Ước lượng, bù dịch tần doppler trong hệ thống thông tin di động dải sóng milimet

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Ước lượng, bù dịch tần Doppler hệ thống thơng tin di dộng dải sóng Milimet ĐINH VĂN LINH Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Văn Yêm Viện: Điện tử viễn thông HÀ NỘI, 5/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Ước lượng, bù dịch tần Doppler hệ thống thơng tin di dộng dải sóng Milimet ĐINH VĂN LINH Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Vũ Văn Yêm Viện: Điện tử viễn thông HÀ NỘI, 5/2020 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: ĐINH VĂN LINH Đề tài luận văn: Ước lượng, bù dịch tần Doppler hệ thống thông tin di động dải sóng Milimet Chun ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số HV: CA180265 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 20/5/2020 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lại số hình vẽ bị mờ - Gõ lại số cơng thức tốn học - Bỏ chữ “chương kết luận chung” - Trong tóm tắt luận văn: sửa lại 15-1mm - Trong luận văn thay chữ "Em" chữ "Tác giả" - Trong mục 2.2.4.3 thêm kịch thay đổi công suất phát từ 43 dBm 34 dBm (trang 55) - Trong mục 3.3, em thêm kết hình 3.9 so sánh trình trước bù sau bù viết lại nhận xét chương (trang 71) Hà Nội, Ngày 20 tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS TS Vũ Văn Yêm Đinh Văn Linh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Nguyễn Văn Đức LỜI CẢM ƠN Luận văn thực phòng nghiên cứu RF Lab, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS TS Vũ Văn Yêm hướng dẫn Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Vũ Văn Yêm - người tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm đưa ý kiến đóng góp quý báu động viên tinh thần suốt trình nghiên cứu thực luận văn Do thời gian thực có hạn, kiến thức chun mơn cịn nhiều hạn chế nên luận văn Tác giả thực không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp q báu q thầy bạn đọc Xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Mạng thông tin di động 5G triển khai thử nghiệm số nước sử dụng sóng milimet (Milimetre wave) đại diện cho phổ tín hiệu RF khoảng 20 GHz đến 300 GHz với bước sóng từ 15-1mm Đối với kênh truyền hệ thống thơng tin di động dải sóng milimet, mơ hình suy hao yếu tố quan trọng việc lập kế hoạch, phát triển di động để tính tốn cơng suất, hướng anten… từ cung cấp kết nối không dây ổn định, tốc độ cao cho tất thiết bị di động Trong luận văn trình bày mơ hình suy hao tần số 28 GHz dựa sở lý thuyết mô hình suy hao NYU WIRELESS 3GPP Cơng cụ mơ kênh truyền phần mềm Wireless Insite, liệu đầu thu thập từ mơ hình mơ suy hao truyền sóng khu vực Keangnam, Hà Nội, sau tiến hành xử lý kỹ thuật xử lý liệu phân tích hồi quy – thuật toán gradient descent thuật toán K-Nearest Neighbor Machine Learning Cả hai kỹ thuật cho kết tương thích cao so với mơ hình suy hao truyền sóng milimet NYU WIRELESS 3GPP Đối với 4G-LTE sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM 5G sử dụng biến thể khác OFDM CP-OFDM, F-OFDM, FBMC, UFMC, GFDM Kỹ thuật OFDM lại nhạy