Tài liệu Ước lượng kênh truyền trong mạng umts lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN LƯƠNG KHÁNH ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG UMTS LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN Phản biện 1: TS. NGUYỄN LÊ HÙNG Phản biện 2: TS. LƯƠNG HỒNG KHANH Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 02 tháng 06 năm 2013. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Sự ra đời của 4G mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dịch vụ âm thanh số. Việc phát triển công nghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dich vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụng download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode, và công nghệ mã hoá media chất lượng cao trên nền các mạng di động. Công nghệ 4G/LTE sẽ cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao (1Gbps cho truyền dẫn đường xuống và 500Mbps cho đường lên), băng thông rộng (lên đến 100MHz) và dung lượng lớn. Để đạt được các tiêu chuẩn trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, tốc độ truyền và độ tin cậy của hệ thống, các kỹ thuật tiên tiến đã được sử dụng trong hệ thống như: OFDMA, MIMO anten, … Một trong những kỹ thuật được quan tâm là ước lượng kênh truyền trong mạng UMTS LTE. Những ưu điểm của kỹ thuật này: - Nâng cao được chất lượng và độ tin cậy của hệ thống - Tối ưu hiệu suất mạng - Tối đa hóa tốc độ truyền Từ những vấn đề nêu trên cùng với tầm nhìn tổng quan về các hướng nghiên cứu mới hiện thời, người thực hiện chọn đề tài: “Ước lượng kênh truyền trong mạng UMTS LTE” 2 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:  Nghiên cứu các quy tắc và kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong mạng UMTS LTE (đường xuống của UMTS LTE)  Ứng dụng kỹ thuật ước lượng để khai thác tối đa hiệu suất mạng và nâng cao chất lượng trong mạng UMTS LTE 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu:  Nghiên cứu các mô hình kênh truyền, phương pháp ước lượng kênh trong miền thời gian và ứng dụng trong mạng UMTS LTE.  Các yếu tố ảnh hưởng và lợi ích thu được khi ứng dụng kỹ thuật ước lượng kênh truyền  Ứng dụng matlab để mô phỏng  Phạm vi nghiên cứu:  Đề tài đưa ra giải pháp ứng dụng kỹ thuật ước lượng kênh truyền để tăng tốc độ truyền dữ liệu và tính ổn định, tin cậy của hệ thống trong mạng UMTS LTE. 4. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. - Nghiên cứu quy tắc, kỹ thuật ước lượng kênh truyền trên cơ sở lý thuyết. 3 - Nghiên cứu phần mềm Matlab để xây dựng chương trình mô phỏng. 5. Bố cục đề tài CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LTE CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN CHƯƠNG 3. ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MIỀN THỜI GIAN CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN – MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LTE 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Một trong những thay đổi chính trong hệ thống LTE được so sánh với 3G-UMTS là lớp vật lý. Trong mạng thế thệ 3, WCDMA là công nghệ được thừa nhận rộng rãi nhất. 1.2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM Kỹ thuật của OFDM dựa trên cơ sở kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số FDM. Kỹ thuật OFDM khác với kỹ thuật FDM truyền thống bởi các sóng mang con, chúng trực giao với các thành phần còn lại. 4 1.3 CẤU TRÚC KHUNG Hình 1.2 Cấu trúc khung trong LTE 1.4 CÁC THÔNG SỐ OFDM ĐƯỜNG XUỐNG 1.5 TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU ĐƯỜNG XUỐNG Tín hiệu được truyền đi trong mỗi slot được mô tả bởi một lưới tài nguyên của các sóng mang NBW và Nsym ký tự OFDM. Để đạt được số lượng truy cập nhiều, độ rộng băng được phân bổ cho các UE trong chu kỳ của các khối tài nguyên. Khối tài nguyên vật lý, NRB chứa 12 sóng mang con liên tiếp trong miền tần số. Trong miền thời gian, khối tài nguyên vật lý chứa Nsym ký tự OFDM liên tiếp, xem trong hình 1.3. Nsym bằng với số lượng ký tự OFDM trong 1 khe thời gian. Hình 1.4 Lưới tài nguyên đường xuống 5 1.5.1 Điều chế 1.5.2 Cấu trúc tín hiệu tham chiếu Hình 1.5 Cấu trúc ký tự tham chiếu đối với 1 khe thời gian với 6 ký tự OFDM sử dụng 2 anten 1.5.3 Tìm kiếm cell Trong suốt quá trình tìm kiếm cell, các loại thông tin khác nhau cần phải được nhận dạng bởi UE, chẳng hạn như thời gian khung, tần số, cell ID, độ rộng băng truyền, cấu hình anten, chiều dài CP. 1.6 ĐỘ TRỄ Độ trễ của user plane nên ở mức dưới 5ms. Đối với trường hợp đường xuống thì user plane được xác định trong khoảng thời gian truyền 1 chiều giữa 1 packet đang có sẵn ở lớp IP tại NodeB và sự sẵn có của packet này tại lớp IP ở UE. NodeB cung cấp giao diện tới mạng core. 6 1.7 BỘ THU PHÁT OFDM Hình 1.6 Sơ đồ khối của bộ phát OFDM trong LTE Hình 1.7 Sơ đồ khối của bộ thu OFDM trong LTE 1.7.1 Bộ phát nhị phân Nguồn phát nhị phân tạo ra tín hiệu ngẫu nhiên. Số lượng ký tự nhị phân được tạo ra phụ thuộc vào mô hình điều chế, chẳng hạn như số lượng bit trên mỗi ký tự QAM và số lượng sóng mang con. 1.7.2 Bộ điều chế Trong quá trình điều chế cần thiết phải chuẩn hóa các ký tự truyền đi để hiệu chỉnh tỷ số SNR 7 1.7.3 Bộ biến đổi FF đảo Hình 1.9 Sự tạo ra các ký tự OFDM sử dụng bộ biển đổi IFFT N-điểm 1.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG Các đặc tính quan trọng của lớp vật lý trong LTE đường xuống đã được trình bày như trên. Ước lượng kênh truyền có thể đạt được riêng rẽ đối với từng anten vì các ký tự tham chiếu trực giao với nhau trong không gian. OFDMA được sử dụng như là mô hình đa truy cập trong đường xuống, trong đó mỗi người dùng được cấp một hoặc vài khối tài nguyên và lập lịch được thực hiện đối với mỗi khung con. Để phân tích các phương pháp ước lượng khác nhau thì phải sử dụng mô hình kênh tích hợp. 8 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Nội dung chương này đề cập đến các loại mô hình kênh truyền, cũng như các yếu tố ảnh hưởng trong mô hình kênh, qua đó hiểu rõ tính năng, ưu, nhược điểm của mỗi loại mô hình kênh, là cơ sở để đánh giá và lựa chọn loại mô hình sẽ được sử dụng trong mô phỏng trong chương tiếp theo. 2.2 TRUYỀN DẪN ĐA ĐƯỜNG Hình 2.1. Môi trường vô tuyến đa đường 2.3 TRỄ LAN TRUYỀN 2.4 KÊNH BIẾN ĐỔI THEO THỜI GIAN 2.4.1 Hiệu ứng Doppler Khi một UE di chuyển với vận tốc vUE đến nodeB, nó gây ra hiện tượng Doppler fd, được cho bởi công thức (2.11) đối với đường dẫn đơn: 9 (2.11) 2.4.2 Vị trí của các ký tự tham chiếu trong miền thời gian Các ký tự tham chiếu được thay thế tại mỗi ký tự OFDM thứ 4, nhưng không phải luôn luôn được tìm thấy tại cùng sóng mang con. Tuy nhiên kênh truyền có thể được ước lượng sau mỗi ký tự OFDM thứ 3 và do đó khoảng cách giữa các ký tự tham chiếu trong miền thời gian được xác định: TR = 3Ts = 0.250ms (2.18) 2.5 TƯƠNG QUAN THỜI GIAN – TẦN SỐ (2.21) Công thức (2.21) là quá trình tự tương quan của đáp ứng tần số kênh biến đổi theo thời gian. 2.6 CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN CHUẨN Một số mô mình được sử dụng để mô phỏng sự truyền sóng vô tuyến, mỗi mô hình thích hợp với 1 loại môi trường. Mô hình kênh truyền được sử dụng trong đề tài này được dựa trên cơ sở khuyến nghị của 3GPP. Mô hình kênh truyền đô thị tiêu biểu 3GPP được thiết kế để mô phỏng trễ lan truyền cao trong môi trường đô thị sử dụng băng thông lên đến 5MHz. 2.7 KÊNH FADING RAYLEIGH Khi tín hiệu được truyền trong một môi trường có chướng ngại vật (truyền dẫn NLOS), có nhiều đường truyền sẽ xuất hiện gây ra 10 bởi sự phản xạ. Đầu thu sau đó sẽ xử lý tín hiệu bị chồng lấn bởi nhiều đường truyền chính. 2.8 SỰ THỰC THI MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN Mô hình kênh truyền được thực hiện với bộ thu OFDM như mô tả trong hình 2.2. Hình 2.2: Sơ đồ khối của sự thực thi mô hình kênh truyền Rayleigh với bộ phát và bộ thu 2.8.1 AWGN 2.8.2 Chiều dài đáp ứng xung Đáp ứng xung được tạo ra bởi mô hình Rayleigh dựa trên cơ sở 6 đường truyền tại các thời điểm trễ khác nhau, phụ thuộc vào 1 cách chọn kênh. Độ phân giải của trễ là 16.3.84 MHz =0.0163μs. Đối với tốc độ lấy mẫu Tc , đáp ứng xung được giả thiết đã lọc thông 1 thấp với tần số cắt fcut= phụ thuộc vào tiêu chuẩn lấy mẫu 2Tc Nyquist. 2.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG Để mô phỏng gần với thực tế nhất có thể, điều quan trọng là có được mô hình kênh truyền tốt. Các mô hình kênh truyền di động bất 11 biến theo thời gian và biến đổi theo thời gian đã được nghiên cứu. Và mô hình được chọn là Rayleigh fading, tạo ra các thông số kênh truyền dựa trên tiêu chuẩn 3GPP. Sự lựa chọn của chiều dài đáp ứng xung và thích nghi đáp ứng ứng xung với tần số lấy mẫu Tc được mô tả để thực hiện mô phỏng các phương pháp ước lượng LTE đường xuống. CHƯƠNG 3 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MIỀN THỜI GIAN 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương này trình bày các phương pháp ước lượng kênh truyền được sử dụng trong miền thời gian, bao gồm ước lượng kênh bất biến trong miền thời gian và ước lượng kênh thay đổi trong miền thời gian. 3.2 ƯỚC LƯỢNG KÊNH BẤT BIẾN TRONG MIỀN THỜI GIAN 3.2.1 Mô hình tín hiệu OFDM Mô hình tín hiệu cho truyền dẫn OFDM có thể được biểu diễn như sau: (3.1) 3.2.2 Ước lượng sai số bình phương tối thiểu (LSE) Phương pháp ước lượng đầu tiên là ước lượng bình phương tối thiểu trong miền tần số đối với đáp ứng xung kênh truyền: 12 (3.6) 3.2.3 Ước lượng sai số bình phương trung bình tối thiểu tuyến tính (LMMSE) Ước lượng LMMSE tính toán đáp ứng xung kênh truyền (CIR) ̅ , tối thiểu hóa sai số bình phương trung bình E{ ̅ - h’}, được cho bởi yr và Xr : (3.7) 3.2.4 Giảm tỷ lệ lấy mẫu 3.2.5 Giảm cấp LMMSE 3.3 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN BIẾN ĐỔI TRONG MIỀN THỜI GIAN 3.3.1 Khai triển Slepian cơ bản Hình 3.3: Mô tả quá trình ước lượng 13 3.3.2 Các chuỗi Slepian ứng dụng trong LTE đường xuống 3.3.3 Nội suy Wiener Ước lượng tối ưu đạt được bằng cách sử dụng nội suy Wiener 2 chiều. Vì các bộ lọc Wiener 2D có độ phức tạp tính toán lớn, xếp chồng 2 bộ nội suy Wiener 1 chiều là 1 cách làm hợp lý về cả hiệu năng và độ phức tạp. 3.3.4 Ước lượng dựa trên cơ sở biến đổi Fourier rời rạc – DFT Vì năng lượng của kênh tập trung trong miền thời gian, vì vậy phương pháp DFT được sử dụng để triệt nhiễu trong miền thời gian để có hiệu suất tốt ở mức SNR thấp. Ưu điểm của phương pháp này là có độ phức tạp thấp hơn LSE vì độ phức tạp của bộ biến đổi DFT N-điểm là O(NlogN). Nếu số lượng các sóng mang con pilot lớn hơn số lượng tap của kênh và tất cả các sóng mang con pilot đều cùng độ dài, thì hiệu suất của phương pháp ước lượng DFT sẽ tốt hơn ước lượng LSE. Hình 3.5 Ước lượng trên cơ sở biến đổi DFT 14 3.3.5 Ước lượng dựa trên cơ sở biến đổi Cosine rời rạc – DCT Khi trễ đa đường không phải là bội số nguyên thì phương pháp ước lượng kênh DFT không còn phù hợp do suy hao tần số gây ra bởi alias. Tín hiệu thời gian thực có các thành phần tần số cao nhỏ hơn nhưng DFT tiếp cận các kết quả trong thành phần tần số cao. Thành phần tần số cao này có thể được giảm bởi biến đổi cosine rời rạc DCT, được sử dụng rộng rãi để xử lý âm thanh, hình ảnh bởi vì DCT sử dụng phần mở rộng đối xứng của chuỗi dữ liệu N-điểm đến chuỗi dữ liệu 2N-điểm loại bỏ thành phần biên không liên tục. 