Đồ án Kỹ thuật đa anten trong thông tin di động 3G +

Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 2 ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tên đề tài: KỸ THUẬT ĐA ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G+ Nội dung đồ án: Nội dung của đồ án được chia thành ba phần chính như sau: 9 Tổng quan về thông tin di động 3G+ 9 Tổng quan về kỹ thuật đa anten 9 Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ và LTE Đồ án tốt nghiệp Mục lục Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 i MỤC LỤC MỤC LỤC......................................................................................................................i DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ vi LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. x CHƯƠNG 1 .................................................................................................................. 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G+ .................................................... 1 1.1. Mở đầu ............................................................................................................... 1 1.2. Sự phát triển của thông tin di động ............................................................... 1 1.3. Tổng quan HSPA+ ............................................................................................ 4 1.3.1. Khả năng của HSPA+ .................................................................................. 5 1.3.2. Đặc tính của HSPA+ ................................................................................... 5 1.3.2.1. MIMO ........................................................................................................ 6 1.3.1.2. Điều chế bậc cao HOM ............................................................................ 6 1.3.1.3. Kết nối gói liên tục CPC .......................................................................... 7 1.4. Tổng quan công nghệ LTE .............................................................................. 9 1.4.1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE ................................................................. 10 1.4.1.1. Các khả năng của LTE ........................................................................... 10 1.4.1.2. Hiệu năng hệ thống ................................................................................ 11 1.4.1.3. Các khía cạnh liên quan tới triển khai .................................................. 13 1.4.1.4. Quản lí tài nguyên vô tuyến ................................................................... 15 1.4.1.5. Các vấn đề về mức độ phức tạp ............................................................. 15 1.5. Tổng kết ........................................................................................................... 16 CHƯƠNG 2 ................................................................................................................ 17 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐA ANTEN ........................................................ 17 2.1. Mở đầu ............................................................................................................. 17 2.2. Cấu hình đa anten .......................................................................................... 17 2.3. Lợi ích của kỹ thuật đa anten ....................................................................... 18 2.4. Mô hình MIMO tổng quát ............................................................................ 18 2.5. Kênh SVD MIMO .......................................................................................... 20 2.5.1. Mô hình kênh SVD MIMO ....................................................................... 20 2.5.2. Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu ...................................................... 24 2.6. Đa anten thu .................................................................................................... 25 2.6.1. Mô hình kênh phân tập anten thu ............................................................. 25 2.6.2. Sơ đồ kết hợp chọn lọc SC ........................................................................ 26 2.6.3. Sơ đồ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC ............................................................. 27 2.6.4. Kết hợp loại bỏ nhiễu IRC ........................................................................ 29 2.7. Đa anten phát .................................................................................................. 32 2.7.1. Phân tập phát .............................................................................................. 33 2.7.1.1. Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thu ................................ 33 2.7.1.2. Sơ đồ Alamouti hai anten phát và Nr anten thu ................................... 37 2.7.1.1. Phân tập trễ............................................................................................. 40 2.7.1.2. Phân tập trễ vòng CDD .......................................................................... 41 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 ii 2.7.1.3. Phân tập bằng mã hóa không gian thời gian ........................................ 42 2.7.1.4. Phân tập dựa trên mã hóa không gian-tần số ...................................... 43 2.7.2. Tạo búp sóng phía phát ............................................................................. 44 2.8. Ghép kênh không gian ................................................................................... 47 2.8.1. Nguyên lý cơ bản ....................................................................................... 