Đề tài đánh giá hiệu năng của kỹ thuật điều chế m-QAM khi thay đổi kích thước bộ FFT trong mạng 4g LTE

TÀI LI U THAM KH O [1] Khan, Mohd Abuzer, Sonu Pal, and Ankita Jose.. "BER Performance of BPSK, QPSK & 16 QAM with and without using OFDM over AWGN, Rayleigh and Rician Fading Channel."

I H C À N NG

KHOA I N T - VI N THỌNG -oo0oo -

MỌ HÌNH HÓA VÀ MỌ PH NG H TH NG TRUY N THỌNG

tƠi: ánh giá hi u n ng c a k thu t đi u ch m-QAM khi thay đ i kích th c b FFT trong m ng 4G/LTE

H c viên th c hi n : PH M QU C C NG

L p : K35DTCH

Gi ng viên h ng d n: TS NGUY N DUY NH T VI N

Ơ N ng, 7 - 2018

M C L C

CH NG 1: T NG QUAN S PHÁT TRI N C A THÔNG TIN DI NG 3

1.1 Gi i thi u: 3

1.2 Các th h m ng di đ ng: 3

1.2.1 M ng 1G: 3

1.2.2 M ng 2G: 3

1.2.3 M ng 3G: 4

1.2.4 M ng 4G/LTE: 5

1.3 K t lu n ch ng: 6

CH NG 2: K THU T OFDM VÀ I U CH QAM TRONG M NG 4G/LTE 7 2.1 Gi i thi u 7

2.2 Nguyên lý c b n c a OFDM 7

2.2.1 Khái ni m 7

2.2.2 Tính tr c giao trong h th ng 7

2.2.3 S đ kh i c a h th ng OFDM 9

2.2.4 B IFFT và FFT 9

2.3 i u ch s m-QAM trong OFDM 11

2.4 K t lu n ch ng 12

CH NG 3: MÔ PH NG ậ ÁNH GIÁ K T QU 13

3.1 Gi i thi u 13

3.2 L u đ thu t toán 13

3.3 K t qu mô ph ng 13

3.3.1 Kích th c b FFT=32 13

3.3.2 Kích th c b FFT=64 15

3.4 K t lu n ch ng 16

K T LU N 17

TÀI LI U THAM KH O 18

PH L C 19

CH NG 1: T NG QUAN S PHÁT TRI N C A THỌNG TIN DI NG 1.1 Gi i thi u:

Ch ng nƠy trình bƠy s l c v quá trình phát tri n c a cu c cách m ng thông tin di đ ng t lúc ra đ i cho t i hi n t i

1.2 Các th h m ng di đ ng:

1.2.1 M ng 1G:

Thông tin di đ ng th h th nh t 1G là công ngh analog s d ng k thu t đa truy c p phơn chia theo t n s (FDMA) N m 1979, hai hưng Nippon Telephone and Transmit (NTT) đư tri n khai m ng 1G t i Tokyo, Nh t B n chơu Ểu hai m ng 1G

c b n lƠ NMT (Nordic Mobile Telephone) vƠ TACS đ c xơy d ng vƠ sau đó phát tri n r ng ra trên kh p chơu Ểu vƠo th p niên 80

Các m ng 1G không cho phép ho t đ ng liên qu c gia (roaming) v i nhau, đó

c ng nh ch t l ng truy n tín hi u c a m ng 1G r t kém Các thi t b di đ ng 1G s

d ng anten thu phát sóng g n ngoài, k t n i theo tín hi u analog t i các tr m thu phát sóng BTS (Base Transceiver Station) và nh n tín hi u x lý tho i thông qua các

th gi i có kích th c khá to và c ng k nh do tích h p cùng lúc 2 module thu và phát

tín hi u

1.2.2 M ng 2G:

Thông tin di đ ng th h th hai - 2G là h th ng thông tin vô tuy n s v i các

tính n ng v t tr i so v i 1G nh cho phép g i tin nh n SMS (Short Messaging

Service), tin nh n hình nh MMS (Multi-media Messaging Service), tho i liên vùng

c ng nh liên qu c gia Công ngh 2G cho phép b o m t thông tin t t d a trên các

thu t toán mã hóa và gi i mã s M ng 2G s d ng k thu t đa truy c p phân chia theo

kênh t n s

M ng GSM (Global System for Mobile Communications) đ c xem nh lƠ

b i h n 2 t ng i trên 212 qu c gia và vùng lãnh th Các m ng thông tin di đ ng

GSM cho phép có th roaming v i nhau do đó nh ng máy đi n tho i di đ ng GSM c a

các m ng PLMN khác nhau có th s d ng đ c nhi u n i trên th gi i

Hình 1 Các k thu t đa truy c p trong thông tin di đ ng

V i s phát tri n c a Internet, thì d ch v tho i, nh n tin SMS trên đi n tho i qua 2G lƠ ch a đ ; do đó, công ngh GPRS (General Packet Radio Services), hay còn g i

lƠ 2.5G đ c ra đ i v i vai trò k t n i user v i m ng Internet thông qua các thi t b PDA qua môi tr ng vô tuy n M t khái ni m d b hi u l m v i m ng 2.5G, đó lƠ

m ng EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution), bơy gi v n th y xu t hi n trên smartphone khi đi vƠo nh ng khu v c sóng 3G y u EDGE s d ng đi u ch GMSK

và 8-PSK đ t ng t c đ truy n d li u truy n lên t i 384 kbps Công ngh EDGE trên

th c t là GPRS nâng cao (2.75G), lƠ b c đ m công ngh lƠm n n t ng cho s phát tri n c a 3G sau nƠy, tuy có t c đ k t n i internet ch m nh ng giao th c nƠy v n còn

ph bi n vì nó lƠ n n t ng phát tri n cho 3G

1.2.3 M ng 3G:

Thông tin di đ ng th h th ba 3G UMTS/WCDMA (Universal Mobile Telecommunication System) s d ng k thu t đa truy c p phơn chia theo mư CDMA

(Code Division Multiple Access) M ng 3G cho phép user truy n t i c d li u tho i

vƠ phi tho i: t i d li u, g i email, tin nh n SMS, MMS, video call, …

phát tri n lên công ngh HSDPA (3.5G), HSUPA (3.75G) và HSPA+ (3.75G+) cho phép t ng t c đ d li u đ ng downlink và uplink

Hình 2 Ki n trúc m ng 3G c b n

Truy c p gói đ ng xu ng t c đ cao HSDPA (High Speed Data Packet Access) cho phép t c đ t i d li u đ ng downlink đ t 8-10 Mbps và lên t i 20 Mbps n u s

d ng MIMO (Multiple Input Multiple Output) v i đ r ng kênh lƠ 5 MHz Các k thu t chính đ c s d ng trong HSDPA g m thích ng đi u ch vƠ mư hóa AMC

ReQuest), …

Truy c p gói đ ng lên t c đ cao HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) cho t c đ truy n d li u h ng uplink lên t i 5,8 Mbps S k t h p HSDPA/HSUPA

s lƠ b c đ m cho s phát tri n c a m ng 4G/LTE sau nƠy

1.2.4 M ng 4G/LTE:

M ng di đ ng th h th t 4G, lƠ công ngh truy n thông cho phép truy n t i

d li u v i t c đ t i đa trong đi u ki n lỦ t ng lên t i 1-1,5 Gbps nh s d ng k thu t đa truy c p phơn chia theo t n s tr c giao OFDMA vƠ MIMO

Công ngh 4G đ c xem lƠ chu n trong t ng lai g n c a các thi t b không dơy Các nghiên c u đ u tiên c a NTT DoCoMo cho bi t, đi n tho i 4G có th nh n

d li u v i t c đ 100 Mbps khi di chuy n vƠ t i 1 Gbps khi đ ng yên, c ng nh cho phép ng i s d ng có th t i vƠ truy n lên các hình nh, video clip ch t l ng cao Tính t i tháng 8/2017, h n 80.000 tr m thu phát sóng 4G đư vƠ đang đ c tri n khai

nh m m c tiêu ph sóng 4G trên toƠn b lưnh th Vi t Nam,

1.3 K t lu n ch ng:

Ch ng đư trình bƠy s phát tri n công ngh c a các th h thông tin di đ ng theo ti n trình th i gian S phát tri n c a m ng 4G/LTE lƠ t t y u đ xơy d ng m t h

th ng thông tin có kh n ng đáp ng nhu c u c a cu c cách m ng công nghi p 4.0 và IoT trong t ng lai

CH NG 2: K THU T OFDM VÀ I U CH QAM TRONG M NG

4G/LTE 2.1 Gi i thi u

Ch ng nƠy trình bƠy các v n đ c b n nh t c a thông tin di đ ng 4G/LTE

c ng nh c s lý thuy t k thu t ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao OFDM và

2.2 Nguyên lỦ c b n c a OFDM

2.2.1 Khái ni m

K thu t ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là m t tr ng h p đ c bi t c a ph ng pháp ghép

đó s d ng đ đi u ch các sóng mang ph (sub-carrier) tr c giao v i nhau Do v y,

ph tín hi u c a các sóng mang ph nƠy đ c phép ch ng l n lên nhau mƠ phía đ u

thu v n khôi ph c l i đ c tín hi u ban đ u S ch ng l n ph tín hi u này làm cho h

th ng OFDM có hi u su t s d ng ph l n h n nhi u so v i các k thu t đi u ch thông th ng

Hình 2.1 Ph c a các sóng mang ph OFDM

S l ng các sóng mang ph tùy thu c vào nhi u y u t nh đ r ng kênh và

m c đ nhi u

2.2.2 Tính tr c giao trong h th ng

Hai tín hi u f(t) và g(t) tr c giao nhau n u th a :

,

, ( ) ( )

b

a

f t g t

f g f t g t dt

k f t g t







V i * 

g t là liên h p ph c c a g t , kho ng th i gian t a đ n b là chu kì c a tín hi u, k là m t h ng s

Trong h th ng đa sóng mang, nh m th a mãn tính tr c giao ta s d ng N t n

s có d ng j (2 f tk)

e  nh ng sóng mang này có t n s fk   k f , k0,1, 2, ,N1 cách

đ u nhau m t kho ng f 1

T

 

Hình 2.2 l i b ng thông c a OFDM so v i FDM

Tính tr c giao c a các sóng mang con có d ng j (2 f tk)

e  đ c phân tích b ng cách

xét (1.1) trong chu kì T c a tín hi u :

 

( ) ( )

2

k T





Khi nm thì tích phân trên b ng T không ph thu c vào n, m

Tín hi u sau đi u ch là t ng c a t t c các sóng mang b đi u ch , b ng thông

c a tín hi u s t l v i t n s sóng mang l n nh t :

fN   N f (2.3)

Nh tính tr c giao c a các sóng mang trong kho ng th i gian T mà phía thu có

th tách các tín hi u t ng ng v i m i sóng mang này d dàng

2.2.3 S đ kh i c a h th ng OFDM

u tiên, d li u vào t c đ cao đ c chia thành nhi u dòng d li u song song

có t c đ th p h n nh b chuy n đ i n i ti p sang song song S/P (Serial to Parallel)

khi đ a đ n đ u vào c a kh i IDFT Kh i IDFT th c hi n ch c n ng đi u ch các sóng

đ gi m nhi u xuyên ký t ISI do nh h ng c a đa đ ng vƠ fading trong môi tr ng

th c hi n đi u ch cao t n, khu ch đ i công su t vƠ đ a ra anten phát truy n đ n máy

thu

Trong quá trình truy n, trên các kênh s có các ngu n nhi u tác đ ng đ n nh

nhi u Gausian tr ng AWGN (Additive White Gaussian Noise)

Bên phía thu, tín hi u thu đ c chuy n xu ng t n s th p và tín hi u r i r c

nh n đ c sau b D/A thu Kho ng b o v đ c lo i b và các m u đ c chuy n đ i

t mi n th i gian sang mi n t n s b ng phép bi n đ i FFT (kh i FFT) Sau đó, tùy vƠo s đ đi u ch đ c s d ng, s d ch chuy n v biên đ và pha c a các sóng mang

dòng d li u n i ti p ban đ u sau khi chuy n t song song v n i ti p

2.2.4 B IFFT vƠ FFT

OFDM là k thu t đi u ch đa sóng mang, trong đó d li u đ c truy n song

c n m t kh i phát sóng sin, m t b đi u ch phía máy phát và m t b gi i đi u ch

t o dao đ ng sóng sin, b đi u ch , gi i đi u ch dùng trong m i kênh sóng m ng ph

g n h n b ng cách gi m s phép nhân ph c khi th c hi n phép bi n đ i DFT/IDFT và

giúp gi m t i các b x lý tín hi u

Ta quy c: Chu i tín hi u vào X k , 0    k N 1

Kho ng cách t n s gi a các sóng mang: f

Chu k c a m t ký t OFDM: TS

T n s trên sóng mang th k: fk  f0  k f Tín hi u phát đi có th bi u di n d i d ng :

trong đó:

0

N

j k ft a

k







b ng g c:

-N u l y m u tín hi u v i m t chu k Ts/N, t c là ch n N m u trong m t chu k tín hi u, ph ng trình xa(t) đ c vi t l i nh sau :

  1   2

0

S T

N

k

n

N





-N u th a mưn đi u ki n  fTS  1 v i 1

S

f T

  thì các sóng mang s tr c giao

v i nhau thì ph ng trình (2.5) tr thành:

0

.

k

N a

k





Ph ng trình trên ch ng t tín hi u ra c a b IDFT là m t tín hi u r i r c trong

mi n th i gian có chi u dài là N

T i máy thu, b DFT đ c s d ng đ l y khôi ph c tín hi u X k  ban đ u

Ta có :

 

1

N

N





V i hàm m k   là hàm xung delta có giá tr :

  1

0

m k

    



