Xem mẫu
- HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG 1
-------***-------
Đ Ồ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
KỸ THUẬT ĐA ANTEN TRONG THÔNG TIN
DI ĐỘNG 3G+
Giáo viên hướng dẫn:TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng
Sinh viên thực hiện :Bùi Thị Thùy Dương
Lớp :D04VT1
Hà Nội, 11-2008
- HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------***-------
KHOA VIỄN THÔNG 1
-------***-------
ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên: Bùi Thị Thùy Dương
Lớp: D04VT1
Khoá: 2004 – 2008
Ngành học: Điện Tử - Viễn Thông
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:
Tổng quan về thông tin di động 3G +
Tổng quan về kỹ thuật đa anten
K ỹ thuật đa anten trong HSPA+ và LTE
Ngày giao đồ án:……/...../2008
Ngày nộp đồ án: ……/11/2008
Ngày …. tháng 11 năm 2008
Giáo viên hướng dẫn
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Điểm: ........ (bằng chữ ………………..)
Ngày..........tháng 11 năm 2007
Giáo viên hướng dẫn
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
- NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………………………… ………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
……………………………
Điểm: ........ (bằng chữ ………………..)
N gày..........tháng 11 năm 2008
Giáo viên phản biện
- Đồ án tốt nghiệp Mục lục
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 ĐỘ NG 3G+.................................................. 1
1.1. Mở đầu ........................................................................................................... 1
1.2. Sự phát triể n 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 cạ nh 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. Cấ u 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 nhiễ u 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
i
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Mục lục
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 c ơ 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 kế t hợp mề m 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 dụ ng mã hóa khố i 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
ii
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Danh mục h ình vẽ
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 a nten 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- th ời 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/giả i 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 h ỗ 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 v à B cho UE có cấu hình MIMO ........ 68
Hình 3.7.Tổ hợp PCI/CQI ........................................................................................69
iii
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Danh mục h ình vẽ
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 c ơ 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
iv
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Danh mục bảng biểu
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
v
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Third Generation Partnership
Nhóm cộng tác 3GPP
3GPP Project
A
Xác nhận
ACK Acknowledgement
Hệ thống điện thoại di động tiên
Advanced Mobile Phone System tiến
AMPS
Association of Radio Industries Hiệp hội các doanh nghiệp và
công nghiệp vô tuyến
ARIB and Businesses
Yêu cầu phát lại tự động
ARQ Automatic Repeat reQuest
Alliiance for
Liên minh cho các giải pháp công
Telecommunications Industry
n ghiệp viễn thông
ATIS Solutions
Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng
AWGN
B
Khóa d ịch pha nhị phân
BPSK Binary Phase -Shift Keying
C
Hiệp hội chuẩn truyền thông
China Communications
Trung Quốc
CCSA Standards Association
Phân tập trễ vòng
CDD Cyclic Delay Diversity
Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
CDMA
European Conference of Postal
Hội nghị Châu Âu về quản lý Bưu
and Telecommunications
chính Viễn thông
CEPT Administations
Continuous Packet Connectivity Kết nối gói liên túc
CPC
CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung
Ch ỉ thị chất lượng kênh
CQI Channel Quality Indicator
D
Dedicated Physical Control
Kênh điều khiển vật lý riêng
DPCCH Channel
Thu không liên tục
DRX Discontinuous Reception
Phát không liên tục
DTX Discontinuous Transmission
D-TxAA Dual Transmit -Diversity Adaptive Array
E
E-AGCH E-DCH Absolute Grant Channel Kênh cấp phát tuyệt đối E-DCH
vi
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng nâng cao
Enhanced Data rates for GSM
Tốc độ số liệu tăng cường để phát
Evolution and Enhanced Data
triển GPRS
EDGE rates for Global Channel
Kênh cấp phát tương đối E-DCH
E-RGCH E-DCH Relative Grant Channel
F
Ghép song công phân chia theo
tần số
FDD Frequency Division Duplex
Ghép kênh phân chia theo tần số
FDM Frequency Division Multiplex
Đa truy nhập phân chia theo tần
Frequency Division Multiple
số
