Đang tải... (xem toàn văn)
Kĩ thuật điều chế FDMA, ứng dụng FDMA và OFDM trong mạng di động 4G Chương 1: Tông quan Chương 2: Kĩ thuật điều chế FDMA Chương 3: So sánh kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM Chương 4: Mô phỏng bằng Matlab Kĩ thuật điều chế FDMA đã được 3GPP LTE nghiên cứu và triển khai trên đường lên cho LTE thay vì OFDM trong đường xuống. Trong điều chế FDMA các kí hiệu được phát đi lần lượt thay vì phát đi song song như OFDMA.
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Các thế hệ di động và giới thiệu tổng quan các kĩ thuật điều chế Thế hệ di động 1G Thế hệ 2G Thế hệ 2,5G Thế hệ 3G Thế hệ 4G Tổng quan về SC-FDMA Tổng quan về OFDM Các tổ chức chuẩn hóa di đông 3GPP và 3GPP2 Các hệ thống di động không dây tiên tiến dựa trên FDMA Tổng quan về công nghệ LTE Kĩ thuật phân chia tần số trong hệ thống băng rộng Tóm tắt CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA Sơ lược về kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA) Đặc tính kênh, ghép kênh theo tần số của kĩ thuật điều chế FDMA Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số Kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA) Xử lí tín hiệu SC-FDMA Mapping sóng mang con So sánh các kĩ thuật mapping sóng mang con Xử lí đường lên cơ bản Cấu trúc tín hiệu tham chiếu (Pilot) Lập lịch phụ thuộc kênh truyền Đo lường hiệu suất FDMA Cấp phát sóng mang con với scheduling Kết luận về scheduling MIMO SC-FDMA Phân tập và ghép kênh không gian trong các hệ thống MIMO SC-FDMA phân tập không gian Đặc tính công suất đỉnh của tín hiệu SC-FDMA Đặc tính công suất đỉnh của tín hiệu đơn sóng mang Giảm biên độ bằng cách cắt bớt biên độ symbol (clipping) Tóm tắt CHƯƠNG 3: SO SÁNH KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA VÀ OFDM Sơ lược về kĩ thuật điều chế OFDM Phương pháp điều chế đơn sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM So sánh kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM Ứng dụng kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM Giới thiệu ứng dụng Ứng dụng mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) Giới thiệu mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) Sự khác biệt giữa 3G và 4G Truyền dữ liệu hướng xuống sử dụng kỹ thuật OFDM Nguyên tắc đa truy nhập đường xuống OFDM Truyền dữ liệu hướng xuống Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA Lý do sử dụng SC-FDMA SC-FDMA Các tham số của SC-FDMA Truyền dẫn dữ liệu hướng lên Dịch vụ mạng 4G (LTE cung cấp) và mạng 4G tại Việt Nam Kết luận chương CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG MATLAB Các thông số Mô phỏng SC/FDE Mô phỏng SC-FDMA Mô tả tỉ số công suất đỉnh trên trung bình của SC-FDMA Tóm tắt KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông. Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu. Để đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới.Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất yếu. 3GPP LTE một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đường khác nhau tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giá thành dịch vụ cũng như thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụ hiện tại và tương lai. OFDM là một sơ đồ truyền dẫn lý tưởng cho 4G với tốc độ truyền dẫn cao, là một giải pháp tốt cho dung lượng truyền dẫn và tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số đã được 3GPP LTE sử dụng truyền dẫn trên đường xuống. Tuy nhiên OFDM có nhược điểm rất lớn đó là PAPR cao, điều này dẫn tới giảm hiệu suất của bộ khuyếch đại công suất đặc biệt là trên thiết bị cầm tay, do đó chi phi máy đầu cuối cao. Kĩ thuật điều chế FDMA đã được 3GPP LTE nghiên cứu và triển khai trên đường lên cho LTE thay vì OFDM trong đường xuống. Trong điều chế FDMA các kí hiệu được phát đi lần lượt thay vì phát đi song song như OFDMA. Vì thế cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát. Do đó các tín hiệu điều chế FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảo bảo tốc độ và độ phức tạp tương đương như hệ thống OFDMA, khi PAPR thấp làm tăng hiệu suất bộ khuyếch đại công suất điều này dẫn tới tăng vùng phủ và chi phí máy đầu cuối giảm thấp. Hơn nữa điều chế FDMA có nhiều kiểu sắp xếp song mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyền dẫn khác nhau. Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là “Kĩ thuật điều chế FDMA. Ứng dụng FDMA và OFDM trong mạng di động 4G” làm chủ đề nghiên cứu. Theo đó, đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương như sau: Chương 1: Tông quan Chương 2: Kĩ thuật điều chế FDMA Chương 3: So sánh kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM Chương 4: Mô phỏng bằng Matlab Do hạn chế về thời gian, kiến thức cũng như tài liệu tham khảo nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của quý thầy, cô và các bạn để đồ án có thể hoàn thiện và phong phú hơn. Để có được đồ án này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong trường Đại học Quy nhơn nói chung, khoa Công kỹ thuật & công nghệ nói riêng những người đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong 4 năm học vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.s Lê Đức Phục, bộ môn Điện Tử - Viễn Thông, khoa kỹ thuật & công nghệ, trường Đại học Quy nhơn đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp cho em nhiều kiến thức cũng như tài liệu quý trong suốt quá trình làm đồ án. Bình Định, ngày , tháng 12, năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Huy CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT Trong chưa đầy ba thập kỉ, điện thoại di động đã biến đổi mạnh mẽ từ các mạch điện trong phòng thí nghiệm thành các sản phẩm điện tử phổ biến trên toàn thế giới. Điện thoại di động đã tích hợp một loạt các thiết bị khác như máy nhắn tin, máy ảnh, quay phim, máy nghe nhạc, chơi game, trình duyệt web… Mặc dù điện thoại cố định đã xuất hiện hơn 1 thế kỷ, tuy nhiên số lượng điện thoại di động đã vượt qua điện thoại cố định chỉ trong vòng vài năm và đang trên đà tiếp tục phát triển lớn mạnh. Với hàng trăm triệu người dùng ở những quốc gia đang phát triển, truyền thông di động đã trở thành một thành phần thiết yếu của cuộc sống. 1.1. Các thế hệ di động và giới thiệu tổng quan các kĩ thuật điều chế Thế hệ di động đầu ên (1G) Được giới thiệu vào đầu thập niên 80, đặc trưng bởi truyền thông tương tự (Analog). Tất cả các hệ thống thuộc thế hệ di động này đều sử dụng kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Thế hệ thứ hai (2G) Được triển khai vào những năm 90, truyền tín hiệu ở dạng số. Hệ thống 2G đã đạt được những tiến bộ quan trọng về bảo mật cũng như khả năng kết nối thuê bao trên toàn thế giới. Là một mạng thông tin số băng hẹp sử dụng phương pháp chuyển mạch - mạch là chủ yếu. Đa truy cập theo thời gian TDMA kết hợp tần số FDMA hoặc đa truy nhập kiểu mã CDMA kết hợp tần số FDMA. Thế hệ 2,5G Hệ thống mạng 2.5G là một sự chuyển tiếp giữa thế hệ 2G và 3G và thực sự nó là sản phẩm cải tiến trên nền của hệ thống 2G phát triển lên. Hệ thống hoạt động dựa trên hình thức chuyển mạch gói nhờ đó nó có ưu điểm là tiết kiệm không gian truyền dẫn và tăng tốc độ truyền dẫn. Nâng cấp từ 2G lên 2.5G nhanh và dễ hơn so với chuyển trực tiếp lên 3G từ 2G, nó như là một sự chuyển tiếp mềm dẻo không gây ra sự thay đổi một cách đột biến. Thế hệ thứ ba (3G) Là thế hệ di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ cho phép truyền thông đa phương tiện chất lượng cao. Các hệ thống 3G được xây dựng trên nền chuẩn CDMA hoặc là CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần theo yêu cầu do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có những tốc độ khác nhau. Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống có xu hướng tiến đến một chuẩn chung duy nhất, cung cấp dich vụ truyền với tốc độ 2Mbps. Mặc dù được tính toàn là một chuẩn chung cho toàn cầu nhưng chi phí để triển khai nó là rất lớn. Thế hệ thứ tư (4G) Cho phép truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao. Yêu cầu về tốc độ là từ 100Mbps đến 1Gbps. Có thể roaming từ mạng di động này sang mạng di động khác và từ các công nghệ không dây khác nhau. Mạng lõi hòan toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là sử dụng phương thức chuyển mạch gói. 1.1.6. Tổng quan về SC-FDMA Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access), là một kỹ thuật mới cho các hệ thống truyền thông di động trong tương lai. Sự phát triển của kĩ thuật điều chế FDMA đại diện cho sự tiến hóa nhanh chóng của các công nghệ di động. Mặc dù sự tiến bộ về kỹ thuật vẫn đang tiếp diễn và các hệ thống thương mại vẫn đều đặn thực hiện những cải tiến mới, những tiến bộ quan trọng thường đánh dấu cho sự chuyển đổi từ một thế hệ công nghệ này sang thế hệ khác. Thế hệ di động đầu tiên (1G), được giới thiệu vào đầu thập niên 80, đặc trưng bởi truyền thông tương tự. Thế hệ thứ hai (2G), được triển khai vào những năm 90, truyền tín hiệu ở dạng số. Hệ thống 2G đã đạt được những tiến bộ quan trọng về bảo mật cũng như khả năng kết nối thuê bao trên toàn thế giới. Ngay cả trước khi hệ thống thế hệ thứ hai đầu tiên được đưa ra thị trường, các nhà nghiên cứu đã quan tâm tới công nghệ thế hệ thứ ba (3G) với tốc độ cao hơn, hiệu suất phổ tốt hơn, và các dịch vụ thông tin cùng với thoại thông thường. Năm 2000, dưới tên gọi IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000),ITU(International Telecommunication Union) đã đưa ra một bộ tiêu chuẩn, gồm 5 kỹ thuật cơ bản của hệ thống truyền thông di động 3G. Năm 2008, các công ty cung cấp mạng di động đã triển khai hai trong số những kỹ thuật này,đó là W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) và CDMA2000 khi đã có những điều kiện thích hợp. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu và kinh doanh đã bắt đầu quan tâm tới kĩ thuật điều chế FDMA như là một lựa chọn hàng đầu cho "bước tiến hóa dài hạn - long term evolution" (LTE) trong truyền thông từ thiết bị di động đến trạm gốc. Có thể xem công nghệ LTE được triển khai vào khoảng năm 2010. Các thế hệ điện thoại liên tiếp đã được tích hợp để truyền trong các dải tần rộng hơn. Tín hiệu của hệ thống 1G hoạt động ở băng thông 25 và 30 KHz sử dụng nhiều kiểu điều chế tần số khác nhau. Mặc dù có nhiều hệ thống 2G hoạt động ở những băng hẹp như nhau, hai hệ thống được triển khai rộng rãi nhất là GSM và CDMA, chiếm giữ băng thông 200 KHz và 1,25 MHz. Thế hệ thứ 3 - hệ thống W-CDMA truyền tín hiệu trong dải 5 MHz. OFDM và SC-FDMA là những kỹ thuật điều chế được sử dụng cho các dải tín hiệu 20MHz trong các thế hệ di động kế tiếp. 1.1.7. Tổng quan về OFDM Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Nhờ đó OFDM là dòng chia tốc độ dữ liệu cao thành các dòng chia có tốc độ dữ liệu thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang, ta thấy rằng, trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỉ số tín hiệu trên tạp SNR của sóng mang đó. Kĩ thuật OFDM do R.W Chang phát mình năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học này đã được thực hiện khắp nơi trên toàn thế giới, người ta đã chứng minh được điều [...]... chuẩn hóa cũng đã được nêu ra và so sánh với nhau Cuối cùng là sơ lược về LTE và kỹ thuật ghép kênh theo tần số và lý do lựa chọn SC -FDMA cho truyền đường lên trong LTE chủ đề chính của đề tài này CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA 2.1 Sơ lược kĩ thuật điều chế FDMA 2.1.1 Đặc tính kênh và ghép kênh theo tần số của kĩ thuật điều chế FDMA Khi truyền đường lên trong hệ thống di động cần đạt được một số mục... chống lại fading chọn lọc tần số và để tăng hiệu suất phổ: OFDM/ OFDMA và các dạng biến đổi − của nó là kĩ thuật điều chế và đa truy cập cơ bản Kĩ thuật đa anten tiên tiến: nhiều kĩ thuật MIMO được tích hợp vào − hệ thống để tăng hiệu suất phổ và tăng độ tin cậy Lập lịch tài nguyên tần số - thời gian nhanh Làm phẳng tất cả các kiến trúc mạng IP: giảm phí tổn mạng bằng − cách loại trừ các lớp mạng Dịch... 3GPP2) và 3GPP Long Term Evolution (LTE) Điều chế FDMA, chủ đề của đề tài này, là một thành phần của LTE Bảng 1.1: So sánh các giao di n không gian của ba hệ thống trên 3G Băng thông kênh Ghép kênh đường xuống Đa truy cập đường lên Duplexing Mobile WