Nghiên cứu kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin di động 4g LTE advanced

1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG ĐOÀN XUÂN TH O NGHIÊN C U K THU T CHUY N TI P TRONG H TH NG THÔNG TIN DI Đ NG 4G/LTE-ADVANCED Chuyên ngành: K thu t Đi n t Mã s : 60.52.70 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng - Năm 2011 Cơng trình đư c hồn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS Ph m Văn Tu n Ph n bi n 1: TS Nguy n Lê Hùng Ph n bi n 2: TS Lê Thanh Thu Hà Lu n văn ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 03 tháng 12 năm 2011 Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng M Đ U TÍNH C P THI T C A Đ TÀI Trư c s phát tri n vô m nh m c a d ch v s li u, trư c xu hư ng tích h p IP hố đ t u c u m i đ i v i cơng nghi p Vi n Thơng di đ ng Trong b i c nh ngư i ta chuy n hư ng sang nghiên c u tri n khai h th ng thơng tin di đ ng m i có tên g i 4G d a n n t ng công ngh LTE (Long Term Evolution) Hi n nay, th gi i, nư c B c M B c Âu ñã b t ñ u tri n khai m ng Vi n Thông 4G dùng công ngh LTE T i Vi t Nam, cơng ngh 4G/LTE đư c th nghi m b i Ericssion ph i h p v i B Thông tin Truy n thông năm 2010 Đ n nay, B Thơng tin Truy n thơng c p gi y phép th nghi m 4G/LTE m t năm cho năm ñơn v , g m: VNPT, Viettel, FPT, t p đồn Cơng ngh CMC t ng cơng ty VTC Trong giai đo n 1, d án th nghi m cung c p d ch v vơ n băng r ng 4G/LTE s ph sóng t i khu v c Hà N i có t c ñ truy c p Internet lên ñ n 60 Mbps Tr m BTS dùng cơng ngh 4G/LTE đư c l p xong vào ngày 10/10/2010, ñ t t i C u Gi y, Hà N i M C ĐÍCH NGHIÊN C U S đ i c a h th ng 4G/LTE m kh tích h p t t c d ch v , cung c p băng thơng r ng (đ n 100 MHz), dung lư ng l n, truy n d n d li u t c ñ cao (1Gbps cho Downlink 500Mbps cho Uplink) Đ ñ t ñư c yêu c u trên, v i vi c ñ m b o t t ch t lư ng d ch v , công ngh thành ph n tiên ti n ñã ñư c ñ xu t s d ng như: OFDMA, MIMO anten, truy n d n ña ñi m ph i h p, … M t nh ng cơng ngh đem l i nhi u ưu m l i ích thi t th c k thu t chuy n ti p, vi c ñ t thêm nút chuy n ti p ñ chuy n ti p d li u truy n gi a tr m thu phát g c thi t b ngư i dùng K thu t chuy n ti p ñư c s d ng v i nhi u ưu ñi m: - M r ng vùng ph sóng c a eNodeB - Cung c p t c ñ d li u cao, ñ c bi t t i khu v c rìa cell, nơi mà có t s tín hi u nhi u SNR th p - Nâng cao ch t lư ng h th ng - T i ưu ñư c tiêu th cơng su t tồn b n truy n d n - Giá thành thi t b th p eNodeB Đ I TƯ NG VÀ PH M VI NGHIÊN C U T p trung vào ñ i tư ng nghiên c u k thu t chuy n ti p h th ng thông tin di ñ ng 4G/LTE-Advanced, s nghiên c u: - Lý thuy t t ng quan v công ngh LTE/LTE-Advanced - Lý thuy t v k thu t chuy n ti p - Phân tích đ c tính h th ng ph i h p - Phân tích vùng ph sóng tiêu th cơng su t k thu t chuy n ti p - Vi t chương trình mơ ph ng ph n m m Matlab ñ ki m ch ng k t qu lý thuy t ñã ñ c p PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U: - Thu th p, phân tích tài li u thơng tin liên quan đ n đ tài - Vi t chương trình ch y mơ ph ng th c hi n ki m ch ng k t qu Ý NGHĨA KHOA H C VÀ TH C TI N C A Đ TÀI Cơng ngh 4G/LTE đư c tri n khai gi i ñã b t ñ u tri n khai th nghi m nhi u nơi th Vi t Nam Theo nhi u đánh giá chun mơn, th i ñi m thích h p cho d ch v Vi n Thông 4G/LTE phát tri n t i Vi t Nam đư c d đốn kho ng t năm 2013 tr ñi Đ ñ t ñư c nh ng tiêu chu n ñưa c a h th ng v t c đ , băng thơng, dung lư ng, … k thu t chuy n ti p v i nhi u ưu m c a đư c ñ xu t s d ng Hư ng nghiên c u k t qu ñ t ñư c c a đ tài s có nh ng ng d ng hi u qu gi i quy t nh ng v n ñ nêu Hơn n a, vi c th c hi n thành cơng đ tài m nhi u hư ng nghiên c u ng d ng khác th c ti n K T C U LU N VĂN Chương 1: T ng quan v LTE LTE-Advanced Chương 2: K thu t chuy n ti p Chương 3: Phân tích đ c tính h th ng ph i h p Chương 4: Phân tích vùng ph sóng tiêu th cơng su t k thu t chuy n ti p Chương 5: Các k t qu mô ph ng b ng ph n m m Matlab CHƯƠNG T NG QUAN V LTE VÀ LTE-ADVANCED 1.1 GI I THI U LTE (Long Term Evolution) bư c ti p theo d n đ n h th ng thơng tin di ñ ng th hay g i 4G H th ng đư c kỳ v ng có nh ng ti n b vư t b c v cơng ngh nh ng tính so v i th h 3G trư c 1.2 LTE 1.2.1 Các yêu c u c a LTE 1.2.2 Ki n trúc LTE Trong LTE, m ng truy nh p E-UTRAN m ng lõi EPC Hình 1.1 Ki n trúc LTE Release 1.2.2.1 M ng truy nh p vô n M t tr m g c m i ph c t p NodeB WCDMA, eNodeB (Enhanced NodeB) eNodeB th a hư ng ch c c a RNC eNodeB ch u trách nhi m qu n lý tài nguyên vô n c a ơ, quy t đ nh chuy n giao, l p bi u cho c ñư ng lên đư ng xu ng c a eNodeB đư c n i t i m ng lõi thông qua giao di n S1 S1 gi ng giao di n Iu gi a m ng lõi RNC WCDMA Gi a eNodeB có giao di n X2 gi ng giao di n Iur WCDMA 1.2.2.2 M ng lõi - Th c th qu n lý di ñ ng MME - C ng d ch v (Seving Gateway) - C ng m ng d li u gói (PDN Gateway) 1.2.3 Cơ ch truy n d n Đa truy nh p phân chia t n s tr c giao cho ñư ng xu ng (OFDMA) ña truy nh p phân chia t n s - đơn sóng mang (SCFDMA) cho đư ng lên 1.2.3.1 Truy n d n ñư ng xu ng 1.2.3.2 Truy n d n ñư ng lên 1.2.4 Gi i pháp ña anten (MIMO: Multi Input Multi Output) MIMO k thu t s d ng nhi u anten phát nhi u anen thu ñ truy n nh n d li u MIMO chia lu ng d li u thành nhi u lu ng ñơn l , phát lu ng d li u m t kênh vô n t i m t th i m Phía thu s d ng m t thu t tốn đ x lý t o tín hi u phát ban đ u t nhi u tín hi u thu đư c 1.3 LTE-ADVANCED LTE-Advanced s ti n hóa tương lai c a cơng ngh LTE nh m đáp ng nh ng yêu c u c a công ngh th h th (4G) 1.3.1 Các yêu c u c a LTE-Advanced 1.3.2 Các công ngh thành ph n ñ xu t cho LTE-Advanced 1.3.2.1 Truy n d n băng r ng chia s ph t n 1.3.2.2 Gi i pháp ña anten m r ng 1.3.2.3 Truy n d n ña ñi m ph i h p 1.3.2.4 Các b l p b chuy n ti p 1.4 SO SÁNH LTE LTE-ADVANCED B ng 1.1 So sánh yêu c u c a LTE LTE-Advanced Cơng ngh LTE LTE-Advanced T c đ Downlink 150 Mbit/s Gbit/s T c ñ Uplink 75 Mbit/s 500 Mbit/s Băng thông 20 MHz 100 MHz Downlink Băng thơng 20 MHz 40 MHz Uplink Tính di đ ng - Ho t ñ ng t i ưu v i t c - Tương t ñ th