FDMA Access
G
Mạng truy nhập vô tuyến GSM/
GERAN GSM EDGE RAN EDGE
Dịch vụ vô tuyến gói chuntg
GPRS General Packet Radio Services
Hệ thống thông tin di dộng toàn
Global System for Mobile
cầu
GSM communications
H
HARQ Hybrid ARQ ARQ lai ghép
Điều chế bậc cao
HOM High Order Modulation
Truy nhập gói tốc độ cao đường
High Speed Downlink Packet
xuống
HSDPA Access
Kênh vật lý điều khiển riêng tốc
HS- High Speed Dedicated Physical
độ cao
DPCCH Control Channel
Truy nhập gói tốc độ cao
HSPA High Speed Packet Access
Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ
HS- High Speed Downlink Shared
DSCH Channel cao
Kênh vật lý chia sẻ đường xuống
HS- High Speed Physical Downlink
tốc độ cao
PDSCH Shared Channel
Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ
HS- High Speed Shared Control
SCCH Channel cao
Truy nhập gói tốc độ cao đường
High Speed Uplink Packet
HSUPA Access lên
I
Interference Rejection
Kết hợp triệt nhiễu
IRC Combining
Phân hệ đa phương tiện Internet
IMS Internet Multimedia Subsystem
J
vii
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
Hệ thống truyền thông truy nhập
Japanese Total Access
hoàn toàn Nhật bản
J-TACS Communication System
L
Phát triển dài hạn
LTE Long Term Evolution
M
Điều khiển truy nhập môi trường
MAC Medium Access Control
Multimedia Broadcast/Multicast
Dịch vụ quảng bá /đa phương
MBMS Service
Đa đầu vào đa đầu ra
MIMO Multi Input Multi Output
Khả năng giống cực đại
ML Maximum Likelihood
Sai lỗi trung bình bình phương
cực tiểu
MMSE Minimum Mean Square Error
Kết hợp tỷ lệ lớn nhất
MRC Maximum Ratio Combining
MU-
MIMO đa người dùng
MIMO Multi User MIMO
N
Không xác nhận
NACK Negative Acknowledgement
O
Ghép kênh phân chia theo tần số
Orthogonal Frequency Division
trực giao
OFDM Multiplex
P
PARC Per-Antenna Rate Control
Ch ỉ thị điều khiển tiền mã hóa
PCI Precoding Control Indicator
Kênh CPICH sơ cấp
P-CPICH Primary CPICH
PDC Personal Digital Cellular
R
Mạng truy nhập vô tuyến
RAN Radio Access Network
Điều khiển liên kết vô tuyến
RLC Radio Link Control
S
Phát triển kiến trúc hệ thống
SAE System Architecture Evolution
Kết hợp lựa chọn
SC Selective Combining
Kênh CPICH thứ cấp
S-CPICH Secondary CPICH
Đa truy nhập phân chia không
Spatial Division Multiple
SDMA Access gian
Successive Interference
Kết hợp nhiễu thành công
SIC Combining
Dịch vụ nhắn tin
SMS Short Message Service
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SNR Signal to Noise Ratio
viii
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
Mã hóa khối không gian thời gian
STBC Space -Time Block Coding
Phân tập phát không gian thời
STTD Space -Time Transmit Diversity gian
SU-
MIMO đơn người dùng
MIMO Single User MIMO
Phân chia giá trị đơn
SVD Sigular Value Decomposition
T
Hệ thống truyền thông truy nhập
Total Access Communication
TACS System hoàn toàn
Ghéo song công phân chia theo
thời gian
TDD Time Division Duplex
Ghép kênh phân chia theo th ời
TDM Time Division Multiplex gian
Đa truy nhập phân chia theo thời
TDMA Time Division Multiple Access gian
Telecommunication Technology
Liên hiệp công nghệ viễn thông
TTA Association
Telecommunication Technology
Ủy ban công nghệ viễn thông
TTC Committee
Khoảng thời gian truyền dẫn
TTI Transmission Time Interval
U
Thiết bị người dùng
UE User Eqipment
Hệ thống viễn thông di dộng toàn
Universal Mobile
cầu
UMTS Telecommunications System
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
Universal Terrestrial Radio
toàn cầu
UTRAN Access Network
V
Thoại qua IP
VoIP Voice over IP
W
Đa truy nhập phân chia theo mã
Wideband Code Division
băng rộng
WCDMA Multiple Access
Mạng cục bộ không dây
WLAN Wireless Local Area Network
Z
Cưỡng bức không
ZF Zero Forcing
ix
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Trong tiến trình phát triển của xã hội loài người, sự ra đời của thông tin di
động là một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trở thành một
ngành công nghiệp viễn thông phát triển, là lĩnh vực tiên phong, điều kiện kiên
quyết cũng như cơ hội để mỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát
triển, tránh nguy cơ lạc hậu, tăng cường năng lực cạnh tranh. Cho đến nay, thông
tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động
tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Thông tin
di động thế hệ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia
theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA). Ngày nay, công nghệ thông tin di
động 3G đã được đ ưa vào thương mại hóa, nhưng nhu cầu về chất l ượng dịch vụ
cũng nh ư tốc độ dữ liệu vẫn ngày càng tăng. Do đó, sự phát triển sau 3G đang
được các tổ chức 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 về chất lượng dịch vụ và tốc độ dữ liệu, các công nghệ này đã được bổ sung
thêm nhiều đặc tính mới v à tiến bộ, một trong số đó là kỹ thuật đa anten MIMO.
Những năm gần đây các hệ thống đa anten MIMO đã trở thành các chủ đề
thu hút nhiều tổ chức nghiên cứu trên toàn cầu. Hệ thống MIMO rất có triển vọng
trong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau bởi lẽ nó không chỉ cho phép đạt
được hiệu quả sử dụng phổ tần cao h ơn n ữa mà còn có tính khả thi về phần cứng
cũng như phần mềm do sự tiến bộ của các công nghệ xử lý tín hiệu số DSP v à biến
đổi tương tự số tốc ADC độ cao.
Với mục đích tìm hiểu sâu về kỹ thuật MIMO và ứng dụng thực tiễn của nó
cũng nh ư xu hướng phát triển của thông tin di động, em đã chọn đề tài “ Kỹ thuật
đa anten trong công nghệ thông tin di động 3G+”
Nội dung tìm hiểu của đồ án gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề
sau:
Chương 1:Tổng quan về thông tin di động 3G+
Chương 1 của đồ án sẽ giới thiệu một cách khái quát về sự phát triển của hệ
thống thông tin di động đồng thời trình bày những nét c ơ bản nhất của hai công
nghệ HSPA+ và LTE.
Chương 2:Tổng quan về kỹ thuật đa anten
x
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
Trong chương này, đồ án sẽ trình bày một số kỹ thuật đa anten cơ bản nhất
cũng như các kỹ thuật đa anten được sử dụng trong hệ thống thông tin di động sau
3G.
Chương 3:Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ và LTE
Chương 3 của đồ án trình bàykỹ thuật đa anten sử dụng trong HSPA+ và
LTE và một số các vấn đề liên quan.
Do nhiều mặt còn hạn chế đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang
nhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi
những sai sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và b ạn
đọc để đồ án được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Tiến sỹ Nguyễn Phạm Anh
Dũng và các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến đã tạo điều kiện tốt trong suốt
quá trình học tập và thực hiện đồ án. Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã dành
cho tôi sự quan tâm, giúp đỡ trong thời gian vừa qua và mong muốn tiếp tục nhận
được những tình cảm quý báu đó trong cuộc sống và trong công tác.
Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008
Sinh viên
Bùi Thị Thùy Dương
xi
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Chương 1:Tổng quan về thông tin di động 3G+
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G+
1.1. Mở đầu
Bắt đầu từ những thử nghiệm đầu tiên với truyền dẫn vô tuyến của
Guglielmo Marcono trong những năm 1980, con đường cho truyền thông vô tuyến
di động đã thực sự trải dài. Để hiểu được hệ thống truyền thông di động 3G phức
tạp ngày nay, điều quan trọng là phải hiểu được điểm xuất phát cũng như hiểu đ ược
hệ thống tế bào đã phát triển thế nào từ một công nghệ đắt đỏ dành cho một số cá
nhân đặc biệt tới các hệ thống truyền thông di động toàn cầu với hơn một nửa dân
số thế giới sử dụng như ngày nay. Sự phát triển các công nghệ di động đ ã có sự
thay đổi, từ một vấn đề mang tính quốc gia hoặc khu vực trở th ành một nhiệm vụ
phức tạp do tổ chức phát triển các chuẩn quốc tế đảm nhiệm, như là 3GP P và liên
quan tới hàng nghìn con người. Các công nghệ tế bào mà 3GPP nghiên cứu được
triển khai rộng rãi trên toàn thế giới, với số lượng người sử dụng trên 2 tỷ trong
năm 2006. Bước tiến mới nhất của 3GPP là nghiên cứu phát triển 3G lên LTE và
SAE. Đi ngược lại thời gian, đồ án sẽ trình bày lịch sử phát triển của hệ thống tế
bào khi mới bắt đầu hình thành, ngoài ra đồ án sẽ trình bày tổng quan về mạng truy
nhập vô tuyến của 3G+, đó là HSPA+ và LTE.
1.2. Sự phát triển của thông tin di động
Sự phát triển của công nghệ thông tin di động tính đến nay được tóm tắt như
sau:
Công nghệ thông tin di động 1G
Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối
mạng lõi dựa trên TDM. Hệ thống truyền dẫn di động đầu tiên trên thế giới là hệ
thống NMT tương tự (Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu), được giới thiệu ở các
quốc gia Bắc Âu năm 1981 cùng thời điểm với AMPS tương tự (Hệ thống di động
tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ. Các công nghệ tế bào khác đã triển khai rộng rãi trên
thế giới là TACS và J-TACS. Chúng có chung đặc điểm là thiết bị cồng kềnh, chất
lượng thoại th ường không ổn định, “xuyên âm” giữa các người dùng là vấn đề phổ
biến.
Thông thường các công nghệ 1G được triển khai tại một số nước hoặc nhóm
các nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế và không
có ý đ ịnh sử dụng cho quốc tế.
1
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Chương 1:Tổng quan về thông tin di động 3G+
Đồ án tốt nghiệp
Công nghệ thông tin di động 2G
Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế. Thiết kế
2G nhấn mạnh đến tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụng
truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến. Tính năng cuối cùng chính là yêu cầu đối với
2G. Các thí dụ điển hình về hệ thống 2G là GSM và CDMAone (d ựa trên tiêu
chuẩn TIA IS95). Ở Châu Âu, CEPT đã đề xướng dự án GSM để phát triển một hệ
thống di động toàn Châu Âu. Các hoạt động của GSM tiếp tục được thực hiện trong
năm 1989 với ETSI. Sau khi tính toán các đề xuất dựa trên TDMA, CDMA và
FDMA giữa những năm 1980, chuẩn GSM cuối cùng đã được xây dựng trên
TDMA. Cùng lúc đó, việc phát triển chuẩn tế bào cũng được TIA thực hiện ở Mỹ
với chuẩn IS-54 d ựa trên TDMA, sau này được gọi đơn giản là US-TDMA. Tiếp
sau đó, sự phát triển chuẩn CDMA đã được TIA hoàn thành trong năm 1993 với
tên gọi là IS-95. Ở Nhật Bản, chuẩn TDMA 2G cũng được phát triển với tên gọi là
PDC.
Các chuẩn này có chiều hướng “băng hẹp”, với các dịch vụ “băng thông
thấp” như voice. Hệ thống 2G cũng mang lại c ơ hội để cung cấp các dịch vụ dữ liệu
thông qua mạng di động. Các dịch vụ dữ liệu đầu tiên đư ợc giới thiệu trong 2G là
tin nhăn văn bản SMS và dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cho phép truyền e-mail
và các ứng dụng dữ liệu khác. Tốc độ dữ liệu đỉnh vào thời gian đầu là 9,6 kbps.
Các tốc độ cao hơn được đ ưa ra sau đó bằng cách gán nhiều khe thời gian cho
người dùng và thay đổi sơ đồ mã hóa.
Truyền dữ liệu thô ng qua hệ thống tế bào trở thành sự thật trong suốt nửa sau
những năm 1990 với GPRS được đưa ra trong GSM và dữ liệu gói cũng được đưa
vào các công nghệ tế bào khác như chuẩn PDC. Những công nghệ này thường đ ược
gọi là 2,5G. Sự thành công của dịch vụ dữ liệu không dây iMode ở Nhật Bản là một
dấu hiệu về khả năng của các ứng dụng truyền gói trong hệ thống di động, mặc dù
trong thời điểm đó tốc độ dữ liệu còn rất thấp.
