Kỹ thuật MIMO trong mạng 4G LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian dựa trên Turbo Coding, 16QAM, OFDM và pilots

1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC  BÁO CÁO MÔN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG Đề tài Kỹ thuật MIMO trong mạng 4G LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian dựa trên Turbo C.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC



BÁO CÁO MÔN

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

Đề tài: Kỹ thuật MIMO trong mạng 4G LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh

không gian dựa trên Turbo Coding, 16-QAM, OFDM và CRC

Giảng viên: TS Lê Hải Châu Học viên: Nguyễn Văn Công

Hoàng Văn Đăng Bouasone Khambouavong

Hà Nội, 03/2021

Mục Lục

I TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE 3

1 Giới thiệu 3

2 Mục tiêu 4

3 Thông số vật lý của hệ thống LTE 5

II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO 6

1 Hệ thống MIMO 6

2 Ghép kênh không gian 8

3 Mô hình kênh vô tuyến 8

3.1 Kênh AWGN 8

3.2 Kênh Fading Rayleigh 10

4 Turbo coding 13

4.1 Turbo encoder 13

4.2 Trellis termination 13

III THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 14

1 Mô hình lớp vật lý LTE trong Matlab 14

2 Chi tiết các khối 15

3 Mô phỏng và kết quả 19

3.1 Giản đồ chòm sao sự phân bố của các điểm một cách rời rạc theo thời gian của tín hiệu điều chế phía thu và phía phát 19

3.2 Phổ tín hiệu phía thu và phía phát 21

4 Kết luận 23

5 Đề xuất 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

I TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE

1 Giới thiệu

LTE là thế hệ mạng di dộng thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

Chuẩn LTE nhắm mục tiêu tốc độ dữ liệu cao hơn, hiệu quả sử dụng phổ cao hơn, độ trễ thấp hơn, băng thông kênh linh hoạt và chi phí hệ thống so với người tiền nhiệm của nó LTE được coi là mở ra thế hệ thứ tư (4G) trong thông tin di động Nó được gọi là đa phương tiện di động, mọi lúc, mọi nơi, với hỗ trợ di động toàn cầu, Giải pháp không dây tích hợp và Dịch vụ cá nhân tùy chỉnh LTE sẽdựa trên giao thức internet (IP), cung cấp thông lượng cao hơn, băng thông rộng hơn và bàn giao tốt hơn trong khi vẫn đảm bảo các dịch vụ liền mạch trên các khu vực được bảo hiểm với sự hỗ trợ đa phương tiện

Các đặc tính cơ bản của LTE

 Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đ ến 500 km/h tùy băng tần

 Phổ tần số: Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD

 Độ phủ sóng từ 5-100 km

 Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5 MHz

 Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

 VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS

 Liên kết mạng:

Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300 ms cho các dịch vụ thời gian thực và

500 ms cho các dịch vụ còn lại

 Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-2.1 GHz) … Băng tần chỉ định dưới 5 MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ

• Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

• Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

• Quản lí tài nguyên vô tuyến

• Độ phức tạp

-tốc độ truyền dẫn

-dung lượng hệ thống

-chi phí

-100Mb/s(tốc độ cao nhất của môi trường

di động).1Gb/s (tốc độ tối đa của môi trường trong nhà)

-gấp 10 lần hệ thống 3G -1/10 đến 1/100 trên mỗi bit truyền

3 Thông số vật lý của hệ thống LTE

Bảng 1: Các thông số lớp vật lí của LTE

Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp như sau:

Bảng 2: Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

Chuẩn 4G LTE và LTE Advanced hiện nay:

Hình 1: Chuẩn tiến tới 4G hiện nay

II TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO

tài nguyên hạn chế, nên nhu cầu về công suất truyền tải cao phải được đáp ứng bằng cách sử dụng tốt hơn băng tần số hiện tại và điều kiện kênh Một trong những đột phá về kỹ thuật gần đây, có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu cần thiết, là việc sử dụng nhiều anten ở cả hai đầu kết nối Các hệ thống này được gọi là hệ thống không dây đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) Các hệ thống MIMO có khả năng đạt thông lượng cao hơn mà không tăng bang thông hoặc công suất truyền Rõ ràng là hệ thống MIMO đã đạt được độ lợi về tốc độ truyền và độ tin cậy kèm theo chi phí tính toán cao hơn May mắn thay, các mạch tích hợp với công suất tính toán cao đã ra đời đáp ứng được các yêu cầu thực hiện các thuật toán xử lý tín hiệu cần thiết Có hai độ lợi

có thể thu được các hệ thống MIMO Chúng được gọi là độ lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi do hợp kênh không gian (spatial multiplexing gain)

- Tăng cường khả năng chống Fading thậm chí phần nào khai thác được nó.

- Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cả máy phát và thu)

 Nhược điểm

- Chi phí giá thành cho thiết bị cao hơn (do sử dụng nhiều ăng-ten thu phát,

và phải dùng các bộ vi xử lý đặc biệt chuyên dụng…)

2 Ghép kênh không gian

Ghép kênh không gian là hình thức MIMO được sử dụng để cung cấp dung lượng

dữ liệu bổ sung bằng cách sử dụng các con đường khác nhau để thực hiện lưu lượng

bổ sung, tức là tăng khả năng thông lượng dữ liệu

Như một kết quả của việc sử dụng nhiều anten, công nghệ không dây MIMO có thể tăng đáng kể năng lực của một kênh nhất định trong khi vẫn tuân theo pháp luật của Shannon Bằng cách tăng số lượng nhận và truyền anten có thể tăng tuyến tính thông lượng của các kênh với mỗi cặp ăng ten bổ sung vào hệ thống Điều này làm cho công nghệ không dây MIMO một trong những kỹ thuật không dây quan trọng nhất được sử dụng trong những năm gần đây Khi băng thông phổ đang trở thành một mặt hàng có giá trị hơn bao giờ hết cho các hệ thống thông tin vô tuyến, kỹ thuật cần thiết để sử dụng băng thông hiệu quả hơn Công nghệ không dây MIMO là một trong những kỹ thuật này

3 Mô hình kênh vô tuyến

3.1 Kênh AWGN

Kênh AWGN là kênh chứa ồn (hay nhiễu) trắng cộng tính, không chịu tác động bởi các hiện tượng như ảnh hưởng của kênh đa đường, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler … mà chỉ chịu ảnh hưởng của suy hao đường theo khoảng cách và có tap-delay không đổi

Nhiễu trắng là loại nhiễu phổ biến nhất trong các hệ thống truyền dẫn Nhiễu

trắng (có hàm ý theo tính chất quang ánh sáng trắng là ánh sáng chứa tất cả các

màu trong dải nhìn thấy) nhiễu dải rộng có mật độ phổ công suất phẳng (mật độ phổ

công suất không đổi trong toàn bộ tiến trình), nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất

bằng nhau trong toàn bộ khoảng băng thông Hàm mật độ xác suất theo phân bố GAUSS và theo phương thức tác động có tính chất cộng tính nên có thể gọi là nhiễu Gaussian trắng cộng tính Hầu hết các loại nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến đều chứa nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN) với miền thời gian Đó là do tại máy thu khi hoạt động sinh ra nhiệt lượng do chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây

ra là loại nhiễu trắng tiêu biểu có phân bố Gauss tác động cộng với tín hiệu thu được trên kênh Đặc biệt, khi số sóng mang phụ con rất lớn thì hầu hết các Thành phần nhiễu khác cũng có thể được gọi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì nếu xét từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng Như vậy tín hiệu truyền qua kênh phải thêm vào 1 tín hiệu ngẫu nhiên không mong muốn gọi là nhiễu AWGN với trung bình a, phương sai  2 và có phân bố mật độ xác suất được xác định bởi:

P(x) =

2 2

( ) ( ) 2 1 2

Với m µ và µ lần lượt là giá trị trung bình và phương sai của kỳ vọng µ

Hàm mật độ phổ xác suất của nhiễu Gaussian được trình bày trong hình:

Hình 3: Hàm mật độ phổ công suất của nhiễu Gauss

Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu thu được (SNR) là tỉ số của công suất nhận trên công suất nhiễu trong băng thông tín hiệu phát Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR thường được mô tả theo năng lượng tín hiệu trên mỗi bit E b hay trên mỗi kí tự E s