2.3 i u ch s m-QAM trong OFDM

Trong h th ng OFDM, tín hi u đ u vào là d ng bit nh phân cho nên đi u

ch trong OFDM lƠ các quá trình đi u ch s D ng đi u ch có th quy đ nh b i s bit

ngõ vào Mvà s ph c dn  an bn ngõ ra Các kí t an, bncó th đ c ch n là {±

Ki u đi u ch đ c s d ng th c t trong m ng LTE tùy vào vi c d ng hòa gi a

đi u ki n kênh truy n vô tuy n CQI (Channel Quality Indicator), ch t l ng truy n

d n và QoS c a d ch v

Hình 2.4 Gi n đ chòm sao c a tín hi u đi u ch 16-QAM và 64-QAM

2.4 K t lu n ch ng

Ch ng nƠy đư trình bƠy nguyên lỦ ho t đ ng c b n c a h th ng OFDM và k

thu t đi u ch s m-QAM đ c s d ng trong m ng LTE th c t hi n nay D a trên

đi u ch QAM khi kích th c c a b FFT thay đ i

CH NG 3: MỌ PH NG ậ ÁNH GIÁ K T QU 3.1 Gi i thi u

N i dung ch ng trình bƠy v các k t qu mô ph ng c a vi c kh o sát hi u n ng

3.2 L u đ thu t toán

Hình 3.1 L u đ thu t toán mô ph ng

3.3 K t qu mô ph ng

3.3.1 Kích th c b FFT=32

Th c hi n mô ph ng so sánh hi u n ng gi a các k thu t m-QAM v i kích

th c c a b FFT=32

Hình 3.2 SER ng v i các k thu t đi u ch 16, 32, 64-QAM – kích th c b FFT=32

FFT= 32

Nh n xét: V i cùng m t giá tr Es/No t i máy thu, khi t ng s l ng bit đ c

ch a trong QAM symbol l n l t là 4 bit, 5 bit, 6 bit, 7 bit, 8 bit và 9 bit thì k thu t

16-QAM (4 bit) cho k t qu t t nh t v t l SER theo lý thuy t c ng nh mô ph ng

Khi Es/No=20dB thì 5

theory QAM

simulation_16

10 SER 

3.3.2 Kích th c b FFT=64

Th c hi n mô ph ng so sánh hi u n ng gi a các k thu t m-QAM v i kích

th c c a b FFT=64

Hình 3.5 SER ng v i các k thu t đi u ch 128, 256, 512-QAM – kích th c b

FFT= 64

Nh n xét: Khi t ng kích th c b đi u ch FFT=64 thì t l l i SER c a các k

thu t đi u ch QAM t ng ng g n nh trùng nhau v m t lý thuy t l n mô ph ng

M t l n n a thì k thu t 16-QAM l i cho hi u n ng t t nh t khi v i m c thu

16QAM 10 SER    , trong khi các ki u đi u ch còn l i có t l l i ký t

3

10

other QAM

SER   

3.4 K t lu n ch ng

Ch ng đư trình bƠy các k t qu đánh giá mô ph ng hi u n ng c a các k thu t

đi u ch s m-QAM đ c s d ng trong h th ng OFDM T các k t qu đó có th

th y r ng đi u ch 16-QAM thích h p v i kích th c b FFT=32 vƠ FFT=64

K T LU N

Trong ph m vi ti u lu n, vi c kh o sát đánh giá hi u n ng c a c a các k thu t

đi u ch m-QAM (16, 32, 64, 128, 256, 512) trong c hai tr ng h p lý thuy t và mô

ph ng đư đ c trình bày ng v i các kích th c b FFT khác nhau l n l t là 32 và 64

đ ch n ra k thu t đi u ch QAM thích h p nh t đ th c thi trong th c t Trong

t ng lai, đ tài s b sung thêm m t v n đ m r ng là hi u t ng m t đ ng b gi a

thi t b di đ ng và tr m thu phát 4G do hi u ng d ch t n s Doppler đ đ xu t m t k

thu t đi u ch vƠ kích th c b FFT t i u h n

TÀI LI U THAM KH O

[1] Khan, Mohd Abuzer, Sonu Pal, and Ankita Jose "BER Performance of BPSK, QPSK & 16 QAM with and without using OFDM over AWGN, Rayleigh and Rician Fading Channel."

[2] Chide, Nilesh, Shreyas Deshmukh, and P B Borole "Implementation of OFDM System using IFFT and FFT." International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA) 3.1 (2013): 2009-2014

[3] Zhang, Xu "Modeling & performance analysis of QAM-based COFDM system." (2011)

[4] Lokanadhan, Krishnaih, and Sarojanarayanamurthy Rajavari "Implementation of 64-point FFTs as a building block for OFDM-based standards with respect to different criteria." (2013)

[5] SM, Rashmi R Sarala "OFDM: Modulation Technique for Wireless Communication." (2014)

[6] Rony Paul, Mohammed Sabbir Rahman "A thesis on performance analysis of various modulation techniques used in ODFM with the impact of FFT for 4G networks" (2014)

PH L C

Contact 

Email: cuongphamquoc@outlook.com

Mobile: 0901 704 156