Nghiên cứu về hệ thống mimo OFDM và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ĐỨC ANH HOÀNG ĐỨC ANH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG MIMO-OFDM VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG 2014B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ĐỨC ANH NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG MIMO-OFDM VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Ts.Nguyễn Quốc Khương Hà Nội – Năm 2017 MỤC LỤC *** LỜI CAM ĐOAN i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC HÌNH VẼ v LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Mơ hình hệ thống thu phát vơ tuyến 1.3 Phân loại mơ hình hệ thống vơ tuyến 1.3.1 Mơ hình hệ thống SISO 1.3.2 Mơ hình hệ thống SIMO 1.3.3 Mơ hình hệ thống MISO 1.3.4 Mơ hình hệ thốngMIMO 1.3.5 Kỹ thuật phân tập 1.4 Kết luận chương 15 CHƯƠNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 16 2.1 Giới thiệu chương 16 2.2 Hệ thống OFDM 16 2.2.1 Sơ đồ hệ thống nguyên lý OFDM 16 2.2.2 Ứng dụng kỹ thuật OFDM Việt Nam 19 2.2.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) 20 2.2.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 20 2.2.5 Sự trực giao (Orthogonal) 21 2.2.6 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT kĩ thuật OFDM 22 2.2.7 Các kỹ thuật điều chế OFDM 25 2.2.8 Các đặc tính OFDM 31 2.3 Hệ thống MIMO-OFDM 32 2.3.1 Tổng quan hệ thống MIMO-OFDM 32 2.3.2 MIMO-OFDM phía phát 34 2.3.3 MIMO-OFDM phía thu 34 2.3.4 Kỹ thuật ước lượng kênh hệ thống MIMO-OFDM 35 2.3.5 Ưu nhược điểm hệ thống MIMO-OFDM 37 2.4 Mã hố khơng gian thời gian 38 2.4.1 Mã khối không gian – thời gian (STBC) 38 2.4.2 Mã lưới không gian – thời gian (STTC) 42 2.4.3 Mã lớp không gian – thời gian (V-Blast) 46 2.5 Kết luận chương 58 CHƯƠNG ỨNG DỤNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM TRONG MẠNG DI ĐỘNG 4G-LTE .59 3.1 Tổng quan mạng di động 4G-LTE 59 3.1.1 Giới thiệu công nghệ LTE 59 3.1.2 Những đặc điểm bật mạng di động 4G-LTE 60 3.2 Hệ thống MIMO-OFDM LTE hướng xuống 62 3.2.1 Sơ đồ tổng quát 62 3.2.2 Cấu trúc khung liệu(Frame) 63 3.2.3 Lưới tài nguyên (Resource grid) 64 3.2.4 Điều chế (Modulation) 65 3.2.5 Ánh xạ lớp (Layer mapping) 66 3.2.6 Precoding cho phân tập phát 68 3.2.7 Ánh xạ liệu lên lưới tài nguyên 69 3.2.8 Zero padding 71 3.2.9 FFT/IFFT 72 3.2.10 Chèn khoảng bảo vệ 72 3.2.11 MimoEqualizer sử dụng thuật toán SFD 73 3.3 Kết luận chương 74 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÌM HIỀU, ĐO KIỂM, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TRẠM PHÁT SÓNG 4G-LTE (eNodeB) CỦA VIETTEL 75 4.1 Mơ hình tổng thể hệ thống 75 4.1.1 Cấu trúc phần cứng eNodeB 75 4.1.2 Cấu trúc phần mềm eNodeB 76 4.2 Quy trình đo kiểm, đánh giá hệ thống eNodeB 77 4.3 Bộ tiêu chuẩn đánh giá hệ thống trạm thu phát 4G-LTE 78 4.4 Chi tiết đo đánh giá 78 4.5 Kết Đo kiểm 80 4.5.1 Với test model 1.1 80 4.5.2 Với test model 3.1 83 4.6 Kết luận chương 86 KẾT LUẬN 