Công nghệ thông tin di động 3G
Sự xuất hiện của 3G và các giao diện vô tuyến băng tần cao hơn của UTRA
mang lại khả năng cho một loạt các dịch vụ mới chỉ được đề xuất ở 2G và 2,5G.
Ngày nay, việc phát triển truy nhập vô tuyến 3G được chuyển giao cho 3GPP. Tuy
nhiên thì các b ước khởi tạo cho 3G đã được thực hiện từ đầu những năm 1990,
trước khi 3GPP hình thành một thời gian khá dài.
Ở Châu Âu, 3G đ ược đặt tên là UMTS. Đầu năm 1998, ETSI đã lựa chọn
WCDMA là công nghệ cho UMTS. WCDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện
vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số và ghép song công phân chia theo
thời gian. Chuẩn WCDMA được thực hiện song song trong ETSI và ARIB cho đến
2
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Chương 1:Tổng quan về thông tin di động 3G+
Đồ án tốt nghiệp
cuối năm 1998 khi 3GPP được hình thành bởi các tổ chức phát triển chuẩn từ các
vùng khác nhau trên thế giới : ARIB (Nhật), CCSA (Trung Quốc), ETSI (Châu
Âu), ATIS (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và TTC (Nhật).
Hình 1.1 đã trình bày sự phát triển của thông tin di động và xu hướng tiến
vào 4G.
Hình 1.1. Sự phát triển công nghệ thông tin di động
Sự phát triển từ WCDMA lên HSPA và LTE diễn ra theo từng giai đoạn,
được gọi là phát hành 3GPP. Các nhà cung cấp thiết bị sản xuất ra phần cứng hỗ trợ
từng đặc điểm riêng của từng phiên bản. Tổng hợp các phát hành của 3GPP được
trình bày trong hình 1.2
Phát hành 99: (Đã hoàn chỉnh ). Đây là phiên bản đã triển khai đầu tiên của
UMTS, nâng cao tốc độ cho GSM (EDGE). Đa số những triển khai ngày nay đều
dựa vào phát hành 99. Phiên bản này hỗ trợ cho mạng truy nhập vô tuyến GSM/
EDGE/ GPRS/ WCDMA.
Phát hành 4: (Đã hoàn chỉnh) . Phát hành này h ỗ trợ tin nhắn đa phương tiện,
kết nối hiệu quả với cơ sở hạ tầng mạng lõi thông qua mạng đường trục IP.
Phát hành 5: (Đã hoàn chỉnh): Bổ sung chính vào phát hành 5 là HSDPA và
pha đầu tiên của IMS.
Phát hành 6 : (Đã hoàn chỉnh) . Phiên bản này b ổ sung HSUPA, hỗ trợ đa
phương tiện thông qua MBMS, định rõ hiệu suất cho máy thu tiên tiến, tích hợp
WLAN, và phiên bản thứ hai của IMS.
3
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Chương 1:Tổng quan về thông tin di động 3G+
Đồ án tốt nghiệp
Phát hành 7:(Chưa hoàn chỉnh). Cung cấp các chức năng dữ liêu GSM nâng
cao, đồng thời bao gồm các cải tiến cho các tính năng từ các phiên bản trước. Kết
quả làm tăng hiệu suất, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng c ường dung lượng
và chống nhiễu tốt hơn. Do đó, nó thường được gọi là 3G+ (phát triển 3G ). Ngoài
ra trong phát hành 7, HSPA+ còn hỗ trợ dịch vụ VoIP.
Bước tiến cuối cùng được nghiên cứu và phát triển trong 3GPP là cải tiến
của 3G vào mạng truy nhập vô tuyến LTE và mạng lõi truy nhập gói SAE. Đến
năm 2009-2010, LTE và SAE được hy vọng sẽ triển khai.