p (< 15 km/hr) LTE - V n ho t ñ ng t t t c ñ ñ n 120 km/hr - V n trì ho t đ ng t c đ đ n 350 km/hr Vùng ph sóng - Lên ñ n Km - Tương t yêu c u c a LTE Dung lư ng - Cell v i 200 ngư i dùng - G p 03 l n ho t ñ ng MHz LTE CHƯƠNG K THU T CHUY N TI P 2.1 GI I THI U T NG QUAN Nguyên lý c a k thu t chuy n ti p vi c s d ng nút chuy n ti p (Relay node) ñ nh n truy n d li u gi a eNodeB thi t b ngư i dùng UE thông qua vi c truy n d n qua nhi u ch ng Hình 2.1 Minh h a k thu t chuy n ti p Các ưu ñi m c a vi c s d ng nút chuy n ti p: - M r ng vùng ph sóng c a eNodeB - Cung c p t c ñ d li u cao, ñ c bi t t i khu v c rìa cell - Nâng cao ch t lư ng h th ng - T i ưu ñư c tiêu th công su t c a h th ng - Giá thành thi t b th p eNodeB - Nh g n, d dàng l p ñ t 2.2 CÁC LO I NÚT CHUY N TI P Hai lo i nút chuy n ti p: lo i lo i M t nút chuy n ti p lo i có th giúp m t UE xa, n m vùng ph c a eNodeB, truy nh p đ n eNodeB M c tiêu c a đ m r ng vùng ph tín hi u d ch v 10 M t nút chuy n ti p lo i có th giúp m t UE n i h t, n m vùng ph c a eNodeB có n thơng tin tr c ti p đ n eNodeB, c i thi n ñư c ch t lư ng d ch v dung lư ng n truy n d n c a M c tiêu c a đ gia tăng tồn b dung lư ng h th ng b ng vi c t o phân t p ña ñư ng ñ l i truy n d n cho UE n i h t 2.3 CÁC CHI N LƯ C CHUY N TI P Hình 2.5 Chuy n ti p chi u Hình 2.6 Chuy n ti p chi u 2.4 CÁC CƠ CH TRUY N D N CHUY N TI P 2.4.1 Khu ch ñ i chuy n ti p (AF: Amplify and Forward) Đ u tiên, nút chuy n ti p nh n tín hi u t eNodeB (hay UE) Sau khu ch đ i tín hi u thu chuy n ti p đ n UE (hay eNodeB) 12 CHƯƠNG PHÂN TÍCH Đ C TÍNH H TH NG PH I H P 3.1 GI I THI U Thông tin ph i h p cung c p phân t p khơng gian đ ch ng l i fading vơ n Trong thơng tin ph i h p, tín hi u thu s k t h p c a tín hi u phát t nút ngu n t nút chuy n ti p 3.2 H TH NG PH I H P V I NÚT CHUY N TI P AF 3.2.1 Mơ hình h th ng Xem xét m t h th ng thông tin ph i h p bao g m m t kênh tr c ti p N kênh hai ch ng v i nút chuy n ti p AF Đ u tiên, thi t b ngu n phát tín hi u x Tín hi u thu t i nút chuy n ti p th i t i đích tương ng là: y SRi = hSRi x + n SRi (3.1) y SD = hSD x + n SD ñây hSRi hSD (3.2) tương ng ñ l i kênh gi a ngu n nút chuy n ti p th i ñ l i kênh gi a ngu n đích K ti p, nút chuy n ti p th i khu ch đ i tín hi u thu ñư c c a chuy n ti p đ n đích thơng qua kênh hRi D Đ u cu i đích nh n tín hi u truy n d n chuy n ti p theo bi u th c: y R D = Gi hR D y SR + n R D i i i i (3.3) ñây hR D ñ l i kênh gi a nút chuy n ti p th i đích Đ l i i nút chuy n ti p th i G i = E s /  E s h SR i   + N0  ,   ñây E s lư ng symbol trung bình S d ng k t h p t s c c đ i (MRC) t i đích, SNR end-toend t c th i có th đư c vi t: 13 γ SR γ R D i =1 + γ SR + γ R D N γ D = γ SD + ∑ i i i (3.4) i ñây γ SR = hSR E s / N γ R D = hR D E s / N tương ng SNR i i i t c th i c a ch ng S − Ri i Ri − D γ SD = hSD E s / N bi u th SNR t c th i c a n S − D 3.2.2 PDF CDF cho SNR gi i h n 3.2.2.1 Trư ng h p khơng có ch n l a nút chuy n ti p 3.2.2.2 Trư