Đồ án Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn để giảm thiểu nhiễu đồng kênh - CCI và nhiễu liên Cell - ICIC trong hệ thống LTE

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: “Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn để giảm thiểu nhiễu đồng kênh - CCI và nhiễu liên Cell - ICIC trong hệ thống LTE” Người hướng dẫn : CHU TUẤN LINH Sinh viên thực hiện : ĐINH VĂN KHANG Lớp : D11VT6 Khóa : 2011-2016 Hệ : ĐẠI HỌC Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn Đinh Văn Khang – D11VT6 1 LỜI CÁM ƠN Tốt nghiệp đại học có thể coi là một cột mốc quan trọng trong quá trình của mỗi con người. Để có được ngày hôm nay chúng ta phải trải qua rất nhiều thử thách đòi hỏi sự cố gắng, kiên trì và cũng không thể không kể đến sự chỉ dạy tận tình của các thầy cô và sự giúp đỡ, động viên của bạn bè và gia đình. Để hoàn thành được đồ án này, đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Chu Tuấn Linh- Viện Khoa Học Kỹ Thuật Bưu Điện đã luôn tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Mặc dù rất bận rộn nhưng thầy luôn dành thời gian định hướng, góp ý sửa chữa giúp em có được phương pháp học tập và nghiên cứu tốt nhất. Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo đã dạy dỗ, dìu dắt em trong xuất quá trình học tập vừa qua. Cuối cùng cho em cảm ơn tất cả bạn bè và gia đình đã luôn giúp đỡ và động viên em trong xuất thời gian qua và cả những lúc khó khăn nhất. Hà Nội, Ngày 10 tháng 12 năm 2015 Sinh viên thực hiện Đinh Văn Khang Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Đinh Văn Khang – D11VT6 2 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ LTE đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới; cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh lên đến hàng trăm Mb/s thậm chí đạt 1Gb/s, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP Hệ thống LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM cho đường xuống. Trong hệ thống này thì mỗi người dung được cấp phát một số sóng mang con khác nhau và các sóng mang con này trực giao với nhau với hiệu suất sử dụng phổ cao và linh hoạt trong việc phân bổ tần số cho người dụng. Tuy nhiên hiệu suất của một mạng LTE đa tế bào (multi-cells) lại bị giảm đi đáng kể do có sự xuất hiện của nhiễu đồng kênh – CCI và nhiễu liên Cell – ICIC làm ảnh hưởng đến tín hiệu của hệ thống. Để giải quyết vấn đề này thì các nhà mạng đã phải sử dụng kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau sao cho phù hợp với tình trạng tín hiệu tại mỗi khu vực. Về cơ bản người ta sẽ kết hợp hai phương án đó là việc tái sử dụng tần số tại mỗi Cell và phối hợp các Cell trong 1 mạng cho phù hợp. Ngoài việc giúp giảm tránh nhiễu cho hệ thống, các kỹ thuật này còn giúp tối ưu được tài nguyên cho các nhà mạng (tần số, công suất, ). Trong đồ án: “ Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn trong hệ thống 4G LTE” mà tôi trình bày dưới đây sẽ tổng hợp lại một kỹ thuật để tối ưu tần số, công suất tín hiệu trong một Cell di động cũng như đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật này. Nội dung đồ án gồm có 3 chương: Chương 1: Truy nhập vô tuyến trong 4G LTE đường xuống. Nội dung của chương này sẽ trình bày về kiến trúc mạng và chế độ truy nhập trong LTE. Chương 2: Các loại nhiễu trong mạng 4G LTE đường xuống. Trong chương này tôi sẽ trình bày về các loại nhiễu trong hệ thống 4G LTE bao gồm: tạp âm Gauss trắng cộng, nhiễu liên ký tự ISI, nhiễu liên kênh ICI, nhiễu đồng kênh CCI, .. Chương 3: Kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn trong 4G LTE. Chương 3 này sẽ trình bày cụ thể về kỹ thuật tái sử dụng tần số phân đoạn cũng như đánh giá hiệu quả của các phương pháp; đông thời đưa ra những đề xuất, nhận xét để sử dụng các kỹ thuật này cho phù hợp. Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Đinh Văn Khang – D11VT6 3 MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. 1 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 2 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3 DANH MỤC BẢNG, HÌNH ẢNH ................................................................................ 5 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................... 7 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LTE ....................................... 10 1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 10 1.2 Kiến trúc mạng LTE .......................................................................................... 13 1.2.1 Thiết bị người dùng ( UE) ............................................................................. 14 1.2.2 E-UTRAN NodeB (eNodeB) ........................................................................ 14 1.2.3 Thực thể quản lý tính di động (MME) .......................................................... 16 1.2.4 Cổng phục vụ ( S-GW) ................................................................................. 18 1.2.5 Cổng mạng dữ liệu gói ( P-GW) ................................................................... 20 1.2.6 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên ( PCRF) .............................. 22 1.2.7 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) ............................................................. 23 1.3 Truy nhập vô tuyến trong LTE ........................................................................... 23 1.3.1 Các chế độ truy nhập ..................................................................................... 23 1.3.2 Băng tần truyền dẫn ...................................................................................... 24 1.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDM .......................................... 24 1.3.4 Kỹ thuật MIMO trong mạng 4G LTE ........................................................... 32 1.4 Các thủ tục truy nhập ........................................................................................... 37 1.4.1 Thủ tục dò tìm ô ............................................................................................ 37 1.4.2 Truy nhập ngẫu nhiên ................................................................................... 42 1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................................ 49 CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI NHIỄU TRONG MẠNG VÔ TUYẾN 4G LTE ........... 