Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO ðẠI HỌC ðÀ NẴNG TRƯƠNG NGỌC PHÚ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ðA CHẶNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ðà Nẵng, Năm 2013 Công trình ñược hoàn thành tại ðẠI HỌC ðÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LÊ HÙNG Phản biện 1: TS. NGUYỄN VĂN TUẤN Phản biện 2: PGS TS. NGUYỄN HỮU THANH Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại ðại học ðà Nẵng vào ngày 2 tháng 6 năm 2013 * Có thể tìm hiểu luận văn tại : - Trung tâm Thông tin - Học liệu, ðại học ðà Nẵng 1 MỞ ðẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Trong những thập niên trở lại ñây, với phát triển mạnh của các dịch vụ số liệu, các nhu cầu truyền thông ña phương tiện với tốc ñộ cao, ñã thúc ñẩy việc nghiên cứu ra nhiều công nghệ mới với băng thông rộng hơn ñể ñáp ứng lại sự phát triển này. Mạng vô tuyến băng rộng với các tiêu chuẩn mới như Wimax, LTE/LTE- Advanced, với các ưu ñiểm vượt trội về tốc ñộ truyền tải dữ liệu, hứa hẹn sẽ ñem lại cho người sử dụng các dịch vụ truy cập số liệu tốc ñộ và chất lượng cao. ðể ñạt ñược nhưng yêu cầu về thông lượng, phạm vi phủ sóng rộng lớn, cũng như việc cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn, hệ thống vô tuyến băng rộng ñã sử dụng kỹ thuật truyền thông ña chặng với các nút chuyển tiếp. Kỹ thuật truyền thông ña chặng sử dụng nút chuyển tiếp ñể chia ñường truyền (vùng phủ sóng) ra thành nhiều chặng nhỏ. Kỹ thuật này có nhiều ưu ñiểm như: giảm công suất phát, mở rộng vùng phủ sóng của mạng, tăng thông lượng hệ thống….Ngoài ra, việc tăng số chặng của hệ thống ảnh hưởng như thế nào ñến hiệu năng của hệ thống cũng là vấn ñề cấp thiết cần ñược nghiên cứu khi thiết kế mạng. Chính vì những vấn ñề trên, mà việc nghiên cứu kỹ thuật truyền thông ña chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng là cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu + Nghiên cứu các hệ thống truyền dẫn trong thông tin vô tuyến băng rộng làm cơ sở cho việc mở rộng mạng bằng kỹ thuật chuyển ti ếp. + Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp làm nền tảng cho việc nghiên cứu kỹ thuật truyền thông ña chặng. 2 + Nguyên cứu ñánh giá hiệu năng hệ thống ña chặng ñể làm cơ sở cho việc qui hoạch, tối ưu mạng. + Xây dựng chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab ñể kiểm chứng kết quả lý thuyết ñã ñề cập. 3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu + Các ñặc tính của mạng thông tin vô tuyến băng rộng. + Các ñặc tính, nguyên lý hoạt ñộng của kỹ thuật chuyển tiếp, ưu nhược ñiểm kỹ thuật mạng ña chặng, kiến trúc mạng tế bào ña chặng. + Phân tích hiệu năng hệ thống hai chặng hợp tác, hệ thống ña chặng không hợp tác với nút chuyển tiếp cố ñịnh. + Ứng dụng Matlab ñể mô phỏng. 4. Phương pháp nghiên cứu + Thu thập tài liệu, chọn lọc và phân tích các thông tin liên quan ñến nội dung nghiên cứu của ñề tài. + Nguyên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp. + Xây dựng mô hình hệ thống hai chặng và ña chặng, ñánh giá các tham số của hệ thống. + Sử dụng Matlab ñể mô phỏng ñánh giá các thông số mạng ña chặng. 5. Bố cục ñề tài Theo mục tiêu và ñối tượng nghiên cứu ñã trình bày ở phần trên, nội dung của ñề tài sẽ bao gồm các phần sau: Chương 1 Giới thiệu hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng Nội dung chương này giới thiệu tổng quan về hệ thông thống tin di ñộng, hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cố ñịnh và băng rộng di ñộng. Tìm hiểu ñặc tính của kỹ thuật OFDM. 3 Chương 2 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng ña chặng Giới thiệu về khái niệm kỹ thuật chuyển tiếp, các loại nút chuyển tiếp, các phương pháp chuyển tiếp tín hiệu, các cơ chế bắt cặp chọn nút chuyển tiếp. Chương 3 Kỹ thuật ña chặng trong mạng băng rộng Giới thiệu khái quát về kỹ thuật mạng ña chặng, phân tích ưu nhược ñiểm của mạng ña chặng. Trình bày một số kiến trúc của mạng tế bào ña chặng. Phân tích vấn ñề tiêu thụ công suất phát trong hệ thống ña chặng. Chương 4 Phân tích hiệu năng hệ thống ña chặng với nút chuyển tiếp cố ñịnh Phân tích hiệu năng của mạng hai chặng hợp tác và mạng ña chặng với mô hình tuyến tính không hợp tác. ðánh giá các tham số của hệ thống như SNR, tỉ lệ lỗi bít, xác suất rớt của hệ thống. Chương 5 Mô phỏng và kết quả Giới thiệu các lưu ñồ mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu ñược về ñánh giá tỉ lệ lỗi bit, xác suất rớt của hệ thống hai chặng hợp tác, hệ thống ña chặng. 