ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ Khảo sát BER các giao thức và kỹ thuật trong truyền thông đa chặng của mạng LTE-ADVANCED
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC Khảo sát BER các giao thức và kỹ thuật trong truyền thông đa chặng của mạng LTE-ADVANCED
LỜI MỞ ĐẦU.. 1
CHƯƠNG 1 : 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Giới thiệu chương. 2
1.2. Sơ lược về hệ thống thông tin di động. 3
1.3. Tổng quan về công nghệ LTE.. 4
1.3.1. Giới thiệu về công nghệ LTE.. 5
1.3.2. Kiến trúc mạng LTE.. 5
1.3.3. Kiến trúc mạng lõi LTE.. 6
1.3.4. Mạng truy cập E-UTRAN.. 8
1.3.5. Thiết bị người dùng (UE). 9
1.3.6. Vùng dịch vụ (Services). 9
1.4. Các công nghệ sử dụng trong LTE-ADVANCED.. 10
1.4.1. Kết hợp sóng mang (Carrier Aggegation). 10
1.4.2. Kết nối chuyển tiếp (Relay). 11
1.4.3. Giải pháp đa anten (MIMO). 12
1.4.4. Hệ thống phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP. 13
1.5. Kết luận chương. 14
CHƯƠNG 2: 15
TỔNG QUAN VỀ TRẠM CHUYỂN TIẾP
2.1. Giới thiệu chương. 15
2.2. Giới thiệu chung và khái niệm về chuyển tiếp. 15
- 2.1.Giới thiệu chung về chuyển tiếp. 15
- 2.2.Khái niệm về chuyển tiếp. 18
- 3. Phân loại19
2.3.1.Dựa theo các mô hình thực tế. 19
2.3.1.1Ở nông thôn (vùng dân cư thưa thớt). 20
2.3.1.2Ở vùng đô thị (người dùng tập trung). 20
2.3.1.3Điểm chết (vùng bị che khuất). 21
2.3.1.4Các vị trí trong nhà. 22
2.3.1.5Nhóm thuê bao di chuyển. 22
2.3.1.6Triển khai mạng tạm thời23
2.3.1.7Mạng lưới không dây. 24
- 3.2.Dựa theo vùng phủ sóng. 24
- 3.3.Dựa theo băng tần sử dụng. 25
- 3.4.Dựa theo cơ sở hạ tầng. 26
- 3.4.1.Trạm chuyển tiếp cố định. 26
- 3.4.2.Dựa theo băng tần sử dụng. 27
- 3.4.2.Dựa theo băng tần sử dụng. 27
- 3.5.Dựa theo các giao thức truyền dẫn. 28
- 3.5.1.Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF. 28
- 3.5.2.Relay giải mã và chuyển tiếp DF. 29
- 4.Hệ thống thông tin đa chặng. 30
- 4.1.Mô hình One-way relay. 30
- 4.2.Mô hình Two-way relay. 31
- 5. Ưu và nhược điểm của trạm chuyển tiếp. 32
- 5.1.Các ưu điểm.. 32
- 5.2.Các nhược điểm.. 32
- 6. Kết luận chương. 33
CHƯƠNG 3 : 34
CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG CHUYỂN TIẾP
3.1. Giới thiệu chương. 34
3.2. Phân tập thu kết hợp theo tỉ số tối đa MRC.. 34
3.2.1. MRC cho chuyển tiếp AF. 35
3.2.2. MRC cho chuyển tiếp DF. 37
3.3 Hệ thống SDMA.. 38
3.3.1 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA.. 38
3.3.2. Kỹ thuật tiền mã hóa. 39
3.3.2.1. Khái niệm tiền mã hóa. 39
3.3.2.2. Tiền mã hóa trong zero-forcing. 40
3.4. Kỹ thuật Network coding trong two-way relay. 43
3.4.1. Mô hình Two-way relay đa người dùng. 43
3.4.2. Mô hình hệ thống. 44
3.4.3. Xây dựng ma trận tiền mã hóa. 46
3.4.3.1Ma trận tiền mã hóa tại trạm gốc. 46
3.4.3.2Ma trận tiền mã hóa tại trạm chuyển tiếp. 48
- 5. Kết luận chương. 51
CHƯƠNG 4 : 52
KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG
4.1 Giới thiệu chương. 52
4.2 Khảo sát công suất khi dùng trạm chuyển tiếp. 52
4.3 Khảo sát tỉ số bit lỗi BER của hệ thống có chuyển tiếp. 55
4.4. Khảo sát BER với mô hình nhiều trạm chuyển tiếp. 61
4.4. Khảo sát BER của kỹ thuật network coding. 63
4.5. Kết luận chương. 66
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TIẾP THEO.. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 68
PHỤ LỤC.. 70
BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN
|
1G |
First Generation |
Thế hệ thứ nhất |
|
2G |
Second Generation |
Thế hệ thứ hai |
|
3G |
Third Generation |
Thế hệ thứ ba |
|
4G |
Fourth Generation |
Thế hệ thứ tư |
|
AF |
Amplify and Foward |
Khuếch đại và chuyển tiếp |
|
AWGN |
Additive White Gauss Noise |
Nhiễn Gaussian trắng |
|
BER |
Bit Error Rate |
Tỉ lệ lỗi bit |
|
BS |
Base Station |
Trạm gốc |
|
BTS |
Base Transceiver Station |
Trạm thu phát gốc |
|
BSC |
Base Station Controller |
Trạm điều khiển gốc |
|
CA |
Carrier Aggregation |
Kết hợp sóng mang |
|
CDMA |
Code Division Multiple Access |
Đa truy cập phân chia theo mã |
|
CoMP |
Cooperative Multipoint Transmisson |
Hệ thống phối hợp truyền đa điểm |
|
DF |
Decode and Foward |
Giải mã và chuyển tiếp |
|
eNodeB |
Evolved NodeB |
NodeB phát triển |
|
EPC |
Evolved Packet Core |
Mạng lõi gói phát triển |
|
FDMA |
Frequency Division Multiple Access |
Đa truy cập phân chia theo tần số |
|
GSM |
Global System for Mobile Communication |
Hệ thống thông tin di động toàn cầu |
|
HSPA |
High-Speed Packet Access |
Truy nhập gói tốc độ cao |
|
HSS |
Home Subscriber Server |
Máy chủ thuê bao thường trú |
|
IMS |
IP Mutilmedia System |
Hệ thống đa phương tiện IP |
|
LOS |
Line Of Sigth |
Đường truyền trực tiếp |
|
LTE |
Long Term Evolution |
Tiến hóa dài hạn |
|
MIMO |
Multi Input Multi Output |
Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra |
|
MME |
Mobility Management Entity |
Thực thể quản lý di động |
|
MRC |
Maximum Ratio Combine |
Bộ kết hợp phân tập |
|
MS |
Mobile Station |
Trạm di động |
|
NAS |
Non-Access Stratum |
Tầng không truy cập |
|
OFDM |
Orthogonal Frequency Division Multiplexing |
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao |
|
PCRF |
Policy Control Charging |
Tính cước tài nguyên |
|
PDN |
Packet Data Network |
Gói dữ liệu mạng |
|
P-GW |
Packet Date Network Gatewway |
Cổng mạng dữ liệu gói |
|
PSTN |
Public Switch Telephone Network |
Mạng chuyển mạch công cộng |
|
QAM |
Quadrature Amplitude Modulation |
Điều chế biên độ cầu phương |
|
SDMA |
Space Division Multiple Access |
Đa truy cập phân chia theo không gian |
|
S-GW |
Serving Gateway |
Cổng phục vụ |
|
SINR |
Signal to Interference |
Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu cộng nhiễu |
|
SNR |
Signal to Noise Ratio |
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu |
|
TDMA |
Time Division Multiple Access |
Đa truy cập phân chia theo thời gian |
|
UE |
User Equipment |
Thiết bị sử dụng |
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động. 3
Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống cho mạng LTE.. 5
Hình 1.3:Kiến trúc mạng lõi LTE.. 6
Hình 1.4: Mạng truy cập E-UTRAN.. 8
Hình 1.5: Kết hợp sóng mạng trong LTE-ADVANCED.. 10
Hình 1.6: Kết nối chuyển tiếp trong LTE-ADVANCED.. 11
Hình 1.7: Các chế độ MIMO chính trong LTE-ADVANCED.. 12
Hình 1.8:Hệ thống phối hợp với 2 nút chuyển tiếp. 13
Hình 2.1: Sự thay đổi khoảng cách cực tiểu của các chùm tia.
tín hiệu điều chế mật độ cao. 16
Hình 2.2: a) Giải pháp thu nhỏ cell và dùng nhiểu BTS. 17
Hình 2.2: b) Giải pháp dùm trạm chuyển tiếp. 17
Hình 2.3: Mô hình hệ thống với trạm chuyển tiếp. 18
Hình 2.4: Dựa theo các mô hình thực tế. 19
Hình 2.5: Chuyển tiếp ở vùng nông thôn. 20
Hình 2.6: Chuyển tiếp ở vùng đô thị20
Hình 2.7: Chuyển tiếp trong khu vực điểm chết21
Hình 2.8: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao trong nhà. 22
Hình 2.9: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao di chuyển. 23
Hình 2.10: Sử dụng trạm chuyển tiếp để triển khai mạng tạm thời23
Hình 2.11: Sử dụng chuyển tiếp làm mạng lưới không dây. 24
Hình 2.12: Dựa theo vùng phủ sóng. 24
Hình 2.13: Trường hợp minh bạch và trường hợp không minh bạch. 25
Hình 2.14: Dựa theo băng tần sử dụng. 26
Hình 2.15: Trạm chuyển tiếp cố định. 26
Hình 2.16: Trạm chuyển tiếp tạm thời27
Hình 2.17: Trạm chuyển tiếp di chuyển. 27
Hình 2.18: Khuếch đại và chuyển tiếp AF. 28
Hình 2.19: Giải mã và chuyển tiếp DF. 29
Hình 2.20: Mô hình One-way relay. 30
Hình 2.21: Mô hình Two-way relay. 31
Hình 3.1: Hệ thống thông tin di động có chuyển tiếp AF. 35
Hình 3.2: Hệ thống thông tin di động có chuyển tiếp DF. 36
Hình 3.3: SDMA đa truy cập phân chia theo không gian. 38
Hình 3.4: Mô hình SDMA đơn giản. 39
Hình 3.5: Tiền mã hóa Zero-forcing. 40
Hình 3.6: Mô hình Two-way relay đa người dùng. 43
Hình 3.7: Mô hình hệ thống Two-way relay sử dụng tiền mã hóa. 44
Hình 3.8:Mô hình truyền nhận dữ liệu trong Two-way relay. 44
Hình 4.1: Mô hình hệ thống với một chuyển tiếp. 52
Hình 4.2: Khảo sát công suất phát trạm gốc khi có và không có trạm chuyển tiếp. 54
Hình 4.3: BER của hệ thống khi có relay AF và không có relay. 56
Hình 4.4: BER của hệ thống khi có relay DF và không có relay. 57
Hình 4.5: BER của hệ thống khi có relay DF, relay AF và không có relay. 58
Hình 4.6: BER tại thuê bao với các hệ số khuếch đại khác nhau. 60
Hình 4.7: Mô hình nhiều trạm chuyển tiếp.62
Hình 4.8: BER tại thuê bao với mô hình đa trạm chuyển tiếp.62
Hình 4.9: Hệ thống sử dụng Network coding.63
Hình 4.10: BER tại trạm thuê bao khi sử dụng kỹ thuật Network coding. 65
Hình 4.11: BER tại trạm gốc khi sử dụng kỹ thuật Network coding.65
Hình 4.8: BER tại thuê bao với mô hình đa trạm chuyển tiếp.
Nhận xét: Từ kết quả ta nhận thấy rằng khi tăng số lượng trạm chuyển tiếp trong hệ thống thì tỷ lệ bit lỗi thấp hơn, điều này là do sự phân tập thu MRC tại các thuê bao. Số lượng trạm chuyển tiếp càng tăng thì bản tin sẽ truyền nhiều hướng trong không gian đạt được độ phân tập không gian tốt, nhờ đó nâng cao chất lượng dịch vụ.
4.4 Khảo sát BER của kỹ thuật network coding
Sau khi thực hiện các mô phỏng đưa ra những ưu điểm của trạm chuyển tiếp đối với chất lượng của hệ thống; bây giờ chúng ta sẽ tập trung vào những kỹ thuật được áp dụng ở trạm chuyển tiếp nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ. Việc xây dựng hệ thống đa người dùng cho hệ thống two-way relay với việc sử dụng 2 khe thời gian trong 1 chu kỳ có thể nâng cao thông lượng của hệ thống. Tuy nhiên nó vẫn ảnh hưởng xấu đến BER do sự can nhiễu bởi tín hiệu của các thuê bao khác. Trong phần này ta sẽ tập trung vào mô phỏng kỹ thuật network coding với việc tiền mã hóa trước khi truyền tín hiệu tại gốc và trạm chuyển tiếp.