Hình 1.2. Các phát hành c ủa 3GPP
1.3. Tổng quan HSPA+
Bước tiến đầu tiên của công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA là đưa ra
HSDPA trong phát hành 5. Mặc dù truyền dẫn dữ liệu gói đã từng được hỗ trợ
trong phát hành đầu tiên của chuẩn WCDMA nhưng HSDPA đã mang lại những
tiến bộ xa hơn trong việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu gói trong WCDMA, cả về
mặt hệ thống lẫn hiệu năng người dùng. Việc làm tăng dữ liệu gói đường xuống của
HSDPA được hoàn chỉnh bởi những cải tiến đường lên (Enhanced Uplink) đư ợc
giới thiệu trong phát hành 6 của 3GPP/WCDMA. HSDPA và Enhanced Uplink
thường đ ược gọi là HSPA.
Yêu cầu quan trọng đối với một hệ thống tế bào cung cấp dịch vụ dữ liệu gói
là tốc độ dữ liệu cao và trễ thấp, dùy trì vùng phủ tốt và cung cấp dung lượng cao.
Để đạt được điều này, HSPA giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản trong phần II của
WCDMA như điều chế bậc cao, chế độ lập lịch nhanh (phụ thuộc kênh) và điều
khiển tốc độ, ARQ lai nhanh với kết hợp mềm. Nhìn chung, HSPA cung cấp tốc độ
dữ liệu đường xuống và đường lên xấpxỉ 14 và 5,7 Mbit/s, RTT giảm xuống đồng
thời cải thiện dung lượng so với R99. Những nhà khai thác UMTS đã nhanh chóng
triển khai các dịch vụ di động băng rộng của HSPA và tăng dung lượng dữ liệu.
4
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
- Chương 1:Tổng quan về thông tin di động 3G+
Đồ án tốt nghiệp
1.3.1. Khả năng của HSPA+
HSPA+ là tên gọi một tập những cải tiến của HSPA được đưa ra trong 3GPP
phát hành 7 .Sau đây là một số khả năng của HSPA+:
HSPA+ n hân đôi dung lượng dữ liệu so với HSPA, do đó giảm giá thành
cho các d ịch vụ dữ liệu đồng thời nâng cao mạng băng rộng di động.
HSPA+ cung cấp dung lượng thoại thông qua VoIP gấp 3 lần so với thoại
chuyển mạch kênh trong phát hành 99 với cùng chất lượng và mã hóa.
HSPA+ VoIP giúp tăng dung lượng dữ liệu trong mô hình hòa trộn VoIP
và d ữ liệu, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của dịch vụ dữ liệu.
HSPA+ tăng cường trải nghiệm cho người dùng đầu cuối với tốc độ dữ
liệu đỉnh cao, trễ thấp, thiết lập cuộc gọi nhanh, thời gian cuộc gọi dài
h ơn đáng kể ...HSPA+ hỗ trợ tốc độ đỉnh đường xuống tới 28 Mbps (42
Mbps trong phát hành 8) và đường lên 11 Mbps. HSPA+ là một cải tiến
mang tính kinh tế nhất của HSPA, cho phép các nhà khai thác UMTS sử
dụng có hiệu quả nhất cơ sở vật chất của họ cũng như là đầu tư vào
mạng, phổ tần và thiết bị. Giống HSPA, HSPA+ c ó thể tương thích với cả
công nghệ trước và sau nó.
HSPA+ là một giải pháp tối ưu với sóng mang 5 MHz và nó cung cấp
dung lượng thoại và dữ liệu xấp xỉ LTE trong cùng dải 5 MHz và cùng số
anten.
1.3.2. Đặc tính của HSPA+
Bảng 1.1 đưa ra một số đặc tính chủ yếu của HSPA+ :
Đặc tính HSPA+ Lợi ích
MIMO 2x2 đường xuống Nhân đôi tốc độ dữ liệu đỉnh
Tăng dung lượng đường xuống
Điều chế bậc cao HOM Tốc độ dữ liệu đường xuống tăng 50%
64QAM đường xuống, Nhân đôi tốc độ dữ liệu đ ường lên
16 QAM đường lên Tăng dung lượng đường lên và xuống
Kết nối gói lên tục CPC Cải thiện dung lượng VoIP
DTX/DRX-Hoạt động Tăng thời gian đàm thoại lên 50%
giảm HS-SCCH
Trạng thái hoạt động Thiết lập cuộc gọi nhanh
CELL_FACH nâng cao
Tăng dung lượng quảng bá
MBFSN
Bảng 1.1.Các đặc tính chủ yếu của HSPA+
5
Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1
nguon tai.lieu . vn