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. 2.1.Giới thiệu chung về chuyển tiếp. 15
3. 2.2.Khái niệm về chuyển tiếp. 18
4. 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

2. 3.2.Dựa theo vùng phủ sóng. 24
3. 3.3.Dựa theo băng tần sử dụng. 25
4. 3.4.Dựa theo cơ sở hạ tầng. 26
5. 3.4.1.Trạm chuyển tiếp cố định. 26
6. 3.4.2.Dựa theo băng tần sử dụng. 27
7. 3.4.2.Dựa theo băng tần sử dụng. 27
8. 3.5.Dựa theo các giao thức truyền dẫn. 28
9. 3.5.1.Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF. 28
10. 3.5.2.Relay giải mã và chuyển tiếp DF. 29
11. 4.Hệ thống thông tin đa chặng. 30
12. 4.1.Mô hình One-way relay. 30
13. 4.2.Mô hình Two-way relay. 31

 

2. 5. Ưu và nhược điểm của trạm chuyển tiếp. 32
3. 5.1.Các ưu điểm.. 32
4. 5.2.Các nhược điểm.. 32
5. 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

3. 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