47 2.8.2. Ghép kênh dựa trên tiền mã hóa ............................................................... 51 2.8.3. Xử lý bộ thu phi tuyến ............................................................................... 52 2.9. Tổng kết ........................................................................................................... 54 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................ 55 KỸ THUẬT ĐA ANTEN TRONG HSPA+ VÀ LTE ........................................... 55 3.1. Mở đầu ............................................................................................................. 55 3.2. Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ .................................................................. 55 3.1.1. Truyền dẫn HSDPA-MIMO ..................................................................... 56 3.1.2. Điều khiển tốc độ cho HSDPA-MIMO .................................................... 60 3.1.3. HARQ kết hợp mềm cho HSDPA-MIMO ............................................... 61 3.1.4. Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO ................................................. 61 3.1.5. Hỗ trợ kênh điều khiển đường lên MIMO ............................................... 64 3.1.6. Năng lực UE ............................................................................................... 70 3.3. Kỹ thuật đa anten trong LTE ....................................................................... 72 3.3.1.Phân tập phát sử dụng mã hóa khối không gian- tần số hai anten SFBC 73 3.3.2. Phân tập trễ vòng CDD ............................................................................. 74 3.3.2. Tạo búp sóng .............................................................................................. 74 3.3.3. Ghép kênh không gian ............................................................................... 76 3.3.4. Tín hiệu hoa tiêu truyền dẫn đa anten đường xuống ............................... 78 3.4. Tổng kết ........................................................................................................... 79 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 81 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sự phát triển công nghệ thông tin di động ................................................. 3 Hình 1.2. Các phát hành của 3GPP ............................................................................ 4 Hình 1.3.Hoạt động giảm HS-SCCH ......................................................................... 8 Hình 1.4. Chuyển đổi trạng thái trong LTE ............................................................. 11 Hình 1.5. Yêu cầu trễ mặt bằng U trong LTE .......................................................... 11 Hình 1.6. Băng tần hoạt độngcủa LTE .................................................................... 14 Hình 1.7. Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi .............................................. 16 Hình 1.8. Các trạng thái UE trong UMTS ................................................................ 16 Hình 2.1.Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu ......................... 19 Hình 2.2. Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành các kênh phađinh phẳng song song tương đương dựa trên SVD ..................................................................... 23 Hình 2.3. Mô hình SVD MIMO tối ưu ..................................................................... 24 Hình 2.4. Sơ đồ kết hợp chọn lọc ............................................................................. 26 Hình 2.5. Kết hợp anten thu tuyến tính .................................................................... 28 Hình 2.6. Kịch bản đường xuống với một nguồn nhiễu trội .................................... 30 Hình 2.7. Kịch bản phía thu với một nguồn nhiễu mạnh từ máy đầu cuối di động . 31 a) Nhiễu trong ô. B) Nhiễu ngoài ô .......................................................................... 31 Hình 2.8. Xử lý tuyến tính không gian/thời gian 2 chiều (2 anten thu) ................... 32 Hình 2.9. Xử lý tuyến tính không gian/ tần số 2 chiều (2 anten thu) ....................... 32 Hình 2.10. Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu ................................... 34 Hình 2.11.Sơ đồ Alamouti hai anten phát và hai anten thu...................................... 37 Hình 2.12. Phân tập trễ 2 anten ................................................................................ 41 Hình 2.13. Phân tập trễ vòng 2 anten (CDD) ........................................................... 42 Hình 2.14. Phân tập phát không gian- thời gian WCDMA (STTD) ........................ 43 Hình 2.15. Phân tập phát không gian/tần số 2 anten ................................................ 43 Hình 2.16. Tạo búp song cổ điển với độ tương cao anten cao: ................................ 44 a) Cấu hình anten. b) Cấu trúc búp sóng .................................................................. 44 Hình 2.17. Tạo búp sóng dựa trên tiền mã hóa trong trường hợp tương quan anten thấp ........................................................................................................................... 45 Hình 2.18.Tiền mã hóa trên mỗi sóng mang con của OFDM (2 anten phát) ........... 47 Hình 2.19. Cấu hình anten 2x2 ................................................................................. 48 Hình 2.20. Thu tuyến tính/Giải ghép kênh các tính hiệu được ghép không gian .... 49 Hình 2.21. Ghép kênh không gian dựa trên tiền mã hóa .......................................... 50 Hình 2.22. Trực giao hóa tín hiệu ghép không gian thông qua tiền mã hóa. ........... 51 Hình 2.23. Truyền dẫn một từ mã (a) và đa từ mã (b) ............................................. 