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong phần này, các phương pháp ước lượng kênh biến đổi theo thời gian cho LTE đường xuống đã được trình bày. Kênh truyền được ước lượng sử dụng các chuỗi Slepian trong chiều thời gian, trong khi sử dụng LMMSE CIR, giảm tỷ lệ lấy mẫu CIR, giảm cấp LMMSE, nội suy tuyến tính, các chuỗi Slepian như là các phương pháp ước lượng trong miền tần số. Sử dụng các chuỗi Slepian trong miền thời gian tương ứng với giảm cấp nội suy Wiener với phổ Doppler phẳng. Hơn nữa các chuỗi Slepian mang lại độ phức tạp thấp để ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian trong miền thời gian. Để đánh giá hiệu suất của các phương pháp được giới thiệu, ta so sánh phép nội suy Wiener 2x1D với các hàm tự tương quan phù hợp với kênh. Kết hợp ước lượng kênh phức tạp tấp đạt được trong miền thời gian đã được giới thiệu bởi các chuỗi Slepian với các bộ ước lượng khác trong miền tần số, ta đạt được giải pháp thay thế ít phức tạp cho phép nội suy Wiener 2x1D. 15 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN - MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Kết quả tương ứng với mỗi thuật toán và thông số đánh giá là BER và MSE, luận văn sẽ tiến hành phân tích kết quả và đánh giá hiệu quả thuật toán đối với hệ thống LTE. Các thuật toán ước lượng kênh truyền LS, LMMSE, DFT, DCT sẽ được sử dụng trong mô phỏng. Sau khi đánh giá hiệu suất ước lượng thông qua các thông số BER/SNR và MSE/SNR của các thuật toán sẽ là phần tổng hợp kết quả mô phỏng và đề xuất phương pháp ước lượng hiệu quả nhất. 4.2 TIẾN TRÌNH MÔ PHỎNG 4.3 ĐÁNH GIÁ 4.3.1 Đánh giá hiệu suất ước lượng thông qua chiều dài CP và chiều dài kênh a. Trường hợp L ≤ LCP LS and LMMSE performance 0 10 LS-6 LMMSE-6 -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 0 5 10 15 SNR(dB) 20 25 Hình 4.1. BER/SNR với L=6 30 16 LS and LMMSE performance 0 10 LS-6 LMMSE-6 -1 MSE 10 -2 10 -3 10 -4 10 0 5 10 15 20 SNR(dB) 25 30 35 Hình 4.2. MSE/SNR với L=6 Chiều dài CP lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, tức là ISI và ICI hoàn toàn bị triệt tiêu, do đó việc ước lượng kênh truyền sẽ được thực hiện tốt hơn. b. Trường hợp L > LCP LS and LMMSE performance 0 10 LS-45 LMMSE-45 -1 BER 10 -2 10 -3 10 0 5 10 15 20 SNR(dB) 25 30 Hình 4.3(a). BER/SNR với L=45 35 17 LS and LMMSE performance 0 10 BER LS-60 LMMSE-60 -1 10 -2 10 0 5 10 15 20 SNR(dB) 25 30 35 Hình 4.3(b). BER/SNR với L=60 Chiều dài CP ngắn hơn khoảng thời gian trễ tối đa của kênh truyền nên ISI và ICI sẽ xuất hiện làm giảm hiệu suất ước lượng kênh. LS and LMMSE performance 0 10 LS-45 LMMSE-45 -1 MSE 10 -2 10 -3 10 0 5 10 15 20 SNR(dB) 25 30 Hình 4.4(a). MSE/SNR với L=45 35 18 LS and LMMSE performance 0 10 LS-60 LMMSE-60 -1 MSE 10 -2 10 -3 10 0 5 10 15 20 SNR(dB) 25 30 35 Hình 4.4(b) MSE/SNR với L=60 4.3.2 Đánh giá hiệu suất ước lượng thông qua việc thay đổi kích thước FFT BER vs SNR dB for FFTsize=128 0 10 LS LMMSE DFT DCT -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 0 5 10 15 SNR(dB) 20 25 30 Hình 4.5 BER vs SNR với kích thước FFT = 128 sử dụng thuật toán LS, LMMSE, DFT và DCT sử dụng điều chế 16QAM