với độ dịch tần Doppler Khi UE di chuyển với vận tốc cao, độ dịch tần Doppler lớn làm tính trực giao băng nhiễu liên kênh (Inter-Carrier Interference (ICI)), điều làm giảm độ tin cậy hiệu suất hệ thống Có vài phương pháp đề xuất để ước lượng bù dịch tần Trong luận văn này, tác giả sử dụng dạng sóng CP-OFDM áp dụng kỹ thuật ước lượng bù CFO theo miền tần số Kỹ thuật cho phép chèn pilot kèm theo ký hiệu CP-OFDM cho kết tốt giá trị Eb/No, sau bù có BER thấp trước bù Hà Nội, ngày 08 tháng 01 năm 2020 Đinh Văn Linh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii CHƯƠNG GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DẢI SÓNG MILIMET 1.1 Giới thiệu băng tần milimet hệ thống thông tin di động 1.1.1 Xu hướng phát triển công nghệ dịch vụ thông tin di động 1.1.2 Tiêu chuẩn mạng 5G 1.1.3 Sóng milimet cơng nghệ 5G 1.1.4 Dạng sóng 5G 1.2 Mơ hình suy hao truyền sóng cho băng tần sóng milimet 11 1.2.1 Mơ hình suy hao truyền sóng khơng gian tự 11 1.2.2 Mơ hình SUI (Standford University Interim) 14 1.2.3 Mô hình suy hao đề xuất NYU Wireless 15 1.2.4 Mơ hình suy hao truyền sóng 3GPP 16 1.3 Kết luận chương 24 CHƯƠNG KỸ THUẬT XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ MƠ HÌNH SUY HAO TRUYỀN SĨNG Ở DẢI TẦN 28 GHz 25 2.1 Kỹ thuật xử lý liệu cho tốn suy hao truyền sóng 25 2.1.1 Phân tích hồi quy 25 2.1.2 Thuật toán Gradient descent 27 2.1.3 Thuật toán K-Nearest Neighbor cho hồi quy 29 2.2 Mơ hình suy hao truyền sóng dải tần 28 GHz khu vực Keangnam, Hà Nội 33 2.2.1 Công cụ Wireless Insite 33 2.2.2 Cài đặt mơ hình mơ khu vực Keangnam, Hà Nội 37 i 2.2.3 Q trình mơ 38 2.2.4 Kết xử lý liệu kỹ thuật phân tích hồi quy tuyến tính – thuật tốn Gradient Descent 40 2.2.5 Kết xử lý liệu thuật tốn K-Nearest Neighbor 48 2.2.6 So sánh với cơng thức 3GPP, kết NYU Wireless .51 2.3 Kết luận chương 53 CHƯƠNG ƯỚC LƯỢNG VÀ BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO DẢI TẦN 28 GHz 54 3.1 Ảnh hưởng CFO .54 3.1.1 Ảnh hưởng phần nguyên độ dịch tần số sóng mang (IFO) .57 3.1.2 Ảnh hưởng phần phân đoạn độ dịch tần số sóng mang (FFO) 57 3.2 Kỹ thuật ước lượng kênh CFO 59 3.2.1 Kỹ thuật ước lượng kênh miền thời gian cho CFO 59 3.2.2 Kỹ thuật ước lượng miền tần số cho CFO .62 3.3 Kết ước lượng bù CFO dải tần 28 GHz .64 3.4 Kết luận chương 66 KẾT LUẬN CHUNG 67 Kết luận 67 Hướng phát triển 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3GPP 3rd Generation Partnership Project 4G-LTE 4th Generation – Long Term Evolution AOD Angels of Departure AOA Angle Of Arrival CFO Carrier Frequency Offset CP Cyclic Prefix CMOS Complementary Metal–Oxide–Semiconductor DVB Digital Video Broadcasting DFT Discrete Fourier Transform FFT Fast Fourier Transform FFO Fractional Carrier Frequency Offset FBMC Filter Bank Multi-Carrier FS Frequency Spreading FMT Filtered Multi Tone GFDM Generalized Frequency Division Multiplexing KNN K Nearest Neighbor HDTV High-definition Television ICI Inter-carrier Interference IC Interference Cancellation ISI Inter-symbol Interference IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFO Integer Carrier Frequency Offset IFFT Inverse Fast Fourier Transform iii ITU-R International Telecommunication Union Radiocommunication LOS Light of Sight LSE Least Square Error MSE Mean Squared Error MIMO Multiple-Input and Multiple-Output MMS Multimedia Messaging Service MF Matched Filter NLOS Non Line of Sight OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OQAM Offset QAM PL Path Loss P/S Parallel to Serial PPN Polyphase Networks QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation RF Radio Frequency RB Resource Block RRC Root-raised-cosine SUI Standford University Interim STO Symbol Timing Offset S/P Serial to Parallel SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access TEDS Telecommunication Equipment Distribution Service TOD Time of Departure iv TOA Time of Arrival UFMC Universal Filtered Multi-Carrier UE User Equipment VCO Voltage Controlled Oscillators v ảnh hưởng CFO ε tín hiệu nhận y [ n ] biểu diễn Bảng 3.2 Bảng 3.1 Ví dụ tần số Doppler chuẩn hóa CFO Tần số Khoảng sóng cách sóng mang mang ( fc ) (∆f ) DMB 375MHz 1kHz 3GPP 2GHz 2,3GHz Hệ thống Mobile WiMAX Tần số Chuẩn Vận tốc Doppler hóa (ν ) lớn CFO ( fd ) (ε ) 120km/h 41,67Hz 0,042 15kHz 120km/h 222,22Hz 0,0148 9,765kHz 120km/h 255,55Hz 0,0263 Bảng 3.2 Ảnh hưởng CFO tín hiệu nhận hiệu Ảnh hưởng CFO ε Tín nhận tín hiệu nhận Tín hiệu miền thời gian y [ n] e j 2π nε / N x [ n ] Tín hiệu miền tần số Y [k ] X [k − ε ] Hình 3.1 Ảnh hưởng CFO lên nhiễu liên kênh [11] Hình 3.1 biểu diễn dịch tần −ε tín hiệu miền tần số X [ k ] bị tác động CFO ε dẫn tới nhiễu liên sóng mang (ICI), điều có nghĩa thành phần tần số sóng mang bị ảnh hưởng thành phần sóng mang khác Xem xét 55 ảnh hưởng CFO, giả sử CFO ε tồn phát thu, khơng có nhiễu pha Tín hiệu băng sở có mặt CFO ε là: = = y [ n ] IDFT{ Y [ k ]} IDFT{H [ k ] X [ k ] + Z [ k ]} l l l l l N −1 j 2π (k +ε )(n+δ )/ N + z n ∑ H [k ] Xl [k ]e l[ ] N k =0 l PT 3.3 Trong zl [ n ] = IDFT{Z l [ k ]} Theo phương trình (PT 3.3) tín hiệu nhận miền thời gian viết sau: = yl [ n ] N N −1 ∑ H [ k ]X l [ k ] e j 2π ( k +ε ) n/ N + zl [ n] PT 3.4 k =0 Hình 3.2 Ảnh hưởng CFO ε pha tín hiệu miền thời gian [11] Hình 3.2 (a), (b), (c) biểu diễn pha tín hiệu miền thời gian bị ảnh hưởng CFO thực Bảng 3.2 phương trình (PT 3.4) Giả sử kích thước FFT N = 32 với điều chế QPSK không bị nhiễu Đường nét liền nét đứt 56 biểu đồ bên trái Hình 3.2 tương ứng trường hợp lý tưởng khơng có CFO (ε = 0) trường hợp có CFO Biểu đồ bên tay phải biểu diễn lệch pha chúng Từ hình trên, ta thấy tín hiệu nhận quay nhanh miền thời gian CFO tăng nhanh Trong đó, lệch pha tăng tuyến tính với thời gian, độ dốc tăng với CFO Như Hình 3.2 (c) ε > 0.5, độ lệch pha vượt π ký hiệu OFDM, gây lệch pha không rõ ràng Nó liên quan đến dải ước lượng CFO Chuẩn hóa CFO chia thành phần: CFO nguyên (IFO) ε i CFO phân đoạn (FFO) ε f ( ε= ε i + ε f ) 3.1.1 Ảnh hưởng phần nguyên độ dịch tần số sóng mang (IFO) Hình 3.3 biểu diễn mẫu tín hiệu truyền {x1 [ n ]}nN=−01 ảnh hưởng IFO ε i sinh tín hiệu e j 2πεi n / N x [ n ] thu Do IFO, tín hiệu truyền X [ k ] dịch tuần hoàn ε i thu, sinh X [ k − ε i ] sóng mang thứ k Trừ dịch chuyển tuần hoàn bù, hiệu BER suy giảm nhiều Tuy nhiên, tính trực giao thành phần sóng mang khơng thể thực được, ICI khơng xảy Hình 3.3 Ảnh hưởng phần ngun CFO lên tín hiệu nhận 3.1.2 Ảnh hưởng phần phân đoạn độ dịch tần số sóng mang (FFO) Thành phần FFT { yl [ n ]} phương trình (PT 3.4), tín hiệu nhận miền tần số với FFO ε f viết sau: 57 N −1 − j 2π kn / N Y [ k ] FFT { y [ n ]} ∑ y [ n ] e = = l l l n =0 j 2π ( m+ε j ) n / N − j 2π kn / N N −1 N −1 e = ∑ ∑ H [ m]X l [ m] e Nm n 0= = N −1 − j 2π kn / N + ∑ z [ n ]e l n =0 N −1 j 2π ( m−k +ε f ) n / N N −1 = ∑ H [ m]X l [ m] ∑ e N m 0= n = + Z [k ] l N −1 j 2πε f n / N = H [k ] X [k ] ∑ e l N n =0 + N −1 N −1 j 2π ( m−k +ε f ) n / N H [ m]X [ m] ∑ e ∑ l N= n =0 m 0,m≠ k + Z [k ] l j 2πε f 1− e H k X k = j 2πε / N [ ] l [ ] N f 1− e j 2π ( m−k +ε ) f N −1 1− e H m X m + ∑ [ ] l [ ] j 2π (m−k +ε )/ N N= m 0,m≠ k f 1− e + Z [k ] l jπε jπε − jπε f f f (e ) e −e H [k ] X [k ] = l / / /N j N j N j πε πε πε − N f f f (e ) e −e N −1 H [ m]X [ m] + ∑ l N= m 0,m≠ k PT 3.5 jπ ( m−k +ε ) − jπ ( m−k +ε ) jπ ( m−k +ε ) f f f (e e −e jπ ( m−k +ε )/ N − jπ ( m−k +ε )/ N jπ ( m−k +ε )/ N f f f e (e ) −e + Z [k ] l  jπε ( N −1)/ N  f   =e   Hl [k ] X l [k ]  N sin(πε f / N )  sin(π ( m − k + ε )) jπε ( N −1)/ N N −1 f f +e sin(πε f ∑ m 0,m≠ k N sin(π ( m − k + ε f ) / N ) = jπ ( m−k )( N −1)/ N m e + Z [k ] l[ ] l sin πε jπε ( N −1)/ N f f e H [k ] X [k ] = l l N sin(πε / N ) f H [ m] X + I [k ] + Z [k ] l l 58 Trong đó: Il [ k ] = e jπε f ( N −1)/ N N −1 sin(π (m − k + ε f )) = m 0, m ≠ k N sin(π (m − k + ε f ) / N ) ∑ PT 3.6 H [ m ] X l [ m ] e jπ ( m − k )( N −1)/ N Số hạng thứ hàng cuối phương trình (PT 3.5) biểu diễn biên độ độ biến dạng pha thành phần tần số sóng mang thứ k FFO Trong đó, I l [ k ] phương trình (PT 3.5) biểu diễn ICI từ sóng mang khác lên thành phần tần số sóng mang thứ k , có nghĩa tính trực giao thành phần sóng mang khơng trì FFO Hình 3.4 mơ tả ký hiệu OFDM nhận liên tiếp với giá trị FFO khác bỏ qua ảnh hưởng kênh, STO, nhiễu Rõ ràng biên độ độ biến dạng pha trở nên mãnh liệt FFO tăng, điều thể qua ICI phương trình (PT 3.6) Hình 3.4 Giản đồ chịm ký hiệu nhận với CFO ε [11] 3.2 Kỹ thuật ước lượng kênh CFO 3.2.1 Kỹ thuật ước lượng kênh miền thời gian cho CFO Đối với ước lượng kênh theo miền thời gian, Cyclic prefix (CP) ký tự huấn luyện sử dụng  Kỹ thuật ước lượng kênh sử dụng Cyclic Prefix (CP) Với việc đồng ký hiệu hoàn toàn, CFO ε dẫn đến chiều qua pha 2π nε / N tín hiệu nhận (Bảng 3.2) Bỏ qua ảnh hưởng kênh, lệch pha CP phần sau ký hiệu OFDM (Khoảng cách N mẫu) gây CFO ε 2π N ε / N = 2πε Tiếp theo, CFO tìm thấy từ góc pha tích CP phần sau tương ứng ký hiệu OFDM Ví dụ 𝜀𝜀̂= (1/ 2π ) arg{ yl*[n] yl [n + N ], n = -1, -2, , - N g Để giảm ảnh hưởng nhiễu, giá trị trung bình tính đến khoảng CP sau: 59 𝜀𝜀̂= −1 arg{ ∑ yl*[n] yl [n + N ]} 2π n = − NG PT 3.7 Phép toán arg() biểu diễn cách sử dụng tan −1() , khoảng ước lượng phương trình (PT 3.7) [−π , +π ) / 2π =− [ 0,5; +0,5) để |𝜀𝜀̂|