ng h p ch n l a nút chuy n ti p t t nh t 3.2.3 Phân tích đ c tính h th ng 3.2.3.1 Đ l i SNR end-to-end trung bình GainSNR = N 2 1 1+ ∑    n =1 2n  (3.28) 3.2.3.2 T l l i symbol trung bình ∞ SER = ∫ SER (γ ) f γ up (γ )dγ (3.33) • Tín hi u nh phân n −1 N   N  (− 1)   γ  SER = ∑    L1   − 2nL1 (γ )  n  (1 − 2n )   2n  n =1  (3.36) ñây bi u th c cho L1 (.) ñư c cho b i: L1 (c ) = π π /2 ∫  sin θ  1 c    sin θ + c dθ = 1 − + c         (3.37) γ = γ SD = E s / N • Tín hi u M-PSK n −1  γ π  N  (− 1) SER = ∑   ×  L2  sin   2n M n =1  n  ( − 2n )   N   2 π   − 2nL2  γ sin     M  ñây bi u th c cho L2 (.) ñư c cho b i:   (3.39)      14 L2 (c ) = π ∫ sin θ    sin θ + c dθ    ( M −1)π / M  (3.40) c  M   M −   = 1 − + c  (M − 1)π  M     c  π π  ×  + tan −1    + c cot M                  • Tín hi u M-QAM     0.75γ   1.5γ    − 2nL1   L1   1 −  n(M − 1)  M −  N M       (3.42)  N  (− 1) SER = 4∑   ×  n =1  n  ( − n )      0.75γ   1.5γ     − 1 − M   L3  n(M − 1)  − 2nL3  M −              n −1 ñây L1 (.) ñư c ñ nh nghĩa (3.37) L3 (.) ñư c cho b i: L3 (c ) = = π ∫ π /4  sin θ    sin θ + c dθ    (3.43)  + c   1 c 4  −1    tan  1 −   4 + c π c        3.3 H TH NG PH I H P V I NÚT CHUY N TI P DF 3.3.1 Mơ hình h th ng Tín hi u thu y s , d y s , r tương ng t i đích t i nút chuy n ti p có th đư c vi t: y s , d = P1 hs , d x + η s , d (3.44) y s , r = P1 hs , r x + η s , r (3.45) P1 cơng su t phát c a ngu n Tín hi u thu t i đích lúc này: yr, d = ~ P2 hr , d x + η r , d (3.46) ~ ñây P2 = P2 n u nút chuy n ti p gi i mã symbol phát, n u ~ khơng P2 = 15 3.3.2 Phân tích SER • Đi u ch M-PSK  bPSK P1δ s2, d   bPSK P1δ s2, r   F1 1 +  PPSK = F1 1 +  N sin θ   N sin θ      2   bPSK P1δ s , d  bPSK P2δ r , d   1 +  + F1  1 +  N sin θ  N sin θ        bPSK P1δ s2, r × 1 − F1 1 +  N sin θ    (3.53)     ñây: F1 ( x(θ )) = bPSK ( M −1)π / M dθ x(θ ) π∫ = sin (π / M ) (3.54) δ s2, d , δ s2, r δ r2, d l n lư t phương sai c a hs , d , hs , r hr , d • Đi u ch M-QAM  bQAM P1δ s2, d   bQAM P1δ s2, r   F 1 +  PQAM = F2 1 +  N sin θ   N sin θ      2   bQAM P1δ s , d  bQAM P2δ r , d    +  + F2  1 +   N sin θ  N sin θ      (3.55)   bQAM P1δ s2, r    × 1 − F2 1 +  N sin θ       ñây: F2 (x(θ )) = 4K π ∫ π /2 dθ − x(θ ) bQAM = / (M − 1) ; 4K K = 1− π π /4 ∫ M dθ x(θ ) (3.56) 16 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÙNG PH SĨNG VÀ TIÊU TH CƠNG SU T TRONG K THU T CHUY N TI P 4.1 PHÂN TÍCH VÙNG PH SĨNG 4.1.1 T c đ truy n d n cho ch chuy n ti p DF 4.1.2 M r ng d i vùng ph h th ng t bào Xem xét m t cell g c đư c bi u th m t hình trịn tr m chuy n ti p ñư c ñ t ñ ng ñ u bao quanh BS Bán kính cell c c đ i đ t đư c b i BS tr m chuy n ti p đ t đ ng đ u bao quanh g i d i vùng ph rcov Hình 4.2 Ví d v tăng vùng ph b ng tr m chuy n ti p Bán kính r0 d i vùng ph ch c a BS Di n tích c a hình trịn c c đ i đư c đ nh nghĩa b i bán kính r2 d i vùng ph m i rcov cho h th ng g m BS tr m chuy n ti p Trong hình 4.2, góc α quy t đ nh kích c c a sector hình