Nghiên cứu kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO MẠNG TẾ BÀO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG MÃ SỐ : NGUYỄN TRUNG KIÊN Người hướng dẫn khoa học: GS.TS TRẦN ĐỨC HÂN TS NGUYỄN VĂN ĐỨC Hµ néi - 2005 Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Đức Hân, TS Nguyễn Văn Đức, hai người thầy đồng thời giáo viên hướng dẫn trực tiếp tôi, người ln tận tình bảo, dạy dỗ mặt chun mơn, động viên khích lệ mặt tinh thần cho tơi hồn thành luận văn Tơi muốn nói lời cảm ơn với bố mẹ, em gái, bạn gái, gia đình người thân tơi Mọi người theo sát, ủng hộ, động viên tơi q trình học tập làm tốt nghiệp cao học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, cô, Khoa Điện Tử Viễn Thông, Khoa Sau đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi trực học suốt năm vừa qua, quan tâm dậy dỗ, ủng hộ, tạo điều kiện giúp đỡ Cuối cùng, xin gửi lời cám ơn tới tất bạn bè, đồng nghiệp quan tâm, góp ý, … để tơi hoàn thành tốt luận văn Xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2005 Nguyễn Trung Kiên Nguyễn Trung Kiên Giới thiệu -i- GIỚI THIỆU Kỹ thuật điều chế phân kênh theo tần số trực giao OFDM ngày khẳng định ưu vượt trội so với phương pháp điều chế đơn sóng mang truyền thống thơng tin băng rộng Tuy nhiên, hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng, mà điển hệ thống WiMAX, HiperLAN, hệ thống thơng tin di động 4G, khơng địi hỏi cơng nghệ điều chế tiến tiến mà cịn u cầu thuật toán cấp phát kênh mới, tối ưu thay cho thuật toán cấp phát kênh tĩnh truyền thống Kỹ thuật cấp phát kênh động DCA kết hợp với OFDM tạo nên sức mạnh cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng Ngày nay, giới nhà khoa học tập trung nghiên cứu để tìm thuật tốn cấp phát kênh tối ưu nhất, nhằm sử dụng tối đa phổ tần sổ hệ thống truy nhập vô tuyến Đề tài tốt nghiệp cao học: “Nghiên cứu kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng tế bào sử dụng cơng nghệ OFDM” trình bày nét công nghệ OFDM, kỹ thuật cấp phát kênh sử dụng thông tin vô tuyến, đó có kỹ thuật cấp phát kênh động Ngoài ra, luận văn đề cập đến hệ thống WiMAX, hệ thống ứng dụng mạnh mẽ hai kỹ thuật Phần quan trọng đồ án phần dành để giới thiệu thuật toán cấp phát kênh động mới, thuật toán cấp phát kênh động phân tán dựa tín hiệu bận, qua kết mô hệ thống WiMAX chứng minh ưu điểm thuật toán Nội dung đồ án chia làm bốn chương: Chương trình bày đặc điểm kỹ thuật, nguyên lý hệ thống OFDM; Chương đề cập đến kỹ thuật cấp phát kênh hệ thống thông tin vô tuyến; Chương giới thiệu hệ thống WiMAX, đặc điểm kỹ thuật liên quan Chương 4, chúng tơi giới thiệu thuật tốn cấp phát kênh động dựa tín hiệu bận thực mơ hệ thống sử dụng OFDM, hệ thống WiMAX Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Mục lục -i- MỤC LỤC GIỚI THIỆU i MỤC LỤC .i DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG OFDM VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG OFDM 1.2.1 Định nghĩa hệ thống OFDM 1.2.2 Các đặc điểm hệ thống OFDM .2 1.2.3 Cấu trúc chức hệ thống OFDM 1.2.4 Một số hệ thống sử dụng OFDM 1.3 NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM .10 1.3.1 Khái niệm toán học 10 1.3.2 Điều chế đa sóng mang nguyên tắc trực giao 12 1.3.3 Xử lý tương tự tín hiệu OFDM 21 1.3.4 Xử lý tín hiệu số OFDM .25 1.4 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HỆ THỐNG OFDM 32 1.4.1 Nhiễu giao thoa ký tự ISI sóng mang ICI 32 1.4.2 Ảnh hưởng số lượng sóng mang khoảng thời gian bảo vệ .33 1.4.3 Cửa sổ công suất 36 1.4.4 Vấn đề công suất đỉnh .37 1.4.5 Các kỹ thuật giảm PARP : 37 1.5 KẾT LUẬN 38 Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Mục lục - ii - CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 39 2.1 GIỚI THIỆU 39 2.2 TỔNG QUAN VỀ CẤP PHÁT KÊNH .39 2.3 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH .42 2.3.1 Ma trận cấp phát kênh .42 2.3.2 Cấp phát kênh Phân tán - Không thực đo 45 2.3.3 Cấp phát kênh Tập trung - Không thực đo 51 2.3.4 Cấp phát kênh Phân tán - Có thực đo 60 2.3.5 Cấp phát kênh Tập trung - Có thực đo .71 2.4 KẾT LUẬN 75 CHƯƠNG 3: NHỮNG ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG WIMAX 76 3.1 GIỚI THIỆU 76 3.2 MÔ TẢ HỆ THỐNG WIMAX 76 3.2.1 Giới thiệu chung hệ thống 76 3.2.2 Dịch vụ mạng WiMAX .78 3.3 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG CỦA HỆ THỐNG WIMAX 80 3.4 ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA WIMAX 83 3.4.1 OFDM .83 3.4.2 Kênh hoá dải tần số 84 3.4.3 Anten cho ứng dụng vô tuyến cố định 85 3.4.4 Phân tập thu phát 85 3.4.5 Điều chế thích nghi 86 3.4.6 Các kỹ thuật sửa lỗi trước 86 3.4.7 Điều khiển công suất 87 3.5 KẾT LUẬN 87 Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Mục lục - iii - CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN MƠ PHỎNG THUẬT TỐN CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG TRÊN HỆ THỐNG WIMAX 88 4.1 GIỚI THIỆU 88 4.2 MÔ PHỎNG KÊNH VÔ TUYẾN 88 4.2.1 Bài tốn kênh vơ tuyến .89 4.2.2 Kết mô kênh vô tuyến .91 4.2.3 Nhận xét kết mô 92 4.3 THUẬT TOÁN CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG 92 4.3.1 Giới thiệu thuật toán 92 4.3.2 Ấn định khe thời gian phân tán sử dụng tín hiệu bận .95 4.3.3 Cấp phát kênh dựa công suất nhiễu thu 99 4.3.4 Mơ hình hệ thống 100 4.3.5 Kết mô 101 4.3.6 Nhận xét kết mô 103 4.4 KẾT LUẬN 104 KẾT LUẬN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC 108 PHỤ LỤC A – CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG KÊNH VÔ TUYẾN 108 PHỤ LỤC B - MỘT SỐ HÀM QUAN TRỌNG TRONG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG THUẬT TOÁN DCA 112 Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Danh mục hình vẽ - iv - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 : Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình Hình 1-2 Nhiễu giao thoa ký tự (ISI) kênh truyền .14 Hình 1-3 Sơ đồ khối chức phía phát hệ thống đa sóng mang .15 Hình 1-4 Sơ đồ khối chức phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang .16 Hình 1-5 Phổ số kênh điều chế đa sóng mang 16 Hình 1-6 Minh họa tập sóng mang trực giao chu kỳ tín hiệu 17 Hình 1-7 Nguyên tắc điều chế OFDM 18 Hình 1-8 Mật độ phổ lượng tín hiệu OFDM 19 Hình 1-9 (a) Biên độ phổ tín hiệu kênh 19 Hình 1-10 Đoạn bảo vệ ký tự OFDM .20 Hình 1-11 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM với N sóng mang .22 Hình 1-12 So sánh sơ đồ khối chức phía phát điều chế OFDM vơi hai phương pháp xử lý tín hiệu 28 Hình 1-13 Đoạn bảo vệ chặn trước với chiều dài μ .29 Hình 1-14 Vịng bảo vệ chặn trước xử lý số .31 Hình 1-15 Các sóng mang trực giao miền tần số 32 Hình 1-16 Lược đồ chùm tín hiệu 16QAM hệ thống OFDM 64 sóng mang với trễ truyền nhỏ thời gian bảo vệ không triển khai cân máy thu .34 Hình 1-17 Lược đồ mã hố tín hiệu .35 Hình 1-18 Lược đồ mã hố tín hiệu .35 Hình 1-19 Cửa sổ cơng suất 36 Hình 2-1 Ví dụ mạng tế bào với cell với giải pháp cấp phát kênh 41 Hình 2-2 Ma trận cấp phát kênh 44 Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Danh mục hình vẽ -v- Hình 2-3 Cấp phát kênh mạng có phân bố lưu lượng thống .47 Hình 2-4 Các cell mơ hình phân chia tái sử dụng 48 Hình 2-5 Sắp xếp khe thời gian SRA 50 Hình 2-6 Nghẽn gọi b2 52 Hình 2-7 Những cell nằm tầm ảnh hưởng NI(bj) cell đồng kênh gần bj, NCo(bj) 54 Hình 2-8 Microcell Macrocell hệ thống tế bào phân cấp 73 Hình 2-9 Sắp xếp khe thời gian ESRA cell 74 Hình 3-1 Mơ hình hệ thống WiMAX 77 Hình 3-2 Triển khai dịch vụ hệ thống WiMAX 79 Hình 3-3 Mơi trưịng truyền sóng LOS 80 Hình 3-4 Mơi trường truyền sóng NLOS 81 Hình 3-5 Vị trị lắp đặt CPE mơi trường NLOS .82 Hình 3-6 Sóng mang đơn kênh sóng mang OFDM 84 Hình 3-7 Kênh hố dải tần 85 Hình 3-8 Kỹ thuật điều chế bán kinh cell 86 Hình 4-1 SER hệ thống WiMAX trường hợp có khơng có khoảng bảo vệ 91 Hình 4-2 SER hệ thống WiMAX trường hợp kênh biến đổi không biến đổi theo thời gian 91 Hình 4-3 Nhiễu đa truy nhập 93 Hình 4-4 Lưu đồ thuật toán DCA phân tán 94 Hình 4-5 Hệ thống WiMAX với hệ số tái sử dụng 100% 95 Hình 4-6 Cấu trúc khe thời gian cho mạng OFDM/TDMA TDD 96 Hình 4-7 Cơng suất tín hiệu bận thu 96 Hình 4-8 Nhiễu đa truy nhập hệ thống WiMAX 97 Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Danh mục hình vẽ - vi - Hình 4-9 Cấu trúc khung phía phát phía thu sử dụng busy tone 98 Hình 4-10 Thông