MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông. Nhu cầu sử dụng của con ngƣời ngày càng tăng cả về số lƣợng và chất lƣợng, các dịch vụ đa phƣơng tiện mới ngày càng đa dạng nhƣ: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu. Để đáp ứng về nhu cầu chất lƣợng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin di động không ngừng đƣợc cải tiến và đƣợc chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới. Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất yếu.
3GPP LTE - một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đƣờng tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lƣợng truyền dẫn, giảm giá thành dịch vụ cũng nhƣ thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lƣợng các dịch vụ hiện tại và tƣơng lai. Các công nghệ mới ra đời nhƣ MIMO-OFDM, anten thông minh.giúp nâng cao chất lƣợng hệ thống. Đặc biệt là kỹ thuật phân tập ăng-ten ứng dụng trên nền công nghệ OFDM đang đƣợc sử dụng rộng rãi cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hƣởng của Fading đa đƣờng và cải thiện độ tin cậy tín hiệu truyền dẫn mà không cần phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là “Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập để nâng cao chất lƣợng truyền dẫn vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 LTE/LTE-Advanced” làm chủ đề nghiên cứu.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Đề tài tiến hành tìm hiểu nguyên lý hoạt động và nghiên cứu các phƣơng pháp phân tập để nâng cao chất lƣợng truyền dẫn vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 LTE/LTE-Advanced. Phân tích, so sánh đánh giá các phƣơng pháp phân tập để từ đó đƣa ra phƣơng pháp phân tập tối ƣu ứng với từng điều kiện cụ thể. Đối tƣợng nghiên cứu: - Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced. - Kỹ thuật OFDM và các đặc tính kênh truyền.
Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải VIII - Các kỹ thuật phân tập đƣợc sử dụng trong LTE/LTE-Advanced. Phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE/LTE-Advanced, nghiên cứu các kỹ thuật phân tập đƣợc sử dụng trong hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced. Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu dựa trên các tài liệu từ các công trình khoa học, các đề tài và các tạp chí – hội thảo trong và ngoài nƣớc về các vấn đề có liên quan đến công nghệ LTE/LTE-Advanced, các kỹ thuật phân tập đƣợc sử dụng trong LTE/LTE- Advanced. Kết cấu của luận văn: Chƣơng I: Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced.
Chƣơng II: Kỹ thuật OFDM và đặc tính kênh truyền. Chƣơng III: Các kỹ thuật phân tập. Do nội dung của đề tài rất rộng và khó, thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của Thầy Cô và các bạn để Luận văn này đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn chỉ bảo tận tình của các Thầy Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông - Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải, đặc biệt là thầy giáo TS.
Trịnh Quang Khải. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ em hoàn thành tốt Luận văn này. Hồ Chí Minh, Ngày 27 tháng 05 năm 2014 Phạm Tuấn Huệ Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải IX THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ACK/NACK Acknowledgement/ Non- Công nhận/ Không công nhận Acknowledgement BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bít CAZAC Constant Amplitude Zero Tự tƣơng quan bằng không Auto-Correlation biên độ không đổi CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh CDD Cyclic delay diversity Phân tập trễ theo chu kỳ CDS Channel Depend Schedule Lập lịch phụ thuộc kênh CP Cyclic Prefix Tiền tố chu trình CSI Channel-State Information Kênh thông tin trang thái CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lƣợng kênh C-RNTI Cell Radio Network Số nhận dạng ô tạm thời Temporary Identifier DFDMA Distributed FDMA FDMA phân bố DFTs-OFDM DFT spread OFDM OFDM trải phổ DS-CDMA Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp eNodeB E-UTRAN Node B Nút B của E-UTRAN EPC Evolved packet Core Lõi gói phát triển EPS Evolved Packet System Hệ thống gói phát triển E-UTRA Evolved UTRA Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS phát triển FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số FSTD Frequency shift transmit Phân tập phát thay đổi tần số diversity FDMA Frequency Division Multi Đa truy nhập phân chia theo Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải X Access tần số 3GPP Third Generation Tổ chức chuẩn hóa mạng di Partnership Project động thế hệ thứ 3 GERAN GSM EDGE Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến Network GSM EDGE GGSN Gateway GPRS Support Nút hỗ trợ cổng nối GPRS Node GPRS General Packet Radio Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Service GUTI Globally Unique Temporary Nhận dạng tạm thời duy nhất Identity toàn cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đƣờng hầm GPRS HARQ Hybrid Automatic Repeat Yêu cầu phát lại tự động linh Request hoạt HSDPA High Speed Downlink Truy nhập gói đƣờng xuống packet Access tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao HSS Home Subcriber Server Server thuê bao nhà HSUPA High Speed Uplink packet Truy nhập gói đƣờng lên tốc Access độ cao IBI Inter – Block Interference Nhiễu liên khối ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang IFDMA Interleaved FDMA FDMA đan xen IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phƣơng tiện IP IMT-2000 International Mobile Thông tin di động quốc tế Telecommunication 2000 2000 Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải XI IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Services Digital Mạng số dịch vụ tích hợp Network ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí hiệu LFDMA Localized FDMA FDMA khoanh vùng LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MBMS Multimedia Broadcast Dịch vụ quảng bá đa phƣơng Multicast Service đa phƣơng tiện MM Mobility Management Quản lý tính di động MME Mobile management Entity Thực thể quản lí di động MMSE Minimum Mean Square Sai số bình phƣơng trung bình Error cực tiểu PAPR Peak to avegare Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PCRF Policy and Charing Rules Chức năng quy tắc tinh cƣớc Fuction và chính sách P-GW Packet Data Network – Cổng mạng dữ liệu gói Gateway PS Pulse Shaping Tạo dạng xung PSR Packet Success Ratio Tỷ lệ gói thành công PSTN Public Switch telephone Mạng điện thoại chuyển mạch network công cộng PUSCH Physical Uplink Shared Kênh chia sẻ đƣờng lên vật lý Channel QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ QPSK Quatrature phase Shift Key Khóa chuyển pha vuông góc RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải XII RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RR Round Robin Quay vòng RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Quản lý tài nguyên vô tuyến Radio Resource Management RU Resource Unit Đơn vị tài nguyên SAE System Architecture Phát triển kiến trúc mạng Evolution STBC Space - Time Block Code Mã hóa không gian thời gian SC/FDE Single Carrier/ Frequency Đơn sóng mang/ bộ cân bằng Domain Equalizer miền tần số SC-FDMA Single Carier – frequency Đa truy nhập phân chia tần số Division Multiple Access đơn sóng mang SC-CFDMA Single Carrier – Code Đa truy nhập phân chia tần số FDMA mã đơn sóng mang. S-GW Serving Gateway Cổng phục vụ SGSN Serving GPRA Support Nút hỗ trợ GPRS phục vụ Node SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời gian TSTD Time shift transmit diversity Phân tập phát thay đổi thời gian TD-SCDMA Time Division-Synchronous Đa truy nhập phân chia theo Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải XIII Code Division Multiple mã đồng bộ-phân chia theo Access thời gian TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát Universal Mobile Hệ thống di động viễn thông UMTS Telecommunications toàn cầu Systems UL-SCH Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đƣờng lên USIM Universal Subscriber Modunle nhận dạng thuê bao Identity toàn cầu Module UE User Equipment Thiết bị đầu cuối UICC Universal Integrated Circuit Mạch tích hợp toàn cầu Card UP User Plane Mặt phẳng ngƣời dùng UPE User Plane Entity Thực thể mặt phẳng ngƣời sử dụng UTRAN UMTS Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt Access Network đất UMTS VoIP Voice over IP Thoại qua IP WCDMA Wideband Code Division Đa truy nhập phân chia theo Multiple Access mã băng rộng Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải XIV DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên Bảng Trang 1.1 Bảng so sánh LTE và WIMAX 5 1.2 So sánh các đặc tính giữa LTE và LTE-Advanced 27 3.1 Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát hai 103 anten 3.2 Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu 104 3.3 Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu 104 Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải XV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ Trang 1.1 Tiến trình các phát hành trong 3GPP 1 1.2 Hội thảo nghiên cứu LTE 3 1.3 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN 11 1.4 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 14 1.5 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 15 1.6 Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính 16 1.7 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính 18 1.8 PCRF kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 19 1.9 Ví dụ về khối kết tập sóng mang 22 1.10 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 23 1.11 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced 26 2.1 Đồ thị đáp ứng tần số sóng mang con trong tín hiệu OFDM 5 31 tone 2.2 Mô hình hệ thống OFDM 32 2.3 Đồ thị biểu diễn sự phân chia luồng dữ liệu 33 2.4 Sơ đồ khối bộ điều chế tín hiệu OFDM 35 2.5 Bộ IFFT và FFT 35 2.6 Mô tả tiền tố lặp 37 2.7 Sơ đồ khối hệ thống truyền nhận tín hiệu OFDM 38 2.8 Hình vẽ biểu diễn các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền 40 sóng 2.9 Mô hình đường đi của tín hiệu qua môi trường truyền dẫn không 41 dây 2.10 Mô hình minh họa hiệu ứng Doppler với góc tới αi của sóng tới 42 i 2.11 Mô hình kênh truyền có tác động của nhiễu trắng 43 Phạm Tuấn Huệ - Cao học KTĐT K20.