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu đưa luận văn dựa kết thu q trình nghiên cứu riêng tơi, không chép kết nghiên cứu tác giả khác Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng số thông tin, tài liệu từ nguồn sách, tạp chí liệt kê danh mục tài liệu tham khảo Hoàng Đức Anh i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT *** STT Từ viết tắt Giải nghĩa tiếng Anh Giải nghĩa tiếng Việt MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa anten phát thu OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao LTE Long Term Evolution Sự tiến hóa lâu dài 4G The fourth Generation of mobile communication Mạng di động hệ thứ GSM Global System for Mobile communications Hệ thống di động toàn cầu CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã STBC Space Time Block Code Mã hóa khối khơng gian-thời gian STTC Space Time Trellis Code Mã không gian thời gian Trellis SFBC Space Frequency Block Code Mã hóa khối không gian-tần số 10 STMLD Space-Time Maximum Likelyhood Decoder Bộ giải mã hợp lẽ tối đa 11 PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số đỉnh – công suất trung bình 12 AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng 13 BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít 14 RMS Root Mean Square Trải trễ trung bình 15 CSI Information of the Channel State Thông tin trạng thái kênh 16 DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ii 17 FCF Frequency Correlation Function Hàm tương quan tần số 18 CCF Cross Corelation Function Hàm tương quan chéo 19 FFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier nhanh 20 GI Guard Interval Khoảng bảo vệ 21 ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang 22 IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược 23 IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược 24 V-BLAST Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time Mã lớp không gian – thời gian iii DANH MỤC BẢNG BIỂU *** Bảng 2.1: Bảng điều chế 25 Bảng 2.2: Pha tín hiệu QPSK 29 Bảng 3.1: Các đặc điểm cơng nghệ LTE .60 Bảng 3.2: bảng ánh xạ băng tân với số resource blocks 65 Bảng 3.3: Ánh xạ kênh vật lý với điều chế 66 Bảng 3.4: ánh xạ codeword tới lớp ghép kênh không gian .67 Bảng 3.5: ánh xạ codeword với lớp phân tập phát 68 Bảng 3.6: ánh xạ băng tần kích thước IFFT 71 Bảng 4.1: Bảng tham số cấu hình hệ thống eNodeB 79 iv DANH MỤC HÌNH VẼ *** Hình 1.1: Mơ hình hệ thống thơng tin số vơ tuyến Hình 1.2: Mơ hình hệ thống SISO .4 Hình 1.3: Mơ hình hệ thống SIMO .4 Hình 1.4: Mơ hình hệ thống MISO .5 Hình 1.5: Mơ hình hệ thống MIMO sử dụng N t anten phát N r anten thu Hình 1.6: N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song Hình 1.7: Mơ hình kết hợp lựa chọn 11 Hình 1.8: Mơ hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp 11 Hình 1.9: Mơ hình phân tập phát vịng đóng 14 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống OFDM 16 Hình 2.2: So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 18 Hình 2.3: Phổ sóng mang OFDM [1] 19 Hình 2.4: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9] 20 Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[1] .20 Hình 2.6: Phổ sóng mang trực giao OFDM 22 Hình 2.7: Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK 27 Hình 2.8: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 29 Hình 2.9: Chùm tín hiệu M-QAM .31 Hình 2.10: Mơ hình tổng quát hệ thống mimo-ofdm .33 Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống mimo-ofdm phía phát .34 Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống mimo-ofdm phía thu .34 Hình 2.13: Cấu trúc ước lượng .35 Hình 2.14: Sơ đồ Alamouti anten phát anten thu 39 Hình 2.15: Các symbol phát thu sơ đồ Alamouti .39 Hình 2.16:: Sơ đồ khối mã lưới STTC 42 Hình 2.17: Sơ đồ mã lưới 43 Hình 2.18: Bợ mã lưới k = 1, K = n = 43 Hình 2.19: Lưới mã sơ đồ trạng thái với k = 1, K = n = 44 v Với scaling scaling | h 00 |2  | h 01 |2  | h10 |2  | h11 |2 (3.19) Trong h00, h01, h10, h11 hệ số kênh truyền  rx0(sc1)    ~  h h h01 h11   rx1(sc1)  out (sym)  H X  H H  * . * * *  out(sym  1)  h  h h h    11 00 10   01   rx0 (sc 2)  *  rx1 (sc 2)  * 00 3.3 * 10 (3.20) Kết luận chương Chương phân tích ứng dụng kỹ thuật MIMO-OFDM mạng di động 4G-LTE Các kỹ thuật trình bày chương kỹ thuật chuẩn hóa áp dụng vào hệ thống trạm thu phát sóng 4G LTE mà trình bày 74 chương KẾT QUẢ TÌM HIỀU, ĐO KIỂM, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TRẠM PHÁT SÓNG 4G-LTE (eNodeB) CỦA VIETTEL CHƯƠNG Hiện nước, tất nhà mạng nói chung Viettel nói riêng, cần triển khai mạng lưới phải nhập thiết bị từ nhà cung cấp nước Đặc biệt, hệ thống trạm thu phát gốc chiếm tỷ lệ đầu tư lớn số thiết bị cần thiết để xây dựng mạng lưới Do đó, việc tự chủ việc sản xuất hệ thống trạm thu phát gốc eNodeB, ý nghĩa xu phát triển chung mang lại lợi ích kinh tế cho Tập đồn, hạn chế phụ thuộc vào công nghệ nguồn cung thiết bị từ bên Trong vài năm trở lại đây, Viettel thực đầu tư vào nghiên cứu để sản xuất thiết bị viễn thơng nói chung hệ thống trạm thu phát gốc 4G – eNodeB nói riêng Trong chương em xin trình bày kết tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống eNodeB kết đo kiểm đánh giá tiêu cần đáp ứng trạm thu phát 4G – eNodeB 4.1 Mơ hình tổng thể hệ thống 4.1.1 Cấu trúc phần cứng eNodeB Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể hệ thống 75 - Cấu trúc phần cứng eNodeB gồm khối là: + Baseband Unit (BBU): ▪ Baseband Processing: Xử lý giao thức lớp vật lý, MAC, RLC, PDCP Và cung cấp giao diện CPRI để giao tiếp với khối Radio Unit ▪ Control & Clock: Có chức điều khiển quản lý Baseband Unit, cung cấp giao diện Ethernnet kết nối eNodeB với mạng core, cung cấp đồng cho hệ thống + Radio Unit (RU): Có chức năng: ▪ ADC/DAC: Chuyển đổi tương tự/số ▪ Up/Down Converter: Nâng tần số tín hiệu baseband lên cao tần, hạ tín hiệu từ cao tần xuống tín hiệu baseband ▪ Khuếch