Chúng ta sẽ xét hệ thống với một trạm chuyển tiếp và một trạm chuyển tiếp với M anten. Ta sẽ khảo sát tỉ số bit lỗi BER tại trạm gốc và trạm thuê bao khi thay đổi số lượng thuê bao của hệ thống. Tương ứng với M thuê bao của hệ thống thì trạm gốc và trạm chuyển tiếp sẽ có M anten, từ đó khảo sát chất lượng tín hiệu tại trạm gốc và trạm thuê bao.
Hình 4.9: Hệ thống sử dụng Network coding.
Lưu đồ thuật toán
Kết quả mô phỏng
Hình 4.10: BER tại trạm thuê bao khi sử dụng kỹ thuật Network coding.
Hình 4.11: BER tại trạm gốc khi sử dụng kỹ thuật Network coding.
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy được khi số lượng thuê bao trên hệ thống tăng dần thì tỉ số bit lỗi BER ở trạm gốc và trạm thuê bao tăng , khi số lượng thuê bao tăng thì thành phần can nhiễu trong tín hiệu hữu ích càng lớn vì thế khi số lượng thuê bao tăng dần thì tỉ số bit lỗi BER tăng dần. Với việc sử dụng tiền mã hóa tại trạm gốc và trạm chuyển tiếp đã làm giảm ảnh hưởng của thành phần can nhiễu lên chất lượng hệ thống.
4.5. Kết luận chương
Qua chương này, chúng ta đã gần như hiểu rõ về hệ thống thông tin di động sử dụng trạm chuyển tiếp và những ưu điểm nổi trội của nó. Ngoài ra còn cho ta cái nhìn rõ ràng hệ thống thông tin đa chặng two-relay thông qua chất lượng đường truyền tốt với kỹ thuật Network Coding. Với kết quả mô phỏng được cho ta thấy rằng việc sử dụng trạm chuyển tiếp để nâng cao chất lượng đường truyền, mở rộng vùng phủ sóng tốt như thế nào. Qua đó trạm chuyển tiếp cần được tiếp tục nghiên cứu để cho ra những kỹ thuật tối ưu để nâng cao thêm chất lượng hệ thống.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TIẾP THEO
Sau quả trình nghiên cứu và tìm hiêu để thực hiện đề tài tốt nghiệp “Khảo sát BER các giao thức và kỹ thuật trong truyền thông đa chặng của mạng LTE-ADVANCED ”, với sự nổ lực của bản thân, cùng với sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Văn Cường em đã đạt được những mục tiêu đề ra trong đồ án như:
ü Nắm rõ mô hình thông tin di động, hiểu rõ những vấn đề liên quan đến trạm chuyển tiếp trong thông tin di động, những ưu nhược điểm của trạm chuyển tiếp ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống.
ü Nắm rõ mô hình đa truy cập phân chia theo không gian SDMA, những ưu nhược điểm của hệ thống. Qua những nhược điểm đó thì những kỹ thuật mới được đưa ra để giải quyết, trong đó có kỹ thuật Network Coding.
ü Hơn hết đây xem như là một sự tổng hợp và lần kiểm tra sau cùng toàn bộ kiển thức em đã được tích lũy trong suốt 5 năm ngồi trên ghế nhà trường.
Do hạn chế về thời gian, nên đồ án chỉ tập trung phân tích đánh giá hiệu năng của hệ thống hai chặng với sự hỗ trợ của một nút chuyển tiếp. Để đánh giá mạng đa chặng, cần nghiên cứu hệ thống đa chặng với sự hỗ trợ của nhiều nút chuyển tiếp; lựa chọn nút chuyển tiếp; truyền thông phối hợp giữa các nút chuyển tiếp v.v. Hơn hết là nghiên cứu, ứng dụng giải pháp nút chuyển tiếp trong quá trình triển khai mạng LTE-Advanced tại Việt Nam; quy hoạch các nút chuyển tiếp để đạt hiệu suất tối ưu nhất cho hệ thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Lê Hùng, “Thông tin di động”, Khoa Điện tử Viễn Thông – Đại học bách khoa Đà Nẵng
[2] Hoàng Lê Uyên Thục, “Thông tin số”, Khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng
[3] Andrea Goldsmith, “Wireless Communication”, Cambridge University Press 2005
[4] K.J.Ray Liu, Ahmed K.Sadek, Weifeng Su and Andres Kwasinski, “Cooperative Communications and Networking” , Cambridge University Press 2009
[5] Prof . Jyri Hamalainen, “Performance Anlysis of LTE-Advanced Relay Node in Public Safety Communication” , August 29 2012
[6] R1-091294, “On the design of relay node for LTE-Advanced”, Texas instruments, 3GPP TSG RAN WG1, Seoul, Korea, 23-27 March 2009
[7] R1 -091547, “Impact of repeaters and decode-and-forward relays on system performance ” , Mitsubishi Electric, July 2010
[8] Sami Amara, Hatem Boujemaa and Noureddine Handi, “SEP of Cooperative Systems Using Amplify and Forward or Decode and Forward Relaying”, Higher School of Communications of Tunis, TECHTRA Research Unit, Tunisia, May 6 2013
[9] Thiago M.de Moraes, Muhammad Danish Nisar, Eiko Seidel, “Relay enhanced LTE-Advanced Networks- Resoure Allocation and QoS Provisioning”, Munich Germany July 2012
[10]Xiang Zhang, Mugen Peng, Senior memBER, IEEE, Zhiguo Ding, MemBER, IEEE and Wenbo Wang, MemBER, IEEE , “Multi-User Scheduling for Network Coded Two-way Relay Channel in Cellular System”, IEEE Transactions on Wireless Communication, Vol. 11, No.7, July 2012
[11] Yifei Yuan,”LTE-Advanced Relay techonology and Standardization (Signals and Communication Techonology ”, University of Pennsylvania 2012
[12] Zhiguo Ding, MemBER, IEEE, Ioannis Krikidis, MemBER, IEEE, John Thompson, MemBER, IEEE, and Kin K.Leung, Fellow, IEEE, “Physical Layer Network Coding and Precoding for the Two-way Relay Channel in Cellular Systems”, IEEE Transactions on signal processing, Vol. 59, No.2, February 2011.
PHỤ LỤC
% Code matlab
% Khảo sát công suát thu tại trạm thuê bao
% write by Vo Nhu Tuan
% Khao sat cong suat thu tai tram thue bao
clc;
clear;
% Khi khong co chuyen tiep
Pr=10^-3; % Cong suat thu tai tram MS
d=500:100:2000; % Khao cach tu tram RS den tram MS
for dem= 1:16
% Pt : Cong suat phat cua tram BS khi khong co tram chuyen tiep
Pt(dem)=Pr*(d(dem)^2); % Tinh toan cong suat phat
PtdB(dem)=pow2dB(Pt(dem));% Chuyen sang dB
end
% Khi co chuyen tiep
dr=400; % Khoang cach tu tram BS den tram RS
for dem =1:16
% Prt : Cong suat phat cua tram BS khi co tram chuyen tiep
Prt(dem)=Pr*((dr^2)+(d(dem)-dr)^2); % Tinh toan cong suat phat
PrtdB(dem)= pow2dB(Prt(dem));
end
% Ve do thi
figure,
hold on
xlabel('Vi tri cua tram MS');
ylabel('Cong suat phat');
xlim([400 2100]);
ylim([15 40]);
plot(d,PtdB,'ro-');
plot(d,PrtdB,'bx-');
legend('No Relay','Relay');
hold off;
% Khảo sát BER của hệ thống khi có relay DF, relay AF và không có relay
% write by Vo Nhu Tuan
% Khao sat BER giua chuyen tiep DF ,chuyen tiep AF va khong chuyen tiep (Direct)
clc;
clear;
% Thong so dau
min_SNR=0;
max_SNR=14;
interSNR=0.5;
POW_DIV=1/2;
N=10000; % Tong so bit
x=randint(1,N,2); %Tao chuoi bit 0 1
% Ma hoa bang bpsk
x_s=modulate(modem.pskmod(2),x);
% Kenh Rayleigh
H_sd = RayleighCH (1); % Giua tram BS va tram MS
H_sr = RayleighCH (1); % Giua tram BS va tram RS
H_rd = RayleighCH (1); % Giua tram RS va tram MS
