Nghiên cứu giải pháp gạt nhiễu trong mạng 4g (tt)

1 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Hồng Dương NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GẠT NHIỄU TRONG MẠNG 4G Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Dư Đình Viên Phản biện 1: ………………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày trở thành lĩnh vực phát triển nhanh mang lại nhiều lợi nhuận cho nhà khai thác Hiện thị trường viễn thơng có phát triển vượt bậc công nghệ thông tin di động với 2,5G, 3G Mặc dù hệ thống thông tin di động 3G phát triển không ngừng nhà khai thác viễn thông lớn giới tiến hành triển khai thử nghiệm chuẩn hóa chuẩn di động 4G Công nghệ 4G mang lại tiện ích vượt trội cho người dùng lúc, nơi kể di chuyển với tốc độ cao Đó điểm khác biệt mạng di động hệ thứ ba (3G) mạng di động hệ thứ tư (4G) Tuy mẻ mạng di động băng rộng 4G kỳ vọng tạo nhiều thay đổi khác biệt so với mạng di động 3G Mục đích đề tài nghiên cứu nhiễu biện pháp gạt nhiễu mạng 4G Nội dung luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan mạng 4G Chương 2: Nhiễu mạng 4G Chương 3: Giải pháp gạt nhiễu mạng 4G Kết luận: Tóm tắt kết nghiên cứu, đề xuất, kiến nghị 4 CHƯƠNG TỔNG QUAN MẠNG 4G 1.1 Giới thiệu chương Để đáp ứng nhu cầu người sử dụng nơi (anywhere), lúc (anytime), dịch vụ (anyservice), mạng di động hệ thứ tư – 4G (Fourth Generation) đề xuất nghiên cứu triển khai Chương trình bày tổng quan mạng 4G, tiêu chuẩn chất lượng mạng 4G giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống 1.2 Tổng quan mạng 4G Mạng 4G có băng thơng rộng hơn, tốc độ liệu cao hơn, chuyển giao nhanh không gián đoạn, cung cấp dịch vụ liên tục hệ thống mạng Mạng 4G bao gồm tất hệ thống mạng khác nhau, từ mạng công cộng đến mạng riêng, từ mạng băng rộng có quản trị mạng đến mạng cá nhân mạng adhoc Các hệ thống 4G hoạt động kết hợp với hệ thống 2G 3G hệ thống phát quảng bá băng rộng khác Thêm vào đó, mạng 4G mạng Internet di động hoàn toàn dựa IP Các đặc điểm bật công nghệ 4G là: 1.2.1 Hỗ trợ lưu lượng IP Sự xuất dịch vụ VoIP cho thấy việc truyền thoại dễ dàng thực qua mạng IP chuyển mạch gói Kiến trúc mạng 4G xây dựng với mục tiêu cung cấp dịch vụ IP chất lượng cao 1.2.2 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác Trong hệ thống 4G, sử dụng nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác Xu hướng sử dụng phổ tần băng tần không cần cấp phép ISM (Industrial, scientific and medical radio bands): công nghệ Bluetooth (IEEE 802.15.1), tiêu chuẩn IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g Nút mạng 4G thích ứng khả để khai thác cách hiệu dải tần cịn trống 1.2.3 Hỗ trợ tính di động tốt Trong hệ thống 4G, người dùng di động vùng có kích thước đáng kể giao tiếp thông qua thiết bị đầu cuối vơ tuyến Người dùng phải có khả liên lạc số nhận dạng Như vậy, mạng 4G phải có phương tiện phù hợp để nhận dạng người dùng cho phép người dùng điều khiển số nhận dạng thực ánh xạ cách hiệu đến điểm đích chung 1.2.4 Khơng cần liên kết điều khiển Trong trường hợp băng tần ISM lập mạng Adhoc từ nhóm nút, cho phép nút giao tiếp trực tiếp với nhau, chí nút cộng tác với nhau, chuyển tiếp lưu lượng 1.2.5 Hỗ trợ bảo mật đầu cuối – đầu cuối Trong mạng 4G, yêu cầu bảo mật lớn nhiều so với mạng 3G mạng 4G có kiến trúc mở Do cần phải có mơđun bảo mật tích hợp để bảo vệ liệu mạng khác mơ hình bảo mật để bảo vệ nhiều thực thể Các nút di động cố định tương tác với không cần liên hệ với điều hành mạng Các giao thức thủ tục phải có khả cho phép người dùng nút mạng nhận thực đủ thơng tin để nhận dạng người dùng kết nối Đây tính bảo mật đầu cuối – đầu cuối 1.3 Tiêu chuẩn chất lượng hệ thống mạng 4G Bảng 1.1 liệt kê yêu cầu IMT – Advanced đặt ITU: Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IMT – Advanced [1] Hạng mục Tiêu chuẩn IMT - Advanced Peak Data Rate (Downlink) Gbps Peak Data Rate (Uplink) 500 Mbps Cấp phát phổ tần > 40 MHz Độ trễ (User Plane) 10 ms Độ trễ (Control Plane) 100 ms Hiệu suất phổ đỉnh (Downlink) 15 bps/Hz (4x4) Hiệu suất phổ đỉnh (Uplink) 6,75 bps/Hz (2x4) Hiệu suất phổ trung bình (Downlink) 2,2 bps/Hz (4x2) Hiệu suất phổ trung bình (Uplink) 1,4 bps/Hz (2x4) Hiệu suất phổ biên tế bào (Downlink) 0,06 bps/Hz (4x2) Hiệu suất phổ biên tế bào (Uplink) 0,03 bps/Hz (2x4) Khả di chuyển 1.4 Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống Tới 350 km/h 1.4.1 Kết hợp băng thơng Giải pháp nhằm mục đích đạt yêu cầu tốc độ liệu đỉnh (peak data rate) Việc kết hợp băng thơng 100MHz có tương lai khơng chắn chi phí phát sinh phức tạp UE Việc kết hợp băng thông kênh tần số 20 MHz phương án khả quan dễ tìm kiếm phổ tần[12] 1.4.2 Hệ MIMO bậc cao định hướng búp sóng LTE phiên hỗ trợ tới máy thu máy phát eNB, tới máy phát máy thu cho UE Khả tăng độ lợi thu từ hệ MIMO từ điều khiển búp sóng (beamsteering) hàm số lượng ăngten Đề xuất tăng số hệ thống lên đến 8x8 với eNB 4x4 cho UE Tại eNB, ăngten 4x sử dụng Nếu tăng lên 8x phải lắp đặt thêm số thiết bị cột để tránh chi phí tăng thêm cáp Sự tiêu hao công suất hệ thống MIMO yếu tố cần phải xem xét Một vấn đề cân thích hợp số ăngten sector số sector cell Ngồi UE, vấn đề với hệ MIMO bậc cao không gian yêu cầu cho ăng ten, giải sử dụng ăng ten trực giao 1.4.3 Hệ MIMO phối hợp Sự khác biệt hệ MIMO tiêu chuẩn hệ MIMO phối hợp thể hình 1.1: Hình 1.1: Hệ MIMO tiêu chuẩn hệ MIMO phối hợp Sự khác rõ ràng hệ MIMO phối hợp, thiết bị phát không đặt gần mặt vật lý Hệ MIMO nhiều người dùng đường uplink có thiết bị phát độc lập theo UE khác khơng có khả chia sẻ liệu UE để phục vụ mục đích phối hợp tiền mã hóa Tình khả thi đường downlink khơng thể chia sẻ liệu băng gốc UE riêng biệt Mặc dù hệ MIMO phối hợp đường downlink khả thi, đặt thách thức cho việc truyền tin inter-eNB (giao diện X2) Có thể coi MIMO phối hợp dạng nâng cấp kỹ thuật phân tập vĩ mô (macro diversity) dùng để chuyển giao mềm 1.4.4 Sử dụng Relay Một phương pháp khác để mở rộng vùng phủ sóng điều kiện khó triển khai sử dụng relay [1] Hình 1.2 Sử dụng Relay Phương pháp đơn giản sử dụng lặp (repeater) làm nhiệm vụ nhận, khuếch đại truyền lại tín hiệu downlink uplink để khắc phục tình trạng phủ sóng yếu Bộ lặp đặt biên tế bào địa điểm nằm vùng phủ sóng yếu, chúng tăng vùng phủ sóng khơng tăng dung lượng Các relay đại giải mã truyền trước truyền lại chúng, giúp lựa chọn đường truyền đến từ UE đến trạm relay giảm can nhiễu Khái niệm trạm relay áp dụng triển khai mật độ thấp thiếu vắng đường backhaul thích hợp dẫn đến mạng di động không