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line AMPS Advanced Mobile Phone Service ANSI America National Standards Institute ATM Asynchronous Tranfer Mode BER Bit Error Ratio BLER Block Error Ratio BPSK Birary Phase Shitf Keying BS Base Station CS Channel Segregation - DCA CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/CA CT2 2nd Generation Cordless Phone DAB Digital Audio Broadcasting DCA Dynamic Channel Allocation DCA-LSWO DCA using Limited Search with Weight Ordering DCA-WCAR DCA with Weight Carrier Ordering DCA-WCHN DCA with Weighted Channel Ordering DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications DFT Discrete Fourier Tranform DSP Digital Signal Processing DVB Digital Video Broadcasting DVB-C Digital Audio Broadcasting Cable DVB-S Digital Audio Broadcasting Sateline DVB-T Digital Audio Broadcasting ETSI European Telecomunications Standards Institute FA First Available DCA using interference power threshold FA-SIR First Available DCA using SIR threshold FCA Fixed Channel Allocation FDD Frequency Division Duplex FDM Frequency Division Multiplexing FDMA Frequency Division Multiple Accesss FFT Fast Fourier Tranform FIC Fast Imformation Channel FIR Finite Impulse Response Filter GSM Global Systems for Mobile Telecommunication HCA Hybrid Channel Allocation HDR High Data Rate HF High Fryquency HIPERLAN High Performance radio LAN HNN Hopfield Neural Network HTA Highest Interference below Threshold Algorithm ICI Inter-Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Tranform IEEE Institute Electrical and Electronic Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Tranform IP Internet Protocol ISI Inter Symbol Interference ITM International Mobile Telecommunication ITU International Telecommunication Union ITU-R International Telecommunication Union-Radio LAN Local Area Network LCA Lowest Channel below Threshold Algorithm LI DCA using the Least Interfered method LTA Lowest Interference below Threshold Algorithm MAC Media Access Cotroll MC-CDMA Muticarrier-Code Division Multiplex Access MIA Marginal Interference Algorithm MPEG2 Moving Picture Experts Group type MS Mobile Station MSC Main Service Channel OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAM Pulse Amplitude Modulation PDC Personal Digital Cellular PRBS Pseudo Random Binary Sequence PSK Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequency RND DCA using Random Channel Allocation SIR Signal to Interference Ratio SNR Signal to Noise Ratio SRA Staggered Resource Allocation TDD Time Division Duplex TDMA Time Division Multiple Accesss TDMA/DSA Time Division Multiple Access with Dynamic Slot Assignment VDSL Very High Digital Subcriber Line Mục lục =================================================================== MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM 1.1.1 Mở đầu 1.1.2 Đa sóng mang 1.1.3 Sóng mang trực giao 13 1.1.4 Cơ sở phương pháp OFDM 14 1.1.5 Đặc điểm OFDM 19 1.1.6 Tổ chức kênh OFDM 22 1.1.7 So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang 26 1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 28 1.3 Một số hệ thống ứng dụng OFDM 31 1.3.1 Phát quảng bá số (DAB) 31 1.3.2 Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) 34 1.3.3 Wireless LAN 36 CHƯƠNG 2: MA TRẬN CẤP PHÁT KÊNH 39 2.1 Vấn đề chuyển giao 39 2.2 