52 Hình 2.24. Giải ghép kênh/giải mã tín hiệu ghép không gian dựa trên SIC ............ 53 Hình 3.1. Xử lý kênh HS-DSCH trong trường hợp truyền dẫn MIMO ................... 56 Hình 3.2. Sơ đồ D-TxAA ......................................................................................... 57 Hình 3.3. Mẫu điều chế kênh hoa tiêu chung với A=1+j ......................................... 59 Hình 3.4. Thông tin kênh HS-DSCH khi hỗ trợ MIMO .......................................... 61 Hình 3.5.Mã hóa kênh cho kênh HS-DPCCH .......................................................... 64 Hình 3.6.Ví dụ về báo cáo PCI/CQI loại A và B cho UE có cấu hình MIMO ........ 68 Hình 3.7.Tổ hợp PCI/CQI ........................................................................................ 69 Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 iv Hình 3.8.Quan hệ giữa HSPA và LTE ..................................................................... 72 Hình 3.9. Sơ đồ tổng quát tạo tín hiệu băng gốc đường xuống ............................... 73 Hình 3.10.Mã hóa khối không gian-tần số SFBC trong cơ cấu đa anten LTE ........ 74 Hình 3.11.Tạo búp sóng trong trong cơ cấu đa anten LTE ...................................... 75 Hình 3.12.Ghép kênh không gian trong khung hoạt động đa anten LTE (NL=3, NA=4) ....................................................................................................................... 76 Hình 3.13. Tín hiệu hoa tiêu ghép kênh không gian đường xuống .......................... 78 Đồ án tốt nghiệp Danh mục bảng biểu Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.Các đặc tính chủ yếu của HSPA+ ............................................................... 5 Bảng 1.2. Tốc độ dữ liệu HSPA+ .............................................................................. 6 Bảng 1.3. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường xuống và HSDPA ......................................................................................... 12 Bảng 1.4. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường lên và HSDPA .............................................................................................. 12 Bảng 1.5. Yêu cầu gián đoạn cho LTE.................................................................... 15 Bảng 2.1. Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát hai anten .......... 38 Bảng 2.2 .Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu ................................. 38 Bảng 2.3. Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu ............................................... 38 Bảng 3.1. Biên dịch thông tin sơ đồ điều chế và thông tin khối truyền tải từ HS- DSCH....................................................................................................................... 63 Bảng 3.2. Kết hợp các quá trình HARQ cho truyền dẫn đa luồng (12 quá trình HARQ)..................................................................................................................... 63 Bảng 3.3 .Biên dịch HARQ trong hoạt động MIMO .............................................. 65 Bảng 3.4. Bảng CQI cho UE loại 15 trong trường hợp truyền hai luồng (bản tin loại A) ............................................................................................................................. 67 Bảng 3.5. Bảng CQI cho UE loại 16 trong trường hợp truyền hai luồng (bản tin loại A) ............................................................................................................................. 68 Bảng 3.6. Bảng ánh xạ trọng số tiền mã hóa sang giá trị PCI ................................. 69 Bảng 3.7 .UE phát hành 7 từ 15-18 hỗ trợ MIMO .................................................. 72 Bảng 3.8. Bảng mã tiền mã hóa cho trường hợp hai anten phát ............................. 77 Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project Nhóm cộng tác 3GPP A ACK Acknowledgement Xác nhận AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến ARIB Association of Radio Industries and Businesses Hiệp hội các doanh nghiệp và công nghiệp vô tuyến ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động ATIS Alliiance for Telecommunications Industry Solutions Liên minh cho các giải pháp công nghiệp viễn thông AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng B BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân C CCSA China Communications Standards Association Hiệp hội chuẩn truyền thông Trung Quốc CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CEPT European Conference of Postal and Telecommunications Administations Hội nghị Châu Âu về quản lý Bưu chính Viễn thông CPC Continuous Packet Connectivity Kết nối gói liên túc CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh D DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục D-TxAA Dual Transmit -Diversity Adaptive Array E E-AGCH E-DCH Absolute Grant Channel Kênh cấp phát tuyệt đối E-DCH Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 vii E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng nâng cao EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution and Enhanced Data rates for Global Channel Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS E-RGCH E-DCH Relative Grant Channel Kênh cấp phát tương đối E-DCH F FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số G GERAN GSM EDGE RAN Mạng truy nhập vô tuyến GSM/ EDGE GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chuntg GSM Global System for Mobile communications Hệ thống thông tin di dộng toàn cầu H HARQ Hybrid ARQ ARQ lai ghép HOM High Order Modulation Điều chế bậc cao HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống HS- DPCCH High Speed Dedicated