E

N BT =

0

b b

3.2 Kênh Fading Rayleigh

Kênh Fading Rayleight là kênh chịu tác động bởi tất các hiện tượng như ảnh hưởng của kênh đa đường, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, ảnh hưởng của suy hao đường theo khoảng cách và có tap-delay thay đổi ngẫu nhiên Kênh Fading Rayleight tác động trực tiếp vào tín hiệu (nhân với tín hiệu chứ không phải là công với tín hiệu) Fading là hiện tượng tín hiệu thu bị “méo” một cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn

Các loại fading được chia ra:

Hình 4: Phân loại Fading theo chu kỳ và băng thông

Trong một hệ thống vô tuyến di động, một tín hiệu có thể truyền từ máy phát tới máy thu qua nhiều đường phản xạ - hiện tượng này được gọi là truyền sóng đa đường Hiệu ứng này gây ra sự thay đổi ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu được, và được gọi là Fading đa đường Giả sử rằng hệ thống không gian-thời gian bao gồm K người sử dụng, mỗi người sử dụng phát một tín hiệu trên một kênh đa đuờng rời rạc độc lập với đường truyền L tới máy thu, mỗi tín hiệu có một biên độ, pha và hướng tới riêng Phân bố của các tham số này phụ thuộc vào loại môi trường thông tin di động Hướng tới phụ thuộc vào ba thành phần khác nhau là:

 Tán xạ tại đầu cuối di động (hiện tượng nhiễu xạ này cũng thường bị ảnh hưởng bởi tốc độ di động)

 Tán xạ tại trạm gốc

 Các vật tán xạ ở xa Loại tán xạ này có thể xuất hiện trong các môi trường thành thị và nông thôn do các vật thể có cấu trúc lớn như núi đồi, các toà nhà, và có ảnh hưởng nhất định tới kênh thông tin di động kể cả khi các vật tán

xạ này ở xa so với trạm gốc và máy di động Nếu các vật tán xạ này nằm trong tầm nhìn thẳng đối với cả trạm gốc và máy di động thì chúng có thể có vai trò giống như các vật phản xạ rời rạc hoặc vật phản xạ tập trung theo nhóm Khi

các vật phản xạ được nhóm lại, ăn ten trạm gốc hoặc máy di động có thể xem như các thành phần tán xạ như ở điểm 1 và điểm 2 nêu trên

Ta thấy rằng, mô hình phân bố của môi trường tán xạ chiếm một vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống Nhiều mô hình phân bố của môi trường tán xạ khác nhau đã được đề xuất, với các thuộc tính và độ chính xác khác nhau Một số mô hình

đã được phát triển cho thực tế, còn hầu hết mô hình khác có xu hướng phục vụ cho mục đích mô phỏng Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian và tần số Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thõa mãn:

 Môi trường truyền dẫn bao gồm cả tuyến trang tầm nhìn thẳng (LOS) lẫn các tuyến trong tầm che khuất (NLOS), có nghĩa là không có tuyến có công suất tín hiệu vượt trội

 Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu xạ khác nhau (đa đường)

Hình 5: Rayleigh Fading

4 Turbo coding

4.1 Turbo encoder

Sơ đồ của bộ mã hóa turbo là Mã hợp lệ ghép song song (PCCC) với hai thành phần 8 trạng thái bộ mã hóa và một bộ xen kẽ mã turbo bên trong Tỷ lệ mã hóa của

bộ mã hóa turbo là 1/3 Cấu trúc của turbo bộ mã hóa được thể hiện như sau:

Hình 6: Cấu trúc của bộ mã hóa turbo tỷ lệ 1/3 (các đường nét đứt chỉ áp dụng

cho trellis termination)

4.2 Trellis termination

Kết thúc trellis được thực hiện bằng cách lấy các bit đuôi từ phản hồi thanh ghi dịch chuyển sau khi tất cả các bit thông tin được được mã hóa Các bit đuôi được đệm sau khi mã hóa các bit thông tin

Ba bit đuôi đầu tiên sẽ được sử dụng để kết thúc bộ mã hóa thành phần đầu tiên (công tắc phía trên của hình 5.1.3-2 ở phía dưới vị trí) trong khi bộ mã hóa thành phần thứ hai bị tắt Ba bit đuôi cuối cùng sẽ được sử dụng để kết thúc thứ hai

bộ mã hóa cấu thành (công tắc dưới của hình 5.1.3-2 ở vị trí thấp hơn) trong khi bộ

mã hóa cấu thành đầu tiên bị tắt

Các bit được truyền để kết thúc lưới sau đó sẽ là:

III THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB

1 Mô hình lớp vật lý LTE trong Matlab

Hình 7 + 8: Tổng quan về xử lý kênh vật lý đường xuống

2 Chi tiết các khối

Hình 9: Sơ đồ tổng quan

Hình 10: Đa kênh và nhiễu AWGN

Hình 11: Khối phát LTE

Hình 12: Khối thu LTE

Hình 13: BER

Hình 14: Turbo code

Chức năng của từng khối:

 Máy phát nhị phân Bernoulli: Khối phát nhị phân Bernoulli tạo những số

nhị phân ngẫu nhiên sử dụng phân phối Bernoulli Phân phối Bernoulli với

thông số p bằng 0 với xác suất p và bằng 1 với xác suất 1-p

 Khối phát số nguyên ngẫu nhiên (Random enteger generator): Khối này

phát số nguyên ngẫu nhiên phân bố đều trong khoảng [0, M-1].M là số mức

của tín hiệu QAM được điều chế, ở đây M=256

 Khối điều chế 16-QAM: Điều chế tín hiệu lối vào sử dụng phương pháp điều

chế biên độ xung vuông Lối vào có thể là các bit hoặc các số nguyên

 Khối kênh nhiễu cộng tính AWGN: Khối AWGN cộng nhiễu trắng Gauss

vào trong tín hiệu lối vào Tín hiệu lối vào và tín hiệu lối ra có thể là số phức

hoặc số thực

 Khối giải điều chế QAM: Giải điều chế tín hiệu lối vào sử dụng phương pháp điều chế biên độ xung vuông Là tập hợp các số nguyên từ 0->255

 Bộ tính toán và thống kê lỗi (error…): Khối này dùng để tính toán tỷ lệ lỗi

bit hoặc tỷ lệ lỗi symbol của dữ liệu lối vào Tốc độ lỗi của dữ liệu thu được xác định = độ trễ của dữ liệu truyền Khối này có 2 cổng lối vào: Tx và Rx,

trong đó Tx là cho tín hiệu truyền đi, Rx là cho tín hiệu nhận đựợc

 Khối hiển thị: Khối này hiển thị các giá trị của lối vào Khối này cho ta thấy được tỷ lệ lỗi bit trên ký tự, tổng số lỗi và tổng số ký tự

 Giản đồ chòm sao: Hiển thị các thành phần cùng pha và vuông pha của tín

hiệu điều chế Giản đồ chòm sao mô tả sự phân bố của các điểm một cách rời rạc theo thời gian của 1 tín hiệu điều chế, thể hiện ra các đặc điểm như dạng xung hoặc sự méo của các tín hiệu

Thiết lập các thông số:

 Máy phát nhị phân Bernoulli: M-arynumber = 4 Initial seed = 61;

Probability of a zero = 0.5; sample time = 1 Tích chọn Frame-based outputs; Samples per frame = 20; Output data type = Boolean

 Khối General QAM Modulator Baseband: M-ary number = 16; Input type

= Bit; Constellation ordering = Gray; Average power, referenced to 1 ohm (watts) = 0.5; Phase offset (rad) = 0; Output data type = double Signal

constellation = exp(2*pi*i*[0:7]/8)]

 Khối AWGN channel : Chế độ : SNR, SNR : 10 ; Initial Seed = 32965 : khởi

tạo giá trị ban đầu cho bộ tạo nhiễu Gauss Mode: xác định biến nhiễu với tín hiệu lối vào Input signal power(watts): công suất của ký hiệu lối vào Eb/No) hay của mẫu (nếu chọn SNR) Symbol period (s): khoảng thời gian tồn tại của ký tự tính theo giây Trường này chỉ xuất hiện khi chế độ Eb/No

hay Es/No được thiết lập

 Khối Multipath Rayleigh Fading Channel: Mximum Doppler shift (Hz) =

40; Tích chọn: Normalize gain vector to 0 dB overall gain; Initial seed = 73 Các thông số khác để mặc định

 Khối CRC-N Syndronme: CRC method = CRC-24; Initial states = 0;

Checksum per frame = 1