trịn đư c hình thành b i m t tr m chuy n ti p đư c xem góc vùng ph α cov 4.1.3 Phân tích d i vùng ph h th ng chuy n ti p 4.1.3.1 X p x l c quan cho d i vùng ph Đ u tiên xem xét m t user biên A ñư c mơ t hình 4.3 Kho ng cách c a đ n BS RS b ng 17 Hình 4.3 X p x l c quan cho d i vùng ph (θ ≥ 60 ) o Gi s r ng di n tích vùng ph c a RS b ng v i BS, ta bi u th bán kính c a chúng a Cho m t góc vùng ph θ > 60 o , d i vùng ph c c ñ i ñ t đư c m T góc θ , tương ng a / sin(θ / 2) Và cho góc vùng ph θ ≤ 60 o , d i vùng ph c c ñ i b ng kho ng cách t BS ñ n A′ qua ñi m c t A c a hai hình trịn Hình 4.4 X p x l c quan cho d i vùng ph (θ < 60 ) o Vì v y bi u th c d i vùng ph theo góc vùng ph v i x p x l c quan ñư c cho sau: rcov a + 2a cos θ , if θ < 60 o  = a if θ ≥ 60 o  sin (θ / ) ,  (4.11) 4.1.3.2 X p x bi quan cho d i vùng ph Không ph i t t c user m nh t BS RS biên đ u nh n tín hi u có ñ 18 Hình 4.5 X p x bi quan cho d i vùng ph Như mơ t hình 4.5, user biên B n m cách xa BS r t nhi u so v i RS Chúng ta bi u th bán kính di n tích vùng ph c a BS a1 bán kính di n tích vùng ph c a RS a hình 4.5 Lúc bi u th c d i vùng ph theo góc vùng ph là: rcov [( đây: θ1 = arcsin a1 + 2a cos ϕ , if θ < θ1   a2 = , if θ1 ≤ θ < θ  sin (θ / 2) a1 , if θ ≥ θ  ) ], p2 + − p / (4.13) θ = arcsin(1 / p ) và: cos ϕ = cos(θ / 2) − p sin (θ / 2) − p sin (θ / 2) v i p = a1 / a 4.2 PHÂN TÍCH S TIÊU TH CƠNG SU T Gi s fading shadowing không t n t i kênh truy n vô n Lúc công su t tiêu th ñư c ñ nh nghĩa sau: Pdtx = α + β r n (4.14) ñây: α công su t tiêu th t i máy phát, máy thu q trình x lý tín hi u, β r n t n hao ñư ng truy n r kho ng cách gi a MS BS Cơng su t tiêu th tồn b là: (4.15) Prel = PBS − RS + PRS − MS 19 m t ñư ng th ng, tiêu th Khi BS, MS RS công su t nh nh t b i lúc kho ng cách gi a m i nút ng n nh t M t khác, RS ñ t t i ñi m giao gi a hai vùng ph , tiêu th cơng su t l n nh t Hình 4.6 V trí c a RS truy n d n chuy n ti p Xem MS, RS BS ñư c ñ t tương ng t i (r , 0) , (x, h ) , (0, 0) Công su t tiêu th nh nh t l n nh t đư c mơ t sau: n (4.16) Prel = (α + β x n ) + α + β (r − x ) ( ( ) ( n Prel max = α + β R0 + α + β r0n ) ) (4.17) Công su t tiêu th trung bình đư c tính b ng cách l y tích phân tiêu th cơng su t vùng chuy n ti p A B hình: (4.18) Prelavg = ∫∫ PBS − RS + PRS − MS dhdx A+ B ñây: PBS − RS = α + β x + h PRS −MS = α + β n (r − x )2 + h (4.19) n (4.20) 20 CHƯƠNG CÁC K T QU MÔ PH NG B NG MATLAB 5.1 GI I THI U CHUNG 5.1.1 Sơ đ mơ ph ng ñánh giá s c i thi n ch t lư ng h th ng ph i h p Hình 5.2 Sơ đ mơ ph ng v i nhi u nút chuy n ti p 21 5.1.2 Lưu ñ gi i thu t mô ph ng ñánh giá s c i thi n công su t tiêu th s d ng nút chuy n ti p B tñ u n ñ nh tham s ñ u vào (M c thu, Kho ng cách c ñ nh gi a eNodeB UE: d, h s t n hao ñư ng truy n: n) n ñ nh kho ng cách ban ñ u t RN ñ n eNodeB: dr = Tính t ng cơng su t tiêu th = Cơng su t (t eNodeB đ n RN) + Cơng su t (t RN đ n UE) Tính t ng cơng su t tiêu th cho đư ng truy n tr c ti p dr ++