BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN LƯƠNG KHÁNH ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG UMTS LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN Phản biện 1: TS. NGUYỄN LÊ HÙNG Phản biện 2: TS. LƯƠNG HỒNG KHANH Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 02 tháng 06 năm 2013. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Sự ra đời của 4G mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dịch vụ âm thanh số. Việc phát triển công nghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dich vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụng download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode, và công nghệ mã hoá media chất lượng cao trên nền các mạng di động. Công nghệ 4G/LTE sẽ cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao (1Gbps cho truyền dẫn đường xuống và 500Mbps cho đường lên), băng thông rộng (lên đến 100MHz) và dung lượng lớn. Để đạt được các tiêu chuẩn trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, tốc độ truyền và độ tin cậy của hệ thống, các kỹ thuật tiên tiến đã được sử dụng trong hệ thống như: OFDMA, MIMO anten, … Một trong những kỹ thuật được quan tâm là ước lượng kênh truyền trong mạng UMTS LTE. Những ưu điểm của kỹ thuật này: - Nâng cao được chất lượng và độ tin cậy của hệ thống - Tối ưu hiệu suất mạng - Tối đa hóa tốc độ truyền Từ những vấn đề nêu trên cùng với tầm nhìn tổng quan về các hướng nghiên cứu mới hiện thời, người thực hiện chọn đề tài: “Ước lượng kênh truyền trong mạng UMTS LTE” 2 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:  Nghiên cứu các quy tắc và kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong mạng UMTS LTE (đường xuống của UMTS LTE)  Ứng dụng kỹ thuật ước lượng để khai thác tối đa hiệu suất mạng và nâng cao chất lượng trong mạng UMTS LTE 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu:  Nghiên cứu các mô hình kênh truyền, phương pháp ước lượng kênh trong miền thời gian và ứng dụng trong mạng UMTS LTE.  Các yếu tố ảnh hưởng và lợi ích thu được khi ứng dụng kỹ thuật ước lượng kênh truyền  Ứng dụng matlab để mô phỏng  Phạm vi nghiên cứu:  Đề tài đưa ra giải pháp ứng dụng kỹ thuật ước lượng kênh truyền để tăng tốc độ truyền dữ liệu và tính ổn định, tin cậy của hệ thống trong mạng UMTS LTE. 4. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. - Nghiên cứu quy tắc, kỹ thuật ước lượng kênh truyền trên cơ sở lý thuyết. 3 - Nghiên cứu phần mềm Matlab để xây dựng chương trình mô phỏng. 5. Bố cục đề tài CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LTE CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN CHƯƠNG 3. ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MIỀN THỜI GIAN CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN – MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LTE 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Một trong những thay đổi chính trong hệ thống LTE được so sánh với 3G-UMTS là lớp vật lý. Trong mạng thế thệ 3, WCDMA là công nghệ được thừa nhận rộng rãi nhất. 1.2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM Kỹ thuật của OFDM dựa trên cơ sở kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số FDM. Kỹ thuật OFDM khác với kỹ thuật FDM truyền thống bởi các sóng mang con, chúng trực giao với các thành phần còn lại. 4 1.3 CẤU TRÚC KHUNG Hình 1.2 Cấu trúc khung trong LTE 1.4 CÁC THÔNG SỐ OFDM ĐƯỜNG XUỐNG 1.5 TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU ĐƯỜNG XUỐNG Tín hiệu được truyền đi trong mỗi slot được mô tả bởi một lưới tài nguyên của các sóng mang N BW và N sym ký tự OFDM. Để đạt được số lượng truy cập nhiều, độ rộng băng được phân bổ cho các UE trong chu kỳ của các khối tài nguyên. Khối tài nguyên vật lý, N RB chứa 12 sóng mang con liên tiếp trong miền tần số. Trong miền thời gian, khối tài nguyên vật lý chứa N sym ký tự OFDM liên tiếp, xem trong hình 1.3. N sym bằng với số lượng ký tự OFDM trong 1 khe thời gian. Hình 1.4 Lưới tài nguyên đường xuống 5 1.5.1 Điều chế 1.5.2 Cấu trúc tín hiệu tham chiếu Hình 1.5 Cấu trúc ký tự tham chiếu đối với 1 khe thời gian với 6 ký tự OFDM sử dụng 2 anten 1.5.3 Tìm kiếm cell Trong suốt quá trình tìm kiếm cell, các loại thông tin khác nhau cần phải được nhận dạng bởi UE, chẳng hạn như thời gian khung, tần số, cell ID, độ rộng băng truyền, cấu hình anten, chiều dài CP. 1.6 ĐỘ TRỄ Độ trễ của user plane nên ở mức dưới 5ms. Đối với trường hợp đường xuống thì user plane được xác định trong khoảng thời gian truyền 1 chiều giữa 1 packet đang có sẵn ở lớp IP tại NodeB và sự sẵn có của packet này tại lớp IP ở UE. NodeB cung cấp giao diện tới mạng core. 6 1.7 BỘ THU PHÁT OFDM Hình 1.6 Sơ đồ khối của bộ phát OFDM trong LTE Hình 1.7 Sơ đồ khối của bộ thu OFDM trong LTE 1.7.1 Bộ phát nhị phân Nguồn phát nhị phân tạo ra tín hiệu ngẫu nhiên. Số lượng ký tự nhị phân được tạo ra phụ thuộc vào mô hình điều chế, chẳng hạn như số lượng bit trên mỗi ký tự QAM và số lượng sóng mang con. 1.7.2 Bộ điều chế Trong quá trình điều chế cần thiết phải chuẩn hóa các ký tự truyền đi để hiệu chỉnh tỷ số SNR 7 1.7.3 Bộ biến đổi FF đảo Hình 1.9 Sự tạo ra các ký tự OFDM sử dụng bộ biển đổi IFFT N-điểm 1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG Các đặc tính quan trọng của lớp vật lý trong LTE đường xuống đã được trình bày như trên. Ước lượng kênh truyền có thể đạt được riêng rẽ đối với từng anten vì các ký tự tham chiếu trực giao với nhau trong không gian. OFDMA được sử dụng như là mô hình đa truy cập trong đường xuống, trong đó mỗi người dùng được cấp một hoặc vài khối tài nguyên và lập lịch được thực hiện đối với mỗi khung con. Để phân tích các phương pháp ước lượng khác nhau thì phải sử dụng mô hình kênh tích hợp. 8 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Nội dung chương này đề cập đến các loại mô hình kênh truyền, cũng như các yếu tố ảnh hưởng trong mô hình kênh, qua đó hiểu rõ tính năng, ưu, nhược điểm của mỗi loại mô hình kênh, là cơ sở để đánh giá và lựa chọn loại mô hình sẽ được sử dụng trong mô phỏng trong chương tiếp theo. 2.2 TRUYỀN DẪN ĐA ĐƯỜNG Hình 2.1. Môi trường vô tuyến đa đường 2.3 TRỄ LAN TRUYỀN 2.4 KÊNH BIẾN ĐỔI THEO THỜI GIAN 2.4.1 Hiệu ứng Doppler Khi một UE di chuyển với vận tốc v UE đến nodeB, nó gây ra hiện tượng Doppler f d , được cho bởi công thức (2.11) đối với đường dẫn đơn: . ước lượng kênh truyền trong mạng UMTS LTE (đường xuống của UMTS LTE)  Ứng dụng kỹ thuật ước lượng để khai thác tối đa hiệu suất mạng và nâng cao chất lượng. HỆ THỐNG LTE CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN CHƯƠNG 3. ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MIỀN THỜI GIAN CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN – MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHƯƠNG