Đang tải... (xem toàn văn)
đồ án :AN NINH BÁO HIỆU SIP.Nâng cao hiệu năng hệ thống WCDMA trên cơ sở khai thác các phương pháp phân tậpĐồ án tập trung vào các phương pháp phân tập cho WCDMA. Theo đó, đồ án được tổ chức và trình bày trong 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động WCDMAĐề cập đến cấu trúc, chức năng đặc điểm của các phần tử trong hệ thống WCDMA, đưa ra kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến và các kênh được tạo nên ở giao diện này. Chương 2: Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyếnTrình bày ngắn gọn khái niệm, các nguyên lý cơ bản và mô hình hoạt động của các kỹ thuật phân tập. Trình bày các định nghĩa cơ bản, cấu trúc và các đặc điểm của các sơ đồ MIMO. Chương 3: Cải thiện hiệu năng WCDMA dựa trên các phương pháp phân tậpTrình bày các kỹ thuật cải thiện hiệu năng cho WCDMA. Phân tích các mô hình phân tập được áp dụng trong hệ thống WCDMA. Từ đó làm sáng tỏ khả năng cải thiện vùng phủ và dung lượng của các phương pháp phân tập. Chương 4: Giải thuật mô phỏng Từ các kết quả đã được trình bày, trong phạm vi khuôn khổ cho phép, đồ án lựa chọn và thực hiện xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng kênh MIMO, cho phép khảo sát hiệu năng dung lượng theo số ăng ten thu phát.Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọc đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo.Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến, khoa Viễn thông I và các bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án.
Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - Khoa viễn thông I - ===***=== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đ ti: AN NINH BÁO HIỆU SIP Người hưng dn : Th.S Nguyễn Thanh Trà Người thc hiện : Dương Văn Tiến Lp : D2004VT1 Vũ Minh Ngọc–D04VT1 i Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Hà Nội - 2008 Vũ Minh Ngọc–D04VT1 ii Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học, kỹ thuật đặc biệt là các lĩnh vực truyền thông có thể giúp cho con người đơn giản hơn trong xử lý các vấn đề trong cuộc sống. Cùng với sự phát triển đó, yêu cầu của con người cũng không ngừng tăng lên. Đó là những yêu cầu về sự linh hoạt, tiện lợi trong sử dụng, đa dạng phong phú về loại hình dịch vụ, chất lượng và độ an toàn thông tin. Thông tin vô tuyến mà đặc biệt là thông tin di động là loại hình duy nhất hội tụ được tất cả các yếu tố đó. Như vậy, nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng tăng, điều này đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia tăng, hay nói cách khác tồn tại mâu thuẫn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyên vốn có của thông tin vô tuyến. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượng truyền dẫn phụ thuộc vào môi trường dẫn đến hạn chế trong việc triển khai các dịch vụ. Do đó, một bài toán đặt ra là cần phải nâng cao hiệu năng của hệ thống mà không cần tăng công suất và độ rộng băng tần. Để sử dụng hiệu quả băng tần, phải tăng hiệu suất sử dụng băng tần. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là sử dụng công nghệ WCDMA. WCDMA được xem là một giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây. Công nghệ WCDMA sử dụng các kỹ thuật phân tập để đối phó với phađinh đa đường và truyền đi thuận lợi bằng đa truyền dẫn và các anten thu. Các phương pháp phân tập có thể cải thiện chất lượng truyền dẫn và tăng dung lượng hệ thống bằng việc khai thác độ lợi được đưa ra bởi việc lắp đặt anten đa truyền dẫn. MIMO là một kĩ thuật cho phép lợi dụng tính chất phân tập không gian để cải thiện hiệu năng hệ thống. Dựa trên những kiến thức chuyên môn đã lĩnh hội được trong quá trình học tập, cùng với sự định hướng của thầy ks. Nguyễn Viết Đảm, đồ án đã chọn chủ đề nghiên cứu về các phương pháp cải thiện hiệu năng cho WCDMA, cụ thể là: “Nâng cao hiệu năng hệ thống WCDMA trên cơ sở khai thác các phương pháp phân tập”. Đồ án tập trung vào các phương pháp phân tập cho WCDMA. Theo đó, đồ án được tổ chức và trình bày trong 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động WCDMA Vũ Minh Ngọc–D04VT1 iii Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Đề cập đến cấu trúc, chức năng đặc điểm của các phần tử trong hệ thống WCDMA, đưa ra kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến và các kênh được tạo nên ở giao diện này. Chương 2: Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến Trình bày ngắn gọn khái niệm, các nguyên lý cơ bản và mô hình hoạt động của các kỹ thuật phân tập. Trình bày các định nghĩa cơ bản, cấu trúc và các đặc điểm của các sơ đồ MIMO. Chương 3: Cải thiện hiệu năng WCDMA dựa trên các phương pháp phân tập Trình bày các kỹ thuật cải thiện hiệu năng cho WCDMA. Phân tích các mô hình phân tập được áp dụng trong hệ thống WCDMA. Từ đó làm sáng tỏ khả năng cải thiện vùng phủ và dung lượng của các phương pháp phân tập. Chương 4: Giải thuật mô phỏng Từ các kết quả đã được trình bày, trong phạm vi khuôn khổ cho phép, đồ án lựa chọn và thực hiện xây dựng mô hình và chương trình mô phỏng kênh MIMO, cho phép khảo sát hiệu năng dung lượng theo số ăng ten thu phát. Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọc đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến, khoa Viễn thông I và các bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án. Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2008 Sinh viên thực hiện: Vũ Minh Ngọc Vũ Minh Ngọc–D04VT1 iv Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU iii MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x THUẬT NGỮ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN 1 DI ĐỘNG WCDMA 1 1.1. Mở đầu 1 1.2. Cấu trúc và chức năng của các phần tử trong hệ thống WCDMA 3 1.2.1. Cấu trúc hệ thống 3 1.2.2. Chức năng của các phần tử trong hệ thống 4 1.3. Sự phát triển của mạng WCDMA UMTS 7 1.3.1. Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4 7 1.3.2. Kiến trúc 3G WCDMA R5 cho vùng đa phương tiện IP 9 1.4. Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến 10 1.4.1. Các giao thức của giao diện vô tuyến 10 1.4.2. Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến 11 1.5. Tóm tắt các kênh của WCDMA 12 1.5.1. Các kênh logic 12 1.5.2. Các kênh truyền tải 13 1.5.3. Các kênh vật lý 15 1.6. Kết luận 19 CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 20 2.1. Mở đầu 20 2.2. Phân tập thu 20 2.2.1. Phân tập vĩ mô 21 2.2.2. Phân tập vi mô 22 2.2.2.1. Phân tập không gian 22 2.2.2.2. Phân tập tần số 23 2.2.2.3. Phân tập thời gian 23 2.2.2.4. Phân tập phân cực 24 2.3. Phân tập phát 25 2.3.1. Phân tập phát đa sóng mang 26 2.3.2. Phân tập phát trực giao 27 2.3.3 Phân tập phát không gian – thời gian 27 2.3.4. Phân tập phát chuyển mạch thời gian 28 2.4. MIMO và phân tập 29 2.4.2. Sơ đồ kết hợp thu tỷ lệ cực đại (MRRC) 30 2.4.3. Sơ đồ với Alamouti hai anten phát và một máy thu 32 2.4.4. Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu 36 2.4. Kết luận 39 Vũ Minh Ngọc–D04VT1 v Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CHO WCDMA DỰA TRÊN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TẬP 40 3.1. Mở đầu 40 3.2. Các kỹ thuật cải thiện vùng phủ 40 3.2.1 Kịch bản giới hạn vùng phủ sóng đường lên và đường xuống 41 3.2.2 Phân tích quỹ đường truyền 42 3.3 Các kỹ thuật cải thiện dung lượng 43 3.3.1 Kịch bản giới hạn dung lượng đường lên và đường xuống 44 3.3.2 Phân tích cân bằng tải 45 3.4. Phân tập thu bậc cao 46 3.4.1. Ảnh hưởng của phân tập thu bậc cao 47 3.4.2 Xem xét thực tế 49 3.5. Phân tập phát 50 3.5.1. Mô hình vòng lặp kín 50 3.5.1.1. Xác định thông tin phản hồi 52 3.5.1.2. Mô hình vòng lặp kín 1 53 3.5.1.3. Mô hình vòng lặp kín 2 54 3.5.2. Mô hình vòng lặp hở 57 3.5.3. Ảnh hưởng của phân tập phát 58 3.5.4. Xem xét thực tế 61 3.6. MIMO trong UTRA FDD 61 3.6.1. Cơ sở toán học 61 3.6.2. Ảnh hưởng của MIMO 62 3.6.3. Một số thuật toán MIMO trong tiêu chuẩn 3G 63 3.6.3.1. Điều khiển tốc độ mỗi ăng ten 63 3.6.3.2. Điều khiển tốc độ nhóm con với hai lần STTD 64 3.6.3.3. Các thuật toán MIMO khác được đề xuất 68 3.6.4. MIMO trong UTRA FDD đường lên 69 3.6.4.1. Mô hình hệ thống 70 3.6.4.2. Các sơ đồ đa ăng ten 70 3.6.4.3. Phân tích 72 3.6.4.4. Vùng phủ tế bào 74 3.6.4.5. Dung lượng tế bào 76 3.7. Kết luận 80 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT VÀ MÔ PHỎNG 81 4.1. Mở đầu 81 4.2. Mô hình tín hiệu 81 4.3. Giải pháp dung lượng kênh MIMO 82 4.4. Các lưu đồ thuật toán 85 4.5. Các kết quả mô phỏng 86 4.8. Kết luận 92 KẾT LUẬN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 Vũ Minh Ngọc–D04VT1 vi Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Vũ Minh Ngọc–D04VT1 vii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các phần tử của mạng PLMN 4 Hình 1.3. Kiến trúc mạng phân bố phát hành UMTS R4 8 Hình 1.4. Kiến trúc của phát hành UMTS R5 10 Hình 1.6. Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 15 Hình 1.7. Tổng kết các kiểu kênh vật lý 15 Hình 1.8. Sắp xếp các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 18 Hình 1.9. Ghép các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 19 Hình 2.1. Sơ đồ phân tập không gian 22 Hình 2.2. Sơ đồ phân tập tần số 23 Hình 2.4. Sơ đồ phân tập phân cực 24 Hình 2.5. Phân tập phát đa sóng mang 26 Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ thống phân tập phát không gian và thời gian (STTD) 27 Hình 2.7. Nguyên lý của bộ mã hóa STTD 28 Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống phân tập phát chuyển mạch theo thời gian 28 Hình 2.9. Kênh SISO 29 Hình 2.10. Kênh MIMO 29 Hình 2.11. MRRC hai nhánh 31 Hình 2.12. Sơ đồ phân tập hai nhánh phát với một máy thu của Alamouti 33 Hình 2.13. Sơ đồ phân tập phát hai nhánh với hai máy thu Alamouti 36 Hình 3.2. Đặc điểm kiến trúc phát đường xuống hỗ trợ phân tập phát vòng lặp kín 51 Hình 3.3. Định dạng bản tin tín hiệu phản hồi 52 Hình 3.4. Quá trình chọn lọc tại UE cho mô hình vòng lặp kín 2 56 Hình 3.5. Sơ đồ mã hóa STTD(a) và giải mã STTD(b) 57 Hình 3.6. Nguyên lý sơ đồ mã hóa phân tập phát không gian – thời gian WCDMA 58 Hình 3.7. So sánh ăng ten phát đơn với phân tập phát vòng lặp hở STTD và phân tập phát vòng lặp kín mô hình 1 60 Hình 3.8. Kiến trúc phát điều khiển tốc độ mỗi ăng ten 64 Hình 3.9. Kiến trúc phát cho hai lần phân tập phát không gian – thời gian 65 Hình 3.10. Máy thu MMSE-SIC cho DSTTD-SGRC 66 Hình 3.11. So sánh thông lượng giữa DSTTD, STTD và SISO 67 Hình 3.12. So sánh thông lượng với số lượng các ăng ten thu khác nhau 68 Hình 3.13. Mô hình hệ thống SIMO và phân tập MIMO 71 Hình 3.14. Công suất thu theo tỉ số mất mát đường và công suất phát cực đại 75 Hình 3.15. Công suất phát dự kiến cho các cấu hình ăng ten khác nhau 77 Hình 3.16. Nhiễu tăng đối với số lượng người sử dụng 64 kbps trong môi trường phađinh Rayleigh phẳng 78 Vũ Minh Ngọc–D04VT1 viii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Hình 3.17. Số lượng người sử dụng theo tỉ số nhiễu trong môi trường phađinh Rayleigh phẳng. 79 Hình 4.1. Giải thuật tạo ma trận kênh MIMO 85 Hình 4.2. Giải thuật mô phỏng dung lượng kênh MIMO 86 Vũ Minh Ngọc–D04VT1 ix Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. So sánh WCDMA và GSM 1 Bảng 1.2. Các thông số giao diện vô tuyến của WCDMA 2 Bảng 1.3. Danh sách các kênh logic 13 Bảng 1.4 Danh sách các kênh truyền tải 14 Bảng 1.5. Danh sách các kênh vật lý 15 Bảng 2.1. Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát hai anten 34 Bảng 2.2. Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu 37 37 Bảng 2.3. Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu 37 Bảng 3.1. Ví dụ về quỹ đường truyền cho một dịch vụ dữ liệu bất đối xứng 41 Bảng 3.2. Các quỹ đường truyền minh họa tác động của tốc độ dữ liệu dịch vụ 42 Bảng 3.3. Kịch bản giới hạn dung lượng đường lên và đường xuống 44 Bảng 3.4. Sự thay đổi trong thông lượng đường lên với dịch vụ trộn 45 Bảng 3.6. Giảm tỉ số Eb/N0 của dịch vụ thoại kết hợp với phân tập thu bậc cao 48 Bảng 3.7. So sánh dung lượng đường lên giữa tế bào phân tập thu bậc cao 4 nhánh và 2 nhánh 48 Bảng 3.9. Đặc điểm của hai mô hình vòng lặp kín 51 Bảng 3.10. Pha điều chỉnh φI, tương ứng các lệnh phản hồi cho khe i của khung vô tuyến UL 53 Bảng 3.11. Trường con FSMpo của bản tin tín hiệu mô hình vòng lặp kín 2 55 Bảng 3.12. Trường con FSMph của bản tin tín hiệu mô hình vòng lặp kín 2 55 Vũ Minh Ngọc–D04VT1 x [...]... trong WCDMA cũng như cách sắp xếp của các kênh này trong giao diện vô tuyến Các phần sau đây trình bày đến các biện pháp phân tập hiện nay đang áp dụng trong thông tin vô tuyến Các phương pháp này là cơ sở để cải thiện hiệu năng của WCDMA Vũ Minh Ngọc–D04VT1 19 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Các kỹ thuật phân tập CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2.1 Mở đầu Phân tập là... hoặc độ cao ăng ten để cải thiện vùng phủ sóng cho MS Thông thường, các hệ thống phân tập được sử dụng ở máy thu chứ không ở máy phát vì không cần thêm năng lượng cho hệ thống phân tập thu Do tính đảo lẫn giữa đường truyền tuyến lên và tuyến xuống nên các hệ thống phân tập thực hiện ở MS cũng giống như các hệ thống phân tập ở BS Như đã đề cập ở trên, có thể thực hiện phân tập theo nhiều cách: phân tập. .. đủ cách xa nhau, ta cũng có thể nhận được phân tập không gian Trong mạng thông tin tổ ong di động, có thể áp dụng phân tập vĩ mô bằng cách cho phép máy di động nhận được tín hiệu từ hai hay nhiều trạm gốc Vì phân tập là một tài nguyên quan trọng nên các hệ thống vô tuyến sử dụng nhiều kiểu phân tập khác nhau Trong chương này ta sẽ xét phân tập thời gian và phân tập không gian, trong đó trọng tâm là phân. .. hình của các kỹ thuật phân tập thu Phần 2.3 trình bày về các kỹ thuật phân tập phát trong thông tin vô tuyến Phần 2.4 trình bày tổng quan về MIMO phân tập và các sơ đồ kết hợp điển hình 2.2 Phân tập thu Các kỹ thuật phân tập thu được sử dụng để giảm pha đinh và cải thiện độ tin cậy của thông tin mà không cần tăng công suất phát và độ rộng băng tần Ý niệm cơ bản của phân tập thu là nếu hai mẫu tín hiệu. .. dung ở các chương sau, chương này được tổ chức như sau: Phần 1.1: Giới thiệu Phần 1.2: Trình bày cấu trúc chức năng của các phần tử trong hệ thống WCDMA Phần 1.3: Sự phát triển của mạng WCDMA UMTS Phần 1.4: Trình bày kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến Phần 1.5: Tóm tắt các kênh của WCDMA Phần 1.6: Kết Luận 1.2 Cấu trúc và chức năng của các phần tử trong hệ thống WCDMA 1.2.1 Cấu trúc hệ thống Hệ thống. .. hiện phân tập theo nhiều cách: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tập không gian, phân tập góc, phân tập đa đường và phân tập phân cực Để nhận được lợi ích toàn diện của phân tập phát, sự kết hợp phải được thực hiện ở phía thu Các bộ kết hợp phải được thiết kế sao cho sau khi đã hiệu chỉnh trễ và pha cho các đường truyền khác nhau, các mức tín hiệu vào phải được cộng theo véc-tơ còn tạp âm thì... hạn Các hệ thống di động tổ ong đạt được như vậy bằng cách chuyển giao khi cường độ tín hiệu thu yếu Với các hệ thống WCDMA, phân tập vĩ mô (chuyển giao mềm) đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo chất lượng hệ thống vì tái sử dụng tần số bằng một và điều khiển công suất nhanh Ở đường lên, phân tập vĩ mô rất có lợi vì càng nhiều BS tách tín hiệu thì xác suất đạt được ít nhất một tín hiệu tốt càng cao. .. được đủ năng lượng trong hầu hết trường hợp được coi là bốn 2.2.2 Phân tập vi mô Phân tập vi mô sử dụng hai hay nhiều ăng ten cùng một trạm nhưng được thiết kế để thu các tia khác nhau từ các trạm khác Phân tập vĩ mô được sử dụng để phòng ngừa pha đinh sâu Dưới đây là các phương pháp sử dụng để nhận được các tín hiệu không tương quan cho việc kết hợp 2.2.2.1 Phân tập không gian Trong phân tập không... hiệu tốt càng cao Khi này phân tập mang tính chọn lọc: mạng sẽ chọn ra một khung tốt nhất thu được từ các máy thu của các BS Vũ Minh Ngọc–D04VT1 21 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Các kỹ thuật phân tập Ở đường xuống, phân tập vĩ mô xảy ra theo cách khác vì chỉ một máy thu ở MS thu nhiều tín hiệu từ các BS khác nhau Thông thường, chỉ một tín hiệu chỉ coi là hữu ích còn các tín hiệu khác được coi là nhiễu... trong đó thông tin được truyền đồng thời trên nhiều đường độc lập để đạt được độ tin cậy truyền dẫn cao Có nhiều cách để nhận được phân tập Phân tập thời gian có thể nhận được bằng cách mã hóa và đan xen Thông tin được mã hóa và các ký hiệu mã hóa này được truyền phân tán trong các khoảng thời gian nhất quán khác nhau sao cho các phần khác nhau của từ mã chỉ bị tác động của các phađinh độc lập Trong kênh