Physical Control Channel Kênh vật lý điều khiển riêng tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HS- DSCH High Speed Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS- PDSCH High Speed Physical Downlink Shared Channel Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS- SCCH High Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao đường lên I IRC Interference Rejection Combining Kết hợp triệt nhiễu IMS Internet Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện Internet J Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 viii J-TACS Japanese Total Access Communication System Hệ thống truyền thông truy nhập hoàn toàn Nhật bản L LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn M MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MBMS Multimedia Broadcast/Multicast Service Dịch vụ quảng bá /đa phương MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra ML Maximum Likelihood Khả năng giống cực đại MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi trung bình bình phương cực tiểu MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ lớn nhất MU- MIMO Multi User MIMO MIMO đa người dùng N NACK Negative Acknowledgement Không xác nhận O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao P PARC Per-Antenna Rate Control PCI Precoding Control Indicator Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa P-CPICH Primary CPICH Kênh CPICH sơ cấp PDC Personal Digital Cellular R RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến S SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống SC Selective Combining Kết hợp lựa chọn S-CPICH Secondary CPICH Kênh CPICH thứ cấp SDMA Spatial Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia không gian SIC Successive Interference Combining Kết hợp nhiễu thành công SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 ix STBC Space-Time Block Coding Mã hóa khối không gian thời gian STTD Space-Time Transmit Diversity Phân tập phát không gian thời gian SU- MIMO Single User MIMO MIMO đơn người dùng SVD Sigular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn T TACS Total Access Communication System Hệ thống truyền thông truy nhập hoàn toàn TDD Time Division Duplex Ghéo song công phân chia theo thời gian TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TTA Telecommunication Technology Association Liên hiệp công nghệ viễn thông TTC Telecommunication Technology Committee Ủy ban công nghệ viễn thông TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn U UE User Eqipment Thiết bị người dùng UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di dộng toàn cầu UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu V VoIP Voice over IP Thoại qua IP W WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây Z ZF Zero Forcing Cưỡng bức không Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 x LỜI NÓI ĐẦU Trong tiến trình phát triển của xã hội loài người, sự ra đời của thông tin di động là một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển, là lĩnh vực tiên phong, điều kiện kiên quyết cũng như cơ hội để mỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát triển, tránh nguy cơ lạc hậu, tăng cường năng lực cạnh tranh. Cho đến nay, thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Thông tin di động thế hệ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA). Ngày nay, công nghệ thông tin di động 3G đã được đưa vào thương mại hóa, nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng như tốc độ dữ liệu vẫn ngày càng tăng. Do đó, sự phát triển sau 3G đang được các tổ chức đặc biệt là 3GPP nghiên cứu triển khai. Tiểu biểu cho công nghệ thông tin di động sau 3G là HSPA phát hành 7 (HSPA+) và LTE. Để đáp ứng nhu cầu về chất lượng dịch vụ và tốc độ dữ liệu, các công nghệ này đã được bổ sung thêm nhiều đặc tính mới và tiến bộ, một trong số đó là kỹ thuật đa anten MIMO. Những năm gần đây các hệ thống đa anten MIMO đã trở thành các chủ đề thu hút nhiều tổ chức nghiên cứu trên toàn cầu. Hệ thống MIMO rất có triển vọng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau bởi lẽ nó không chỉ cho phép đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn nữa mà còn có tính khả thi về phần cứng cũng như phần mềm do sự tiến bộ của các công nghệ xử lý tín hiệu số DSP và biến đổi tương tự số tốc ADC độ cao. Với mục đích tìm hiểu sâu về kỹ thuật MIMO và ứng dụng thực tiễn của nó cũng như xu hướng phát triển của thông tin di động, em đã chọn đề tài “Kỹ thuật đa anten trong công nghệ thông tin di động 3G+” Nội dung tìm hiểu của đồ án gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau: Chương 1:Tổng quan về thông tin di động 3G+ Chương 1 của đồ án sẽ giới thiệu một cách khái quát về sự phát triển của hệ thống thông tin di động đồng thời trình bày những nét cơ bản nhất của hai công nghệ HSPA+ và LTE. Chương 2:Tổng quan về kỹ thuật đa anten Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 xi Trong chương này, đồ án sẽ trình bày một số kỹ thuật đa anten cơ bản nhất cũng như các kỹ thuật đa anten được sử dụng trong hệ thống thông tin di động sau 3G. Chương 3:Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ và LTE Chương 3 của đồ án trình bàykỹ thuật đa anten sử dụng trong HSPA+ và LTE và một số các vấn đề liên quan. Do nhiều mặt còn hạn chế đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang nhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi những sai sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Tiến sỹ Nguyễn Phạm Anh Dũng và các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến đã tạo điều kiện tốt trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án. Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã dành cho tôi sự quan tâm, giúp đỡ trong thời gian vừa qua và mong muốn