đại cơng suất ▪ Truyền/Nhận tín hiệu từ Antenna + Antenna: thu phát tín hiệu - Ngoài gồm khối Power & Enviroment cung cấp nguồn (-48VDC) chức giám sát môi trường eNodeB 4.1.2 Cấu trúc phần mềm eNodeB eNB SW architecture OAM eNB Common Management Block , SON - eNB Call Control Block GTP S1AP X2AP LAYER SGW PDCP SCTP MME RLC RLC eNB MAC Schedulers MAC LAYER Transport Channel Baseband Processing PHY Channel Baseband Processing Resource Mapping & OFDM/SC-FDMA RF/Anten LAYER DATABASE - Hình 4.2: Kiến trúc phần mềm - Kiến trúc phần mềm eNodeB chia làm phần chính: 76 + Phân hệ Layer 3: nhiệm vụ quản lý tài nguyên vô tuyến, thực thủ tục, xử lý nghiệp vụ điều khiển eNodeB: điều khiển luồng dịch vụ (thiết lập, chuyển giao, giải phóng), thực q trình chuyển giao trình UE sử dụng dịch vụ, quản lý cấu hình eNodeB + Phân hệ Layer 2: cung cấp dịch vụ truyền tin báo hiệu liệu cho Layer 3, mã hóa bảo tồn liệu cần thiết, thực nghiệp vụ Scheduling cấp phát tài nguyên + Phân hệ Layer 1: xử lý giao tiếp Layer2 khối xử lý phần cứng Các kỹ thuật MIMO OFDM thực phân hệ layer Cụ thể, sơ đồ khối phân hệ xử lý layer 1, eNodeB sau: Hình 4.3: Sơ đồ phân hệ xử lý layer 4.2 Quy trình đo kiểm, đánh giá hệ thống eNodeB Một hệ thống eNodeB sau nghiên cứu chế tạo thành sản phẩm để thương mại hóa cần trải qua nhiều test nghiêm ngặt nội dung như: test xử lý tín hiệu, test nghiệp vụ phần mềm, test performance, test feature LTE, capacity test, field test, Trong đó, phần test gắn liền với nội dung em tìm hiểu luận văn test xử lý tín hiệu field test Sản phẩm sau nghiên cứu Test phần xử lý tín hiệu, tín hiệu RF Test phần mềm: + Nghiệp vụ xử lý PM + features of LTE Test perfomance, capacity Field test Hình 4.4: Quy trình đo kiểm, đánh giá hệ thống eNodeB 77 Đánh giá kết Các test xử lý tín hiệu tuân theo tiêu chuẩn 3GPP TS 36141, đánh giá tiêu xử lý tín hiệu hệ thống eNodeB 4.3 Bộ tiêu chuẩn đánh giá hệ thống trạm thu phát 4G-LTE Hiện Bộ Thông tin truyền thông xây dựng dự thảo “QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ THIẾT BỊ TRẠM GỐC THÔNG TIN DI ĐỘNG E-UTRA PHẦN TRUY NHẬP VƠ TUYẾN“, quy định u cầu kỹ thuật trạm thu phát 4G LTE Viettel đóng vai trị vendor cung cấp thiết bị thiết bị Viettel phải tuân theo quy chuẩn Sau số tiêu liên quan đến đo thực phạm vi luận văn này: Chỉ tiêu kỹ thuật Giới hạn Chú thích Tỷ số cơng suất rị kênh lân cận > 44,2 dB (ACLR) Cơng suất cực đại trạm gốc Prated,c - 2,7 ≤ Pmax,c ≤ Prated,c: Công suất danh Prated,c + 2,7 định (trên sóng mang) Lỗi tần số ± (0.05 ppm + 12 Hz) QPSK: < 17.50% EVM (Error Vector Magnitude) 4.4 16QAM: < 12.50% 64QAM: 8% Chi tiết đo đánh giá Dựa tài liệu chuẩn 3GPPTS 36211, 3GPPTS 36212, 3GPPTS 36213, 3GPPTS 36141 LTE, em thực đo kiểm đầu hệ thống với tham số cấu sau: Stt Tham số Giá trị Tần số phát 1855MHz Độ rộng băng tần 10 MHz Transport block Số lớp mapping Số anten phát 78 Số anten thu Kích thước IFFT/FFT 1024 Số resource block 50 Điều chế QPSK, 64 QAM 10 Chỉ số subFrame 11 Kích thước payload 7600 Bảng 4.1: Bảng tham số cấu hình hệ thống eNodeB Sơ đồ bố trí thiết bị đo kiểm Tín hiệu chuẩn theo Model Cáp tín hiệu BBU CPRI Máy đo Agilent + phần mềm VSA thu thập số liệu RRU Hình 4.5: Sơ đồ bố trí thiết bị 79 Giải thích: Theo chuẩn 3GPP TS 36.141 có test model để đánh giá khả xử lý tín hiệu eNodeB Với test model có tín hiệu chuẩn đưa vào BBU để xử lý, tín hiệu sau xử lý BBU, truyền đến RRU qua đường quang CPRI để chuyển lên cao tần Tín hiệu sau khỏi RRU tín hiệu cao tần, phát tần số theo chuẩn LTE (Band band 7) đưa vào máy đo để đo kiểm Máy đo có chức máy thu, thực việc xử lý tín hiệu thu so sánh tín hiệu sau điều chế với tín hiệu chuẩn theo test model để đánh giá việc xử lý tín hiệu hệ thống thu phát gốc eNodeB Hình ảnh kết nối thiết bị eNodeB thiết bị đo thực tế: Hình 4.6: Sơ đồ bố trí thiết bị phịng LAB 4.5 Kết Đo kiểm Tính ổn định chất lượng thiết bị đánh giá qua chuẩn 3GPPTS 36.141, cụ thể sau: 4.5.1 Với test model 1.1 Test model 1.1 phát liệu điều chế QPSK tồn RB băng thơng, thơng số đo kiểm: 80 - BS output power - Phổ công suất - ACLR (Adjacent Channel Leakage power Ratio) – tỉ số cơng suất trung bình kênh tần số trung tâm cơng suất trung bình kênh tần số lân cận Chỉ số để đánh giá khả lọc lọc hệ thống Yêu cầu số hệ thống >= 45 dB Hình 4.7: Giao diện kết máy đo Hình 4.8: Chịm tín hiệu phổ tín hiệu 81 Hình 4.9: Các thơng số đánh giá Đánh giá kết quả: Từ kết đo đạc hệ thống ta thấy phát toàn 50 RB băng 10MHz với tín hiệu điều chế QPSK, ta đo được: - Công suất đầu trạm khoảng 46dBm (~40 W) - Băng thông mang công suất phát 8.9296 MHz, công suất chiếm 99% tổng công suất - ACLR kênh sau: 82 + Kênh lân cận thứ nhất: bên kênh trung tâm độ lệch so với kênh trung tâm 59.754 dB 59.317 dB + Kênh lân cận thứ hai: bên kênh trung tâm độ lệch so với kênh trung tâm 61.286 dB 61.427 dB Như ACLR kênh lân cận so với kênh trung tâm hệ thống đảm bảo tiêu >45 dB 4.5.2 Với test model 3.1 Test model 3.1 phát liệu điều chế 64 QAM toàn RB băng thông, thông số đo kiểm: - Cơng suất phát tồn symbol OFDM điều chế 64QAM phát toàn RB băng thông (với băng 10MHz 50 RB) - Độ lệch tần số - EVM cho điều chế 64 QAM Trong EVM (Error Vector Magnitude) định nghĩa độ lệch mức tín hiệu thu với mức tín hiệu chuẩn Hình 4.10: Kết đánh giá máy đo 83 Hình 4.11: Chịm tín hiệu phổ tín hiệu 84 Hình 4.12: Các thơng số đánh giá 85 Đánh giá kết quả: Từ kết đo đạc hệ thống ta thấy phát toàn 50 RB băng 10MHz với tín hiệu điều chế 64QAM, ta đo được: - Cơng suất phát tồn symbol OFDM điều chế 64QAM phát toàn RB băng thông (với băng 10MHz 50 RB) 45.628dBm ~ cơng suất phát tồn băng tần - Độ lệch tần số (Frequency error = -48.942 Hz) Đảm bảo tiêu chuẩn độ lệch tần số hệ thống thu phát gốc là: ± (0.05 ppm + 12 Hz) = ± (0.05*10 -6 *1855*106 Hz +12 Hz) = ± 104.75 Hz - EVM cho điều chế 64 QAM = 3.83% Thỏa mãn theo tiêu chuẩn mức điều chế 64 QAM