Ma trận cấp phát kênh 41 2.2.1 Phân tán không thực đo 44 2.2.2 Tập trung không thực đo 47 2.2.3 Phân tán có thực đo 48 2.2.4 Tập trung có thực đo 50 CHƯƠNG 3: SO SÁNH CẤP KÊNH TĨNH VÀ CẤP KÊNH ĐỘNG 52 3.1 Vấn đề cấp phát kênh di động 52 3.2 Cấp phát kênh tĩnh FCA 55 3.2.1 Các thuật toán dùng cấp phát kênh tĩnh 58 3.2.2 Cấp phát kênh tĩnh mức cao 65 3.3 Cấp phát kênh động DCA 66 3.3.1 DCA dựa mức ngưỡng 67 3.3.2 DCA sở quyền ưu tiên 70 3.3.3 Cấp kênh động cho mạng tổ ong phụ thuộc tải 74 Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 Mục lục =================================================================== 3.3.4 DCA sở ma trận cấp kênh 79 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SO SÁNH DCA VÀ FCA CHO MẠNG OFDM/TDD CELLULLAR 81 4.1 Mô tả hệ thống cellular 81 4.2 Mơ tả thuật tốn 83 4.3 Các kết mô 90 4.4 Kết luận 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 Danh mục hình vẽ =================================================================== DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Nhiễu giao thoa ký tự (ISI) kênh truyền 10 Hình 1-2 Sơ đồ khối chức phía phát hệ thống đa sóng mang 10 Hình 1-3 Sơ đồ khối chức phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang 11 Hình 1-4 Phổ tần số kênh điều chế đa sóng mang 12 Hình 1-5 Các sóng mang trực giao 13 Hình 1-6 Biểu diễn sóng mang com 13 Hình 1-7 Phổ mật độ cơng suất 15 Hình 1-8 Phổ biên độ sóng mang có tần số trực giao 16 Hình 1-9 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM) 17 Hình 1-10 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống OFDM 19 Hình 1-11 Đáp ứng tần số kênh đa đường 20 Hình 1-12 Tín hiệu phản xạ khoảng bảo vệ 21 Hình 1-13 Phân chia kênh OFDM 23 Hình 1-14 Sắp xếp sóng mang phụ 23 Hình 1-15 Chèn khoảng bảo vệ 24 Hình 1-16 Các sóng mang đồng 25 Hình 1-17 Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình 29 Hình 1-18 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB 32 Hình 1-19 Sơ đồ khối máy thu DAB 33 Hình 1-20 Khối OFDM hệ thống DVB-T 35 Hình 2-1 Microcell Marcocell hệ thống mạng tổ ong phân lớp 41 Hình 2-2 Ma trận cấp phát kênh 43 Hình 2-3 Cấp kênh mạng có phân bố lưu lượng đồng 46 Hình 3-1 Các phương pháp cấp kênh 53 Hình 3-2 Sơ đồ biểu diễn nơron thứ i 58 Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 Danh mục hình vẽ =================================================================== Hình 3-3 Mạng HNN (điểm chấm đen biểu diễn điểm kết nối) 59 Hình 3-4: Quá trình thuật toán Genetic 60 Hình 3-5 Quá trình Sàng lọc 61 Hình 3-6 Biểu diễn chuỗi s cá thể 62 Hình 3-7 Lựa chọn Roulette Wheel – kích thước section tỷ lệ với hàm phù hợp ( s2) 62 Hình 3-8 Sắp xếp khe thời gian-TS SRA (các số xác định số TS) 64 Hình 3-9 Thơng lượng trung bình cho cell 76 Hình 3-10 Thơng lượng trung bình dùng DCA % lưu lượng đầu vào 77 Hình 3-11 Mật độ xác suất sử dụng kênh cell, DCA 78 Hình 4-1 Quá trình điều chế OFDM theo mô 82 Hình 4-2 Nhiễu đồng kênh mạng OFDM/TDD, hệ số sử dụng lại f 100% 84 Hình 4-3 Khái niệm DCA phân bổ cho mạng OFDM/TDD hệ số sử dụng lại f 100% 84 Hình 4-4 Cấu trúc khung MAC BS MS chế độ phát 86 Hình 4-5 Cấu trúc khung MAC BS MS chế độ thu 86 Hình 4-6 Sơ đồ khối thuật toán DCA kiến nghị cho mạng OFDM/TDD 88 Hình 4-7 Thơng lượng hệ thống theo lượng tải trung bình 91 Hình 4-8: Thơng lượng hệ thống theo lượng