lượng hệ thống với mức lưu lượng tải (mức ngưỡng Ithr = - 60 dBm 101 Hình 4-11 Thơng lượng hệ thống với mức lưu lượng tải (mức ngưỡng Ithr = - 70 dBm 102 Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Danh mục bảng - vii - DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB Bảng 1.2 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DVB-T Bảng 1.3 So sánh số tham số kỹ thuật chuẩn 802 HiperLAN Bảng 1.4 Một số tham số vật lý HiperLAN 802.11a .9 Bảng 4.1 Tham số kênh đa đường 89 Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Phụ lục - 113 for NumberOfMs = 5:10:45; % Number of OFDM symbols in a frame % vary the number of mobile station which will access the network % this equals to variation of the offered load initial_time = 1.1; % initial time should not be zero ArrivalTime physical slot = 1; % set the first arrival time to be the first SubcarriersForTx = ones(1,NFFT); % initial values OfferedLoad = 0; % initial value setup_trafficmodel; ObservedTime_inOFDMSymbols max(MSInfor(:,5)); % ObservedTime in OFDM symbols = MSInfor(NumberOfMs,4)+ NumberFrame = ceil(ObservedTime_inOFDMSymbols/FrameLength); % Number of frame Transmitted_BS_BusyTone = zeros(NumberOfBs,NumberFrame*(NFFT+G)); Transmitted_MS_BusyTone = zeros(NumberOfMs,NumberFrame*(NFFT+G)); Transmitted_BS_BusyTone_FCA = zeros(NumberOfBs,NumberFrame*(NFFT+G)); Transmitted_MS_BusyTone_FCA = zeros(NumberOfMs,NumberFrame*(NFFT+G)); Interference_BS = zeros(NumberOfBs,NumberFrame); Interference_MS = zeros(NumberOfMs,NumberFrame); % % channel assignement for the first MS % channel_assignment_for_firstMS; % % channel assignement for the second MS % channel_assignment_up2ms; %channel_assignment_for_otherMS; %Iterference_vs_FL = [Iterference_vs_FL, Iterference_total]; LiveTime = MSInfor(:,4) + MSInfor(:,5); L = max(LiveTime); clear SubcarriersForTx; OfferedL = [OfferedL,OfferedLoad/L]; ThroughP = [ThroughP, Throughput/L]; Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Phụ lục - 114 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 results based on increasing of offered load [B,IX] = sort(OfferedL); N = length(OfferedL); ThroughP_AfterArranged = []; ThroughP_AfterArranged_FCA = []; for l = 1:N ThroughP_AfterArranged =[ThroughP_AfterArranged,ThroughP(IX(l))]; ThroughP_AfterArranged_FCA =[ThroughP_AfterArranged_FCA,ThroughP_FCA(IX(l))]; end; % plot the results save ofdmws_data45_a2_i_12.mat ThroughP_AfterArranged_FCA; B ThroughP_AfterArranged 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('Receiver interference based time-slot allocation','Transmitter interference based time-slot allocation'); title('The threshold I_{thr} = -160 dBm'); factor = ThroughP_AfterArranged /B; grid on; hold off; Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Phụ lục - 115 % % Cac ham chuc nang % function [h,t_next] initial_time,number_of_summations, channel_coefficients) = MCM_channel_model(u, symbol_duration, f_dmax, 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 % G: guard length % function [y] = OFDM_Modulator(data,NFFT,G); chnr = length(data); N = NFFT; x = [data,zeros(1,NFFT - chnr)]; %Zero padding Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Phụ lục - 116 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 lognormal distribution g = A +10*nu*log10(d/d_0) * randn(1))/20)); % a random variable with + s; g = -g; channel_gain = 10^(g/10); %======================================================= % Setup traffic model %======================================================= 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)); Nguyễn Trung Kiên Luận văn thạc sỹ Phụ lục - 117 d_min = min(d); % seek a nearest basic station BS_index = find(d==d_min); % find the corresponding BS index MSInfor = [MSInfor; BS_index, HoldingTime_inOFDM_Symbols(n)]; d_min, TxorRx, ArrivalTime, % 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 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); Nguyễn Trung Kiên = Luận văn thạc sỹ Phụ lục - 118 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 % % 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)