50 2.1 Giới thiệu chương ................................................................................................ 50 2.2 Tạp âm nhiệt AWGN -Additive white Gaussian noise ........................................ 50 2.3 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interfence) ..................................................... 51 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Đinh Văn Khang – D11VT6 4 2.4 Nhiễu liên kênh ICI ( Inter Channel lnterferece ). ............................................... 52 2.5 Nhiễu đồng kênh CCI (Co-Channel Interference) ............................................... 53 2.6 Nhiễu liên Cell ICIC ( Inter – Cell Interference Coodination) .......................... 55 2.7 Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference) ............................................. 55 2.8 Kết luận chương 2 ................................................................................................ 56 CHƯƠNG 3: GIẢM NHIỄU CCI và ICI BẰNG KỸ THUẬT TÁI SỬ DỤNG TẦN SỐ PHÂN ĐOẠN .............................................................................................................. 57 3.1 Giới thiệu chương ................................................................................................ 57 3.2 Các kỹ tái sử dụng tần số cơ bản (Conventional Frequency Reuse) .................... 57 3.3 Tái sử dụng tần số phân đoạn ............................................................................... 58 3.3.1 Tái sử dụng tần số từng phần – PFR (Partial Frequency Reuse) .................. 59 3.3.2 Tái sử dụng tần số mềm – SFR (Soft Frequency Reuse). ............................. 60 3.3.3 Tái sử dụng tần số phân đoạn mềm – SFFR (Soft Fractional Frequency Reuse) .................................................................................................................................... 62 3.3.4 Tái sử dụng tần số theo bước nhảy – IFR (Incremental Frequency Reuse) .. 64 3.3.5 Tái sử dụng tần số phân đoạn tiên tiến – EFFR (Enhanced Fractional Frequency Reuse). ...................................................................................................... 67 3.4 Nhận xét đánh giá các kỹ thuật tái sử dụng tần số ............................................... 68 3.4.1 Mô hình hóa các kỹ thuật tái sử dụng tần số ................................................. 68 3.4.2 Đánh giá hiệu quả về mặt lý thuyết ............................................................... 72 3.5 Mô phỏng ............................................................................................................. 73 3.5.1 Muc̣ tiêu ........................................................................................................ 73 3.5.2 Các công thức mô phỏng ............................................................................... 74 3.5.3 Mô tả quá trình mô phỏng ............................................................................. 77 3.5.4 Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 78 3.6 Kết luận chương 3 ................................................................................................ 82 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 83 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 84 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 90 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh Đinh Văn Khang – D11VT6 5 DANH MỤC BẢNG, HÌNH ẢNH Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ 4G LTE .................................................. 10 Bảng 1.2 Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau ...................... 28 ( cụ thể là FDD&TDD) .................................................................................................. 28 Bảng 1.3 Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD ) ................................ 29 Bảng 3.1 Mô hình hóa các kỹ thuật tái sử dụng tần số .................................................. 69 Bảng 3.2 So sánh hiệu quả các kỹ thuật tái sử dụng tần số ........................................... 72 Bảng 3.3 Các tham số mô phỏng ................................................................................... 73 Hình 1.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN .............................................. 13 Hình 1.2 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính ...................... 16 Hình 1.3 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính ......................... 18 Hình 1.4 Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính ................. 19 Hình 1. 5 P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính ..................... 21 Hình 1.6 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính ......................... 22 Hình 1.7 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM ....................................... 25 Hình 1.8 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT ............................................... 25 Hình 1.9 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM ...................................................................... 26 Hình 1.10 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA ........................................ 26 Hình 1.11 Cấu trúc khung loại 1 .................................................................................... 27 Hình 1.13 Lưới tài nguyên đường xuống ....................................................................... 28 Hình 1.14 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA ......................................................... 30 Hình 1.15 Sơ đồ máy phát và thu OFDMA .................................................................... 31 Hình 1.16 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến ............................................................. 32 Hình 1.17 MIMO 2×2 , không có tiền mã hóa ............................................................... 34 Hình 1.18 truyền một chuỗi các ký hiệu dữ liệu QPSK trong hệ thống OFDM ............ 36 Hình 1.19 Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp & thứ cấp ........................................................ 38 Hình 1.20 Sự hình thành tín hiệu đồng bộ trong miền tần số ........................................ 40 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh Đinh Văn Khang – D11VT6 6 Hình 1.21 Tổng quan về thủ tục truy nhập ngẫu nhiên.................................................. 