6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu ñược tham khảo là những bài báo, các luận văn thạc sỹ từ các trường ñại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng với các trang web tìm hiểu. 4 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương này sẽ giới thiệu khái quát quá trình phát triển của mạng vô tuyến di ñộng từ thế hệ ñầu tiên ñến công nghệ mới nhất 4G. Tiếp ñến, sẽ giới thiệu và so sánh các công nghệ vô tuyến băng rộng cố ñịnh và vô tuyến băng rộng di ñộng. 1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ðỘNG 1.3 MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG Hình 1.3 Phân loại mạng vô tuyến băng rộng 1.3.1 Mạng vô tuyến băng rộng cố ñịnh a. Wi-Fi b. WiMax 1.3.2 Mạng vô tuyến băng rộng di ñộng a. Mạng thế hệ thứ 3 (3G) b. Mạng thế hệ thứ 4 (4G) 5 Wi-Fi Wimax 4G 3.xG 3G 2G Tính di ñộng Tốc ñộ 1.3.3 So sánh mạng vô tuyến băng rộng di ñộng và cố ñịnh Hình 1.6 Quan hệ giữa vô tuyến cố ñịnh và vô tuyến di ñộng 1.4 KỸ THUẬT OFDM 1.4.1 Giới thiệu 1.4.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM 1.4.3 Sự trực giao (Orthogonal) 1.4.4 Sơ ñồ khối hệ thống OFDM 1.4.6 Ưu ñiểm và nhược ñiểm của kỹ thuật OFDM 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Mạng vô tuyến băng rộng cố ñịnh giúp người sử dụng ñáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cho việc truy cập vô tuyến băng thông rộng tại các ñiểm phát sóng. Trong khi các công nghệ vô tuyến băng rộng di ñộng cho phép truy cập mạng vô tuyến băng thông rộng với người dùng v ới tinh di ñộng cao. 6 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG ðA CHẶNG 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Nội dung chương này sẽ giới thiệu khái niệm cơ bản về nút chuyển tiếp, những phương pháp chuyển tiếp thường ñược sử dụng trong mạng băng rộng. Ngoài ra, trong chương cũng sẽ phân tích một số loại chuyển tiếp, các phương thức bắt cặp lựa chọn nút chuyển tiếp. 2.2 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP Nguyên lý của kỹ thuật chuyển tiếp là sử dụng nút chuyển tiếp (RN) như một thiết bị ñể truyền dữ liệu giữa trạm gốc (BS) và thiết bị người dùng (UE/ MS). Hình 2.1 cho ta một mô hình mạng chuyển tiếp ñơn giản với nguồn (BS), nút chuyển tiếp (Relay) và ñích (UE). 2.3 CÁC LOẠI CHUYỂN TIẾP Có hai loại chuyển tiếp ñược ñịnh nghĩa trong tiêu chuẩn 3GPP LTE-Advanced là chuyển tiếp loại 1 (Type-I) và loại 2 (Type- II). Nút chuy ển tiếp loại 1 là ñể mở rộng vùng phủ sóng. Nút chuyển tiếp loại 2 ñược sử dụng ñể cải thiện cải thiện chất lượng dịch vụ và dung lượng ñường truyền. Hình 2.1 Minh h ọa kỹ thuật chuyển tiếp 7 2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN TIẾP TÍN HIỆU 2.4.1 Khuếch ñại và chuyển tiếp (AF) 2.4.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF) 2.4.3 Giải ñiều chế và chuyển tiếp (DMF) 2.5 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 2.5.1 Chuyển tiếp một chiều (one way relay) Hình 2.5 Chuyển tiếp một chiều 2.5.2 Chuyển tiếp hai chiều (two way relay) Hình 2.6 Chuyển tiếp hai chiều 2.5.3 Chuyển tiếp chia sẻ 2.6 PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP 2.6.1 Phương pháp bắt cặp tập trung 2.6.2 Phương pháp bắt cặp phân phối 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng ña chặng ñã ñược phân loại dựa trên cách thức tiếp cận khác nhau như dựa trên vị trí, chức năng của chuyển tiếp trong mạng, cách thức tiếp nhận và xử lý tín hi ệu của nút chuyển tiếp. Qua ñó, có thể thấy rằng nút chuyển tiếp ñược xem là phương thức ñể ñảm bảo dung lượng và tăng cường phạm vi phủ sóng của hệ thống vô tuyến. 8 CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ðA CHẶNG TRONG MẠNG BĂNG RỘNG 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương này sẽ phân tích ưu, nhược ñiểm và trình bày một số kiến trúc ñiển hình của mạng tế bào ña chặng. Ngoài ra, trong phần cuối của chương sẽ phân tích hiệu quả của công suất phát khi thay ñổi số chặng truyền dẫn vô tuyến từ nguồn ñến ñích trong môi trường không gian tự do . 3.2 KHÁI NIỆM MẠNG ðƠN CHẶNG VÀ ðA CHẶNG + Mạng ñơn chặng Mạng vô tuyến di ñộng hiện tại (như GSM, CDMA, và IEEE 802.16) hoạt ñộng theo cấu trúc liên kết ñiểm-ña ñiểm, trong ñó chỉ tồn tại hai và chỉ hai loại thực thể mạng, là trạm gốc (BS) và trạm di ñộng (MS). Hình 3.1 Topology mạng ñơn chặng ñiểm – ña ñiểm + Mạng ña chặng Mạng chuyển tiếp ña chặng là một sự kết hợp của các liên kết ngắn ñể có thể phủ sóng một khu vực lớn rộng lớn bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa trạm gốc (BS) và máy thu (MS). Trong hình 3.3a, việc truyền tín hiệu vô tuyến chỉ có thể ñến các tr ạm mà cách nhau một chặng từ máy phát. MS3 trong hình 3.3a chỉ có thể thiết lập một việc truyền dẫn trực tiếp với RS3. Trong hình . nghệ vô tuyến băng rộng cố ñịnh và vô tuyến băng rộng di ñộng. 1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ðỘNG 1.3 MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG. PHÚ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ðA CHẶNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