tải trung bình 92 Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 109 Phụ lục =================================================================== clear SubcarriersForTx; OfferedL = [OfferedL,OfferedLoad/L]; ThroughP = [ThroughP, Throughput/L]; ThroughP_FCA = [ThroughP_FCA, Throughput_FCA/L]; end; OfferedLA = [OfferedLA;OfferedL]; ThroughPA = [ThroughPA;ThroughP]; ThroughPA_FCA = [ThroughPA_FCA;ThroughP_FCA]; end; OfferedL = sum(OfferedLA)/NumberofAverage; ThroughP = sum(ThroughPA)/NumberofAverage; ThroughP_FCA = sum(ThroughPA_FCA)/NumberofAverage; % present result based on increasing of offered load [B,IX] = sort(OfferedL); N = length(OfferedL); ThroughP_AfterArranged = []; ThroughP_AfterArranged_FCA = []; for i = 1:N ThroughP_AfterArranged =[ThroughP_AfterArranged,ThroughP(IX(i))]; ThroughP_AfterArranged_FCA =[ThroughP_AfterArranged_FCA,ThroughP_FCA(IX(i))]; end; plot(B,ThroughP_AfterArranged,'o-'); hold on; plot(B,ThroughP_AfterArranged_FCA,'r*-'); xlabel('Average offered Load (bits/ physical slot)'); ylabel('Average throughput (bits/ physical slot)'); legend('DCA','FCA'); factor = ThroughP_AfterArranged /B; grid on; Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 110 Phụ lục =================================================================== hold off; % % Cac ham chuc nang % function [h,t_next] = MCM_channel_model(u, initial_time,number_of_summations, symbol_duration, f_dmax, channel_coefficients) t = initial_time; Channel_Length = length(channel_coefficients); h_vector = []; for k=1:Channel_Length; u_k = u(k,:); % A random variable phi = * pi * u_k; % Phase coefficients are created f_d = f_dmax * sin(2*pi*u_k); % Doppler frequency after Monte Carlo method is created h_tem= channel_coefficients(k)* 1/(sqrt(number_of_summations)) * sum(exp(j*phi).*exp(j*2*pi*f_d*t)); h_vector = [h_vector, h_tem]; end; h = h_vector; t_next = initial_time + symbol_duration; %Coherent time for the next symbol % -% OFDM demodulator % NFFT: FFT length % chnr: number of subcarrier % G: guard length % N_P: channel impulse response length % -function [y] = OFDM_Demodulator(data,chnr,NFFT,G); x_remove_guard_interval = [data(G+1:NFFT+G)]; % insert the guard interval x_remove_guard_interval = x_remove_guard_interval * sqrt(NFFT); x = fft(x_remove_guard_interval); y = x(1:chnr); %Zero removing % -% OFDM modulator % NFFT: FFT length % chnr: number of subcarrier Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 111 Phụ lục =================================================================== % G: guard length % function [y] = OFDM_Modulator(data,NFFT,G); chnr = length(data); N = NFFT; x = [data,zeros(1,NFFT - chnr)]; %Zero padding a = ifft(x) * 1/sqrt(NFFT); % fft y = [a(NFFT-G+1:NFFT),a]; % insert the guard interval %============================================== % Pathloss model %============================================== function [channel_gain] =pathloss_model(d); % d is the distance %sigma = 10^(6/10); %g = 10 + 10 * log10(d) + log10(10^((sigma * randn(1))/20)); d_0 = 100; d = 150; nu = 4.6 - 0.0075*80 + 12.6/80; lamda = 3e+8/(3.5e+9); A = 20*log10(4*pi*d_0/lamda); sigma = 10^(10/10); s = 10*log10(10^((sigma * randn(1))/20)); % a random variable with lognormal distribution g = A +10*nu*log10(d/d_0) + s; g = -g; channel_gain = 