43 Hình 1.22 Minh họa cơ bản cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên ......... 44 Hình 1.23 Định thời phần mở đầu tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ........ 45 ngẫu nhiên khác nhau .................................................................................................... 45 Hình 1.24 Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số ........... 46 Hình 2.1 Mô hình kênh Gaussian trắng cộng ................................................................ 50 Hình 2.2 Mô hình nhiễu liên ký tự ISI ........................................................................... 51 Hình 2.3 Chèn thêm khoảng bảo vệ trong hệ thống OFDM .......................................... 52 Hình 2.4 Phổ tần nhiễu liên kênh ................................................................................... 52 Hình 2.5 Khoảng bảo vệ lặp .......................................................................................... 53 Hình 2.6 Một hệ thống thông tin số tế bào ( Cellular ).................................................. 53 Hình 2.7 Minh họa nhiễu liên Cell ................................................................................. 55 Hình 3.1 Các kỹ thuật giảm nhiễu .................................................................................. 57 Hình 3.2 Mô hình tái sử dụng tần số FR1(a) và FR3(b) ................................................ 58 Hình 3.3 Mô hình hệ thống Cell phân bổ theo phương pháp PFR ................................ 60 Hình 3.2 Tái sử dụng tần số mềm –SFR......................................................................... 61 Hình 3.3 Mô hình tái sử duṇg tần số phân đoaṇ mềm ................................................... 63 Hình 3.4 Vấn đề hạn chế về phổ tần của SFR ................................................................ 65 Hình 3.5 Phương pháp IFR cho 1 cụm 3 Cell trong hệ thống ....................................... 66 Hình 3.6 Tái sử dụng tần số phân đoạn tiên tiến (EFFR) ............................................. 68 Hình 3.9 Mô hình maṇg ................................................................................................. 77 Hình 3.10 Tỷ số tín hiêụ trên tap̣ âm và nhiêũ ............................................................... 78 Hình 3.11 Dung lươṇg Cell ............................................................................................ 79 Với băng tần vùng trung tâm Cell B1=15 Mhz .............................................................. 79 Hình 3.12 Sự phụ thuộc của tổng dung lượng Cell vào băng tần vùng trung tâm ........ 80 Hình 3.13 Sự phụ thuộc tham số US vào băng tần ........................................................ 80 Hình 3.14 Dung lượng Cell với B1=6, B1=8, B1=12 Mhz ........................................... 81 Hình 3.15 So sánh FFR với FR1 và FR3 với B1=8 Mhz ............................................... 81 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng, hình ảnh Đinh Văn Khang – D11VT6 7 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AWGN Additive white Gaussian noise Tạp âm nhiệt AWGN BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh CDMA Code Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo mã DCI Control Information Thông tin điều khiển đường xuống DS-CDMA Direct Sequence Code Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp. DwPTS Downlink Pilot Time Slot Khe thời gian điều khiển đường xuống EFFR Enhanced Fractional Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phân đoạn cải tiến EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu phát triển FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia tần số FFR Fractional Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phân đoạn FR Frequency Reuse Tái sử dụng tần số GUTI Globally Unique Temporary Identity Nhận dạng tạm thời duy nhất toàn cầu GW Gateway Cổng HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu lặp lại tự động hỗ hợp HSDPA High Speed Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao Đồ án tốt nghiệp Đại học Các thuật ngữ viết tắt Đinh Văn Khang – D11VT6 8 HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thường trú ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên kênh ICI Inter Channel lnterferece Nhiễu liên kênh ICIC Inter-Cell Interference Coodination Nhiễu liên Cell IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi furier nhanh nghịch đảo IFR Incremental Frequency Reuse Tái sử dụng tần số tăng dần IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP IP Internet Protocol Giao thức Internet ISI Inter symbol interfence Nhiễu liên ký tự LTE Long Term Evolution Hệ thống phát triển lâu dài MBMS Multimedia Broadcast Multicast System Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa phương tiện MIMO Multiple Input Multiple Output Kỹ thuật đa anten phát, đa anten thu ML-SFR Multi – lever soft Frequency Reuse Tái sử dụng tần số mềm đa mức công suất MME Mobility Management Entity Phần tử quản lý tính di động OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số trực giao PCC Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCFICH Physical Control Format Indicator Channel Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý PCFICH Physical Control Format Indicator Channel Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý Đồ án tốt nghiệp Đại học Các thuật ngữ viết tắt Đinh Văn Khang – D11VT6 9 PCRF Policy and Charging Resource Function Chức năng tính cước tài nguyên và chính sách PCS Personal Communication Services Dịch vụ truyền thông cá nhân PDCCH Physical Downlink Control Channel Kênh điều khiển đường xuống vật lý PFR Partial Frequency Reuse Tái sử dụng tần số một phần PMI Proxy Mobile IP IP di động ủy nhiệm PMIP Proxy Mobile IP IP di động ủy nhiệm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SFFR Soft Fractional Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phân đoạn mềm SFR Soft Frequency Reuse Tái sử dụng tần số mềm TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian UE User Equipment Thiết bị đầu cuối UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống thông tin di động toàn cầu UTS User teminal Thiết bị đầu cuối người dùng UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu VoIP Voice over IP Thoại qua IP WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Chương 1: Tìm hiểu chung về hệ thống LTE Đinh V