Trong tiến trình phát triển của xã hội loài người, sựra đời của thông tin di
động là một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trởthành một
ngành công nghiệp viễn thông phát triển, là lĩnh vực tiên phong, điều kiện kiên
quyết cũng nhưcơhội đểmỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát
triển, tránh nguy cơlạc hậu, tăng cường năng lực cạnh tranh. Cho đến nay, thông
tin di động đã trải qua nhiều thếhệ. Thếhệthứnhất là thếhệthông tin di động
tương tựsửdụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số(FDMA). Thông tin
di động thếhệhai sửdụng kỹthuật sốvới các công nghệ đa truy nhập phân chia
theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA). Ngày nay, công nghệthông tin di
động 3G đã được đưa vào thương mại hóa, nhưng nhu cầu vềchất lượng dịch vụ
cũng nhưtốc độdữliệu vẫn ngày càng tăng. Do đó, sựphát triển sau 3G đang
được các tổchức 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 vềchất lượng dịch vụvà tốc độdữliệu, các công nghệnày đã được bổsung
thêm nhiều đặc tính mới và tiến bộ, một trong số đó là kỹthuật đa anten MIMO.
Những năm gần đây các hệthống đa anten MIMO đã trởthành các chủ đề
thu hút nhiều tổchức nghiên cứu trên toàn cầu. Hệthống MIMO rất có triển vọng
trong các hệthống thông tin di động thếhệsau bởi lẽnó không chỉcho phép đạt
được hiệu quảsửdụng phổtần cao hơn nữa mà còn có tính khảthi vềphần cứng
cũng nhưphần mềm do sựtiến bộcủa các công nghệxửlý tín hiệu sốDSP và biến
đổi tương tựsốtốc ADC độcao.
Với mục đích tìm hiểu sâu vềkỹthuật MIMO và ứng dụng thực tiễn của nó
cũng nhưxu hướng phát triển của thông tin di động, em đã chọn đềtài“Kỹthuật
đa anten trong công nghệthông tin di động 3G
+
”
Nội dung tìm hiểu của đồán gồm 3 chương sẽlần lượt trình bày các vấn đề
sau:
Chương 1:Tổng quan vềthông tin di động 3G
+
Chương 1 của đồán sẽgiới thiệu một cách khái quát vềsựphát triển của hệ
thống thông tin di động đồng thời trình bày những nét cơbản nhất của hai công
nghệHSPA
+
và LTE.
Chương 2:Tổng quan vềkỹthuật đa anten
Đồán tốt nghiệp Lời nói đầu
Bùi ThịThùy Dương-D04VT1
xi
Trong chương này, đồán sẽtrình bày một sốkỹthuật đa anten cơbản nhất
cũng nhưcác kỹthuật đa anten được sửdụng trong hệthống thông tin di động sau
3G.
Chương 3:Kỹthuật đa anten trong HSPA
+
và LTE
Chương 3 của đồán trình bàykỹthuật đa anten sửdụng trong HSPA
+
và
LTE và một sốcác vấn đềliên quan.
Do nhiều mặt còn hạn chế đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang
nhiều tính chủquan trong nhìn nhận nên nội dung của đềtài không tránh khỏi
những sai sót. Tác giảrất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn
đọc để đồán được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Tiến sỹNguyễn Phạm Anh
Dũngvà các thầy cô giáo trong bộmôn Vô tuyến đã tạo điều kiện tốt trong suốt
quá trình học tập và thực hiện đồán. Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã dành
cho tôi sựquan tâm, giúp đỡtrong thời gian vừa qua và mong muốn tiếp tục nhận
được những tình cảm quý báu đó trong cuộc sống và trong công tác.
94 trang |
Chia sẻ: oanhnt | Lượt xem: 2628 | Lượt tải: 5
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án KỸTHUẬT ĐA ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G +, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
R