hoạt động 1.4.5 Mạng tự tối ưu hóa Ngày hệ thống thơng tin di động tế bào ngày tập trung việc đưa thêm node vào mạng gây tốn tài thời gian Một tính xem xét LTE – Advanced khái niệm “Mạng tự tối ưu hóa” (Self Optimizing Network – SON) Lợi ích giúp giảm ảnh hưởng việc đưa thêm node vào mạng Các khái niệm đề cập đến phiên tiếp tục phiên 10 1.4.6 Sử dụng Femtocell Một giải pháp hiệu cho việc nâng cao chất lượng dịch vụ sử dụng “femtocell” hay Home Node B (HNB) Home eNB 3GPP làm việc với femtocell bao gồm UMTS tiến triển phiên tiếp tục phiên với Home eNB Khả xuất femtocell công nghệ LTE từ ban đầu cao so với việc đưa vào hệ thống tồn UMTS hay GSM Trên quan điểm triển khai vô tuyến, femtocell hoạt động diện tích nhỏ cell lớn Khái niệm femtocell khác biệt so với relaying femtocell kết nối trở lại với mạng lõi cung cấp cục đường kết nối Internet DSL có sẵn kết nối qua không gian macrocell Phần lớn femtocell triển khai nhà nên có cách ly femtocell macrocell Việc triển khai femtocell/hotspot để cạnh tranh với micro/macro cell mà để bổ sung, đảm bảo chất lượng hệ thống Hình 1.3 Femtocell LTE 1.4.7 Điều phối gạt nhiễu Sự áp dụng công nghệ OFDMA vào hệ thống thông tin di động tổ ong (bắt đầu từ 802.16e tiếp tục với LTE/SAE) làm thay đổi lớn gạt nhiễu biên tế bào Trong kỹ thuật OFDMA khả lập lịch chọn tần với kênh truyền mở khả tối ưu hóa thơng số tế bào nhiễu đồng kênh tế bào trở nên biến đổi nhiều Việc nghiên cứu tác động loại nhiễu tiến hành Phương pháp bảo vệ khỏi nhiễu tế bào hệ thống CDMA cách làm trắng nhiễu dựa mã trộn tần không khả dụng truyền tin OFDMA băng hẹp, làm tăng nguy xuất nhiễu tín hiệu băng hẹp Biện pháp khắc phục loại nhiễu bao gồm việc tạo đường truyền ổn định cách trải thông tin cấp phát rộng Các phương pháp khác để gạt nhiễu tiếp tục nghiên cứu 1.5 Kết luận chương Mạng 4G đời thể ưu điểm vượt trội so với mạng hệ trước Chương trình bày tiêu chuẩn mạng 4G IMT – Advanced ITU đưa số giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống, có vấn đề gạt nhiễu Trong chương 2, phân tích nhiễu hệ thống thơng tin di động nhiễu mạng 4G 9 CHƯƠNG NHIỄU TRONG MẠNG 4G 2.1 Giới thiệu chương Các tín hiệu nhiễu mạng khơng dây chia thành hai loại: nhiễu tượng tự nhiên nhiễu người Trong chương này, vào phân tích loại tín hiệu nhiễu người gây ra, can thiệp, điều khiển: nhiễu hệ thống thông tin di động nhiễu mạng 4G LTE – Advanced, đưa mơ hình tốn học nhiễu nêu khác nhiễu mạng 4G mạng hệ trước 2.2 Nhiễu mạng 4G 2.2.1 Nhiễu hệ thống thông tin di động 2.2.1.1.Nhiễu đồng kênh Nhiễu đồng kênh định nghĩa tín hiệu nhiễu có tần số sóng mang với tín hiệu thơng tin hữu ích Với tổ chức tế bào quy luật tái sử dụng tần số tính tốn nhằm hạn chế việc tín hiệu phát thiết bị sử dụng kênh tần số vị trí khác mạng gây can nhiễu lẫn Tuy nhiên tồn khả BTS/MS thu tín hiệu MS/BTS ô khác kênh tần số Các tín hiệu khơng mong muốn gọi nhiễu đồng kênh (CCI) Nhiễu đồng kênh loại nhiễu quan trọng có ảnh hưởng lớn cần quan tâm phịng tránh để đảm bảo chất lượng hệ thống thông tin di động tế bào 2.2.1.2 Nhiễu kênh lân cận (Adjacent Channel Interference: ACI) Nhiễu kênh lân cận chia thành: nhiễu băng (inband) nhiễu băng (out of band) Nhiễu băng nhiễu có tần số trung tâm tín hiệu nằm dải thơng tín hiệu thơng tin Nhiễu ngồi băng nhiễu có tần số trung tâm nằm ngồi dải thơng tín hiệu thơng tin Nếu so sánh ACI với CCI mức cơng suất tín hiệu nhiễu, ảnh hưởng ACI yếu 2.2.1.3 Nhiễu xuyên điều chế (Intermodulation Interference) Nhiễu xuyên điều chế (IMI) có ba dạng bản: IMI máy thu, IMI máy phát IMI phát xạ khác 2.2.1.4 Nhiễu ký hiệu (Intersymbol Interference) Tín hiệu vô tuyến truyền lan từ máy phát đến máy thu qua nhiều đường khác tượng phản xạ, nhiễu xạ… gọi truyền lan đa đường, khoảng cách từ máy phát 10 đến ăngten máy thu đường truyền khác khác tín hiệu từ đường khác đến ăngten thu không thời điểm Hiện tượng gọi tượng trải trễ đường truyền Ở đầu vào máy thu, tín hiệu đến sau coi tín hiệu can nhiễu tín hiệu đến Hiện tượng gọi ISI (Intersymbol Interference), cần loại bỏ trước tách sóng để đảm bảo chất lượng truyền dẫn 2.2.2 Nhiễu hệ thống LTE – Advanced 2.2.2.1 Nhiễu người dùng Hình 2.3 Nhiễu người dùng Trong hình 2.3, tế bào phục vụ đồng thời hai UE sử dụng tài nguyên thời gian – tần số UE1 nhận liệu nhiễu liệu hướng đến UE2, tức nhiễu người dùng 2.2.2.2 Nhiễu tế bào Hình 2.4 UE biên tế bào ảnh hưởng nhiễu từ tế bào bên cạnh Trong hình 2.4, UE1 biên tế bào phục vụ cell qua kênh H1(1) với ma trận tiền mã hóa B1 UE1 bị ảnh hưởng nhiễu cell, tức nhiễu từ tế bào bên cạnh cell phục vụ UE2 với ma trận tiền mã hóa B2 2.2.2.3 Nhiễu đồng kênh truyền SC FDMA uplink Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single – carrier frequency division multiple access: SC – FDMA) lựa chọn cho uplink chuẩn LTE/LTE – Advanced 11 Để nâng cao hiệu suất phổ tần, hệ số tái sử dụng tần số sử dụng Điều dẫn đến nhiễu đồng kênh mạnh từ cell bên cạnh hình 2.5 Hình 2.5 Nhiễu đồng kênh đường uplink Mơ hình hệ thống cho hệ MIMO (Nr x Nt) với J người dùng, người dùng mong muốn J – nguồn nhiễu, người dùng truyền tín hiệu qua Nt = ăng ten phát tín hiệu nhận Nr ăng ten hình 2.6 Hình 2.6 Mơ hình nhiễu đồng kênh 2.2.2.4 Nhiễu triển khai mạng không đồng Trong HetNets đồng kênh, tồn nhiều cấp độ cell (ví dụ: macrocell, picocell, femtocell) vận hành thời điểm băng tần, UE khơng thể truy nhập cell mạnh kết nối tới cell yếu Hai tình điển hình xảy là: - Cell mạnh femtocell với nhóm thuê bao đóng (Closed Subscriber Group: CSG) - UE cần thiết phải kết nối tới cell cụ thể để mở rộng vùng phủ sóng 2.2.2.5 Biểu diễn tốn học nhiễu mạng 4G Để biểu diễn nhiễu, người ta dùng mơ hình tạp âm lớp A Mơ hình tạp âm lớp A mơ hình kinh điển, bất biến với nguồn nhiễu riêng biệt kết hợp với tham số định 12 lượng Trên sở mơ hình tạp âm lớp A, ta áp dụng xây dựng mơ hình nhiễu trường hợp cụ thể 2.3 Sự khác nhiễu mạng 4G nhiễu mạng 3G, 2G 2.3.1 Sự khác mạng 4G mạng 3G 2.3.1.1 Về tốc độ liệu Mạng 4G giải vấn đề giới hạn tốc độ liệu mạng 3G với tốc độ liệu đạt đến 1Gbps người dùng tốc độ di chuyển thấp Đây điểm khác biệt mạng 4G mạng 3G 2.3.1.2 Về cơng nghệ chuyển mạch Trong mạng 4G, tồn sử dụng chuyển mạch gói mạng 3G kết hợp chuyển mạch gói chuyển mạch kênh Kiến trúc hạ tầng mạng 4G hoàn toàn dựa IP, IPv6 phiên với tồn giao thức hệ thống điều hành dạng chuyển mạch khác truyền liệu Chuyển mạch 4G tinh vi phức tạp nhiều so với mạng 3G 2.3.1.3 Về công nghệ truy nhập Mạng 3G sử dụng kỹ thuật đa truy