10^(g/10); %======================================================= % Setup traffic model %======================================================= Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 112 Phụ lục =================================================================== Ms_x = ((rand(1,NumberOfMs)-0.5)*2)*x_max; % location of MSs, uniform distribution Ms_y = ((rand(1,NumberOfMs)-0.5)*2)*y_max; Ms_Location = Ms_x + j*Ms_y; InterarrivalTime = exprnd(AverageInterarrivalTime,1,NumberOfMs); % exponential distribution HoldingTime = exprnd(AverageHoldingTime,1,NumberOfMs); InterarrivalTime_inOFDM_Symbols = ceil(InterarrivalTime/T_S); HoldingTime_inOFDM_Symbols = ceil(HoldingTime/T_S); MSInfor=[]; % Information matrix of MSs for n=1:NumberOfMs TxorRx = round((rand(1))); % if Rx, if Tx d = (abs(Ms_Location(n)-Bs_Location)); d_min = min(d); % seek a nearest basic station BS_index = find(d==d_min); % find the corresponding BS index MSInfor = [MSInfor; BS_index, d_min, TxorRx, ArrivalTime, HoldingTime_inOFDM_Symbols(n)]; % a matrix of information of BSs ArrivalTime = ArrivalTime + InterarrivalTime_inOFDM_Symbols(n); OfferedLoad = OfferedLoad + HoldingTime_inOFDM_Symbols(n) * NFFT * M_ary; %calculate OfferedLoad in bits end; MS2MS = []; for n=1:NumberOfMs u_ms = []; for n=1:NumberOfMs u = rand(N_P,number_of_summations); u_ms = [u_ms, u]; end; MS2MS = [MS2MS;u_ms]; end; MS2BS = []; for n=1:NumberOfMs Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 113 Phụ lục =================================================================== u_bs = []; for n=1:NumberOfBs u = rand(N_P,number_of_summations); u_bs = [u_bs, u]; end; MS2BS = [MS2BS;u_bs]; end; BS2BS = []; for n=1:NumberOfBs u_bs = []; for n=1:NumberOfBs u = rand(N_P,number_of_summations); u_bs = [u_bs, u]; end; BS2BS = [BS2BS;u_bs]; end; %save setupMS10.mat MS2MS MS2BS MSInfor Ms_Location HoldingTime InterarrivalTime Ms_x Ms_y InterarrivalTime_inOFDM_Symbols HoldingTime_inOFDM_Symbols; clear u; clear ArrivalTime; clear TxorRx; clear d; clear d_min; clear BS_index; % ======================================= % Transmit bysy tone % ======================================== function [transmitted_busy_tone] = transmitting_busytone(SubcarriersForRx,NFFT,G); NFFT = length(SubcarriersForRx); insert_busy_tone = []; for n=1:NFFT; if (SubcarriersForRx(n)==0) insert_busy_tone = [insert_busy_tone,0.0]; else %insert_busy_tone = [insert_busy_tone,1.0*exp(j*2*pi*rand(1))]; insert_busy_tone = [insert_busy_tone,1.0]; end; end; transmitted_busy_tone = OFDM_Modulator(insert_busy_tone,NFFT,G); % % channel assignment for first MS % - Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003 114 Phụ lục =================================================================== % The last frame of the first MS EndingFrameForMs1 = floor(HoldingTime_inOFDM_Symbols(1)/FrameLength); count = 0; % Count from the first Physical Slot (PS) in which the first MS is active Throughput = 0; Throughput_FCA = 0; SubcarriersForTx_Matrix = []; SubcarriersForTx_Matrix_FCA = []; for i= 1:EndingFrameForMs1 if MSInfor(1,3)==1 % MS is in transmitting mode % transmitt data from the current MS to the corresponding BS in all subcarriers % transmitt busy tone from corresponding BS for k=1:FrameLength; % after one frame, the busy tone will be transmitted count = count +1; if (MSInfor(1,4)