nhập WCDMA công nghệ truy nhập phù hợp cho mạng băng rộng Trong đó, mạng 4G sử dụng cơng nghệ OFDM công nghệ phù hợp với mạng băng rộng 2.3.1.4 Về chất lượng dịch vụ Chất lượng dịch vụ mạng 4G tốt nhiều so với mạng 3G Điều có nhờ mạng 4G có băng thơng rộng hơn, chất lượng hệ thống IPv6 tốt so với IPv4, trình thu phát cải thiện nhờ hệ MIMO dựa ăng ten thông minh 2.3.1.5 Về quản lý tài nguyên Quản lý tài nguyên mạng 4G tốt nhiều so với mạng 3G nhờ sử dụng kỹ thuật thích nghi thơng minh quản lý tài nguyên đem lại tối ưu hóa từ kỹ thuật điều chế, mã hóa đến cấp phát băng thông 2.3.2 Sự khác nhiễu mạng 4G nhiễu mạng 3G Trong mạng 3G UMTS giao diện vô tuyến dựa kỹ thuật CDMA sử dụng hệ số trải phổ biến đổi Các chuỗi trải phổ có đặc tính tự tương quan giảm hiệu máy thu Rake gây ảnh hưởng nhiễu liên ký tự Trong đó, mạng 4G sử dụng 13 cơng nghệ OFDM khắc phục nhiễu ký hiệu (ISI) nhờ khoảng bảo vệ ký hiệu Khi triển khai mạng 4G có khả xảy nhiễu với mạng dịch vụ FWA (Fixed Wireless Access: Truy nhập cố định không dây), hệ thống truyền hình kỹ thuật số, hệ thống định vị toàn cầu Ngoài ra, hệ thống LTE – A cịn có loại nhiễu đặc thù triển khai mạng không đồng 2.4 Kết luận chương Chương tập trung nghiên cứu loại nhiễu hệ thống thơng tin di động nói chung nhiễu hệ thống 4G LTE – Advanced nói riêng, đưa mơ hình tốn học nhiễu theo mơ hình ồn lớp A sâu vào nhiễu đồng kênh đường truyền SC – FDMA uplink, sở để xây dựng giải pháp gạt nhiễu 14 CHƯƠNG GIẢI PHÁP GẠT NHIỄU TRONG MẠNG 4G 3.1 Giới thiệu chương Các kỹ thuật gạt nhiễu phân loại thành: kỹ thuật gạt nhiễu dựa lọc kỹ thuật gạt nhiễu dựa vào tách sóng đa truy cập (Multiuser detection) Do mạng 4G có nhiều loại nhiễu, khuôn khổ chương tập trung nghiên cứu giải pháp gạt nhiễu đồng kênh đường uplink SC – FDMA 3.2 Giải pháp gạt nhiễu đường uplink SC – FDMA mạng 4G 3.2.1 Mơ hình hệ thống Hình 3.1 Sơ đồ khối mơ hình hệ thống 3.2.1.1.Kênh vật lý tạo tín hiệu Nguồn nhận ký hiệu nhị phân tạo từ lớp cao hơn, bao gồm ký hiệu không nhớ với giá trị Hình 3.2 Tạo ký hiệu thông tin 3.2.1.2 Cấu trúc SC – FDMA theo thời gian tần số 15 SC – FDMA lựa chọn cho đa truy nhập uplink LTE/LTE – A Tín hiệu truyền kênh băng tần từ 1,4 đến 20 MHz Mỗi kênh chia thành băng tần 15 kHz Mỗi khung có 20 khe, đánh số từ đến 19, khung kéo dài 0,5 ms cho truyền song công truy nhập phân chia theo tần số (FDD) Hai khe liên tiếp tạo thành khung Thời gian khung ms gọi thời gian truyền (TTI) Với truyền FDD, tất khe mang tín hiệu kênh vật lý tín hiệu hoa tiêu Với truyền song cơng truy nhập phân chia theo thời gian (TDD) tình phức tạp đường truyền uplink downlink sử dụng chung băng tần Để đơn giản xét truyền FDD Khối tài nguyên (RB) đơn vị gán trình truyền tài nguyên đến kênh vật lý miền thời gian – tần số Tất khối tài nguyên băng tần khả dụng hệ thống tạo lưới tài nguyên Số khối lưới tài nguyên có phạm vi từ (với kênh 1,4 MHz) đến 100 (với kênh 20 MHz) Trong miền thời gian, khe uplink mang đến ký hiệu SC – FDMA Một ký hiệu SC – FDMA gồm hai phần: mẫu phức đầu IDFT tiền tố vòng CP Trong kênh vật lý chia sẻ đường uplink (PUSCH), tín hiệu tham chiếu giải điều chế (DMRS) (được sử dụng để ước lượng kênh cho giải điều chế quán) chèn vào phần tử tài nguyên thứ sóng mang truyền khối tài nguyên Trong trường hợp cell lớn, người ta sử dụng khe với ký hiệu để giảm nhiễu liên ký tự ISI trình trải trễ đa đường Các cell cần tiền tố lặp tương đối dài, gọi tiền tố lặp mở rộng Các cell nhỏ sử dụng khe với ký hiệu u cầu tiền tố bình thường 3.2.1.3 Mơ hình kênh Phân bố lượng tức thời đáp ứng xung người dùng mong muốn nguồn nhiễu tạo ngẫu nhiên Ở đây, mô tả kênh ITU – B sử dụng Quá trình nhân chập mô tả ma trận nhân chập: H , j  h , j  0      h q   , j h   h , j  qh                h , j  0     h , j  0         h , j  qh   h , j  0 (3.1) 16 Q trình truyền mơ tả dạng ma trận vec tơ sau: J rc ,   H , j d c , j  n (3.2) j 1 n vec tơ tạp âm rc , ký hiệu thu được, sau: n   n  0 n 1 n  M  lcp  1  T (3.3) 3.2.1.4 Cấu trúc phát SC – FDMA Hình 3.8 Cấu trúc phát SC – FDMA Trước hết, ký hiệu đầu vào a j  k  xử lý phép biến đổi DFT, chuyển ký hiệu từ miền thời gian sang miền tần số cách thực phép nhân với ma trận DFT N x N Sau biến đổi DFT ký hiệu a j  k  từ miền thời gian sang miền tần số, sóng mang phụ xếp cho vec tơ D j Quá trình biến đổi IDFT thu tín hiệu d j , trước truyền chèn tiền tố lặp 3.2.1.5 Cấu trúc thu SC – FDMA Bộ thu SC – FDMA có cấu trúc hình 3.14: Hình 3.14 Bộ thu SC – FDMA Các khối thu thực q trình ngược so với phía phát Tồn chuỗi q trình xử lý SC – FDMA hệ thống mơ tả phương trình: J u   V H K H WPout H , j Pin W H KVa j  V H K H WPout n j 1 3.2.1.6 Điều chế giải xếp giải mã Quá trính xử lý sau truyền SC – FDMA cho hình 3.16: Hình 3.16 Quá trình xử lý sau truyền SC – FDMA (3.21) 17 Đầu SC – FDMA, ký hiệu u đầu vào cân Sau khỏi lọc, ký hiệu truyền đến giải xếp mềm (Soft – Demapper) biến đổi thành tỉ lệ hợp lý lôgarit (LLR) Sau giải xếp mềm, đầu giải xen bit giải mã để gỡ bỏ dư thừa khôi phục bit thơng tin 3.2.1.7 Kênh vịng Trong mục này, ta tiến hành làm đơn giản hóa xử lý tín hiệu SC – FDMA đề cập đến kênh vòng tương đương H equ , , j Quá trình xử lý tín hiệu SC – FDMA xem là: J u   H equ , , j a j  n equ , (3.34) j 1 3.2.2 Tín hiệu tham chiếu đường uplink Trong đường uplink, với q trình truyền SC – FDMA, tín hiệu tham chiếu chèn để giải điều chế liệu dò kênh Trong đường uplink cần hai loại tín hiệu tham chiếu: - Tín hiệu tham chiếu giải điều chế - Tín hiệu tham chiếu dị kênh Ở xem xét tín hiệu tham chiếu giải điều chế, liên quan đến trình truyền PUSCH 3.2.2.1.Tạo chuỗi tín hiệu tham chiếu Các tín hiệu tham chiếu uplink phần lớn dựa chuỗi Zadoff – Chu[1] Chuỗi tín hiệu tham chiếu ru,v   n  định nghĩa dịch vòng  chuỗi sở ru ,v  n  với: ru,v   n   e j n ru , v ,  n  M scRS  (3.35) M scRS độ dài chuỗi tín hiệu tham chiếu Chuỗi tín hiệu tham chiếu nhảy chuỗi nhảy nhóm 3.2.2.2 Giải điều chế tín hiệu tham chiếu cho PUSCH Chuỗi tín hiệu tham chiếu giải điều chế rPUSCH(.) cho PUSCH cho bởi: r PUSCH  m.M scR S  n   ru,v   n  m = 0,1, n = 0,1, , M scRS - M scRS  M scPUSCH Các tham số u v biết,  độ dịch vòng (CyclicShift) (3.46) 18 Dịch vòng  khe n s định nghĩa  = 2n cs/12 với   1  2 ncs  nDMRS  nDMRS  nPRS  ns  mod12 (3.47) 3.2.3.Thiết kế lọc Quá trình lọc tiến hành miền thời gian, sau SC – FDMA minh họa hình 3.20 Hình 3.20 Mơ hình cân miền thời gian hệ thống SC – FDMA 3.2.3.1 Bộ lọc tuyến tính MMSE Thuật tốn lọc tuyến tính MMSE (Minimum Mean Square Error: trung bình bình phương lỗi nhỏ nhất) dựa mơ hình hệ thống đơn giản hóa hình 3.21 Hình 3.21 Mơ hình hệ thống đơn giản hóa Mơ hình biểu diễn phương trình: Nr u   H equ , ,1a1  H equ , ,2a  n equ , (3.49)  1 Nghiệm MMSE cho gạt nhiễu đồng kênh:  H H ftu  H equ , ,1Φa1a1 H equ , ,1  H equ , ,2 Φ a2 a2 H equ , ,2  Φ nn  1 H equ , ,1 a1a1 (3.60) đó: H equ , ,1 ma trận kênh vòng tương đương người dung, Φa a hàm tự tương 1 quan người dùng , H equ , ,2 ma trận kênh vòng tương đương nguồn nhiễu, Φ a a 2 19 hàm tự tương quan nguồn nhiễu, Φnn hàm tự tương quan tạp âm,  a a vec tơ tự 1 tương quan 3.2.3.2 Bộ lọc thích nghi a Bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ Bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ (LS) khơng cần thống kê đầu vào lọc mà dựa tín hiệu hoa tiêu chèn vào liệu truyền Trên quan điểm tính tốn, phương pháp bình phương nhỏ trình xử lý khối, lọc bình phương tối thiểu thiết kế trình xử lý khối liệu đầu vào Bộ lọc đáp ứng với liệu không cố định nhờ lặp lại q trình tính tốn cập nhật hệ số lọc b Bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ nhân Một lọc nhân tức đầu lọc phụ thuộc vào đầu vào khứ Nghiệm bình phương nhỏ gạt nhiễu đồng kênh là: f   Ω1Ω1H  Ω 2Ω 2H  1  Ω1p1  Ω2p  ftu  f * (3.70) (3.71) (.)* ký hiệu số phức liên hợp, Ω1 , Ω ma trận hoa tiêu, p1 , p2 vec tơ hoa tiêu khe 1, c Bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ khơng nhân Trong thực tế, xem xét đến vấn đề chi phí, lọc với chiều dài lọc lớn phức tạp Do cần phải xem xét độ dài nhỏ lọc nhằm mục đích đảm bảo hiệu mức chấp nhận với độ dài lọc nhỏ Độ trễ định  nghĩa vec tơ liệu đầu vào không bao gồm liệu trước ký hiệu (cần phải xác định) mà gồm liệu sau ký hiệu cần phải xác định Bộ lọc gọi lọc khơng nhân Nghiệm giải pháp bình phương nhỏ với trễ cho gạt nhiễu đồng kênh là: f   Ω 1Ω H1  Ω  2Ω H2  1  Ω 1p1  Ω 2p  ftu  f * ftu hệ số lọc tối ưu d Lọc thích nghi JLS (Joint Least Square) với lọc không nhân (3.74) (3.75) 20 Sự kết hợp thuật tốn lọc thích nghi dựa hoa tiêu kỹ thuật cân mù thích nghi gọi cân “Joint Least Square” (JLS) Để có liệu thiết kế lọc cần phải có liệu phản hồi Với ký hiệu phản hồi aˆ1  k  , ta có ma trận liệu nhận sử dụng chúng với ma trận hoa tiêu nhận để xác định hệ số lọc hệ số lọc JLS cho bởi: 1  1  1     f    Ω , x ΩH, x   Dd DdH    Ω  , x p x   Dd aˆ1   x 1 d 1   x1 d 1  (3.76) ftu  f * (3.77) Dd ma trận liệu nhận,  vị trí ký hiệu liệu SC – FDMA khung thứ cấp Bộ lọc thích nghi JLS nguyên tắc có hiệu cao lọc thích nghi bình phương nhỏ Tuy nhiên, với ký hiệu hệ số lọc cần phải cập nhật lần, lọc thích nghi JLS phức tạp nhiều so với lọc thích nghi bình phương nhỏ 3.2.4 Thuật toán nghịch đảo ma trận Đối với hệ số lọc phương pháp bình phương nhỏ nhất, cần thực nghịch đảo ma trận tính tốn Do cần phải có phương pháp lấy nghịch đảo ma trận phức tạp Phương trình tính nghịch đảo ma trận: 1  R ktc1   Ω1Ω1H  Ω Ω 2H   V H  1 V  V H  2 V  1   V 1  1   2 1  V  H 1 (3.84)   ma trận đường chéo với giá trị riêng 1 nằm đường chéo   ma trận đường chéo với giá trị riêng  nằm đường chéo Đối với ma trận đồng nhất, V H  V 1 1  R ktc1   Ω1Ω1H  Ω 2Ω 2H   V H  1   2  1 V (3.85) Ta dễ dàng nhận thấy nhờ việc áp dụng phương pháp tìm ma trận nghịch đảo này, độ phức tạp tính tốn giảm đáng kể 3.2.5 So sánh lọc Hình 3.30 thể so sánh hiệu lọc không nhân MMSE, LS JLS theo độ dài lọc 21 Hình 3.30 Hiệu lọc không nhân MMSE, LS JLS theo độ dài lọc Các thông số: tỉ số lượng bit/ mật độ phổ công suất tạp âm Eb/N0 = 15dB; tỉ số tín hiệu/nhiễu CIR = 0dB; tỉ lệ mã hóa sở R = 2/3; điều chế QPSK; ăng ten thu; nguồn nhiễu Với độ dài lọc nhỏ, hiệu lọc tương đối Khi độ dài lớn hơn, lọc MMSE tốt lọc JLS lọc JLS tốt lọc LS Sự khác hiệu chúng tăng theo độ dài lọc Hình 3.31 thể so sánh lọc không nhân MMSE, LS JLS với thông số: Eb/N0 = 15dB; tỉ số công suất nguồn nhiễu vượt trội/nguồn nhiễu lại DIR = 8dB; độ dài lọc q f = 30; tỉ lệ mã hóa sở R = 2/3; điều chế QPSK; ăng ten thu; nguồn nhiễu Hình 3.31 So sánh hiệu lọc không nhân 22 Phân tích đồ thị hình 3.31 cho thấy lọc MMSE đạt hiệu tốt nhất, xem xét tất nguồn nhiễu (  ) Hiệu lọc JLS (*), lọc LS (o) lọc MMSE ( ), xem xét hai nguồn nhiễu, gần Bộ lọc JLS tốt lọc MMSE tốt dB so với lọc LS 3.3 Kết luận chương Trong chương trình bày giải pháp gạt nhiễu đồng kênh truyền SC – FDMA đường uplink mạng 4G với hai phương pháp lọc thích nghi: lọc thích nghi bình phương nhỏ dựa hoa tiêu lọc thích nghi JLS Từ kết nghiên cứu phân tích nhiễu chương 2, chương tập trung vào nghiên cứu, đánh giá số giải pháp gạt nhiễu đồng kênh đường uplink mạng 4G Trong thực tế có nhiều giải pháp gạt nhiễu mạng 4G mà luận văn chưa đề cập đến Các giải pháp gạt nhiễu cho mạng 4G tiếp tục nghiên cứu, phát triển nhằm phục vụ mục đích đảm bảo chất lượng hệ thống 23 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận Sau trình nghiên cứu, thực đề tài tốt nghiệp, với nỗ lực thân, với giúp đỡ giáo viên đồng nghiệp đến đề tài hoàn thành đáp ứng yêu cầu đặt Kết đạt luận văn - Chỉ đặc điểm vượt trội mạng 4G tốc độ liệu, khả đáp ứng dịch vụ thời gian thực chất lượng cao nơi, lúc - Phân tích giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống mạng 4G: kết hợp băng thông, hệ MIMO bậc cao, hệ MIMO phối hợp, sử dụng relay, sử dụng femtocell, mạng tự tối ưu hóa, điều phối gạt nhiễu - Phân tích loại nhiễu hệ thống thông tin di động, loại nhiễu mạng 4G, đưa mơ hình tốn học nhiễu, khác biệt nhiễu ISI nhiễu cell mạng 4G so với mạng 3G - Phân tích giải pháp gạt nhiễu đồng kênh đường uplink mạng 4G, xây dựng, đánh giá, so sánh lọc MMSE, LS JLS gạt nhiễu đồng kênh đường uplink mạng 4G Kiến nghị hướng nghiên cứu - Nghiên cứu, ứng dụng giải pháp gạt nhiễu trình triển khai mạng 4G Việt Nam - Nghiên cứu giải pháp khắc phục ảnh hưởng nhiễu mạng 4G bên cạnh giải pháp gạt nhiễu tái sử dụng tần số, điều khiển công suất 24 ... giá số giải pháp gạt nhiễu đồng kênh đường uplink mạng 4G Trong thực tế có nhiều giải pháp gạt nhiễu mạng 4G mà luận văn chưa đề cập đến Các giải pháp gạt nhiễu cho mạng 4G tiếp tục nghiên cứu, ... cứu - Nghiên cứu, ứng dụng giải pháp gạt nhiễu trình triển khai mạng 4G Việt Nam - Nghiên cứu giải pháp khắc phục ảnh hưởng nhiễu mạng 4G bên cạnh giải pháp gạt nhiễu tái sử dụng tần số, điều... tích giải pháp gạt nhiễu đồng kênh đường uplink mạng 4G, xây dựng, đánh giá, so sánh lọc MMSE, LS JLS gạt nhiễu đồng kênh đường uplink mạng 4G Kiến nghị hướng nghiên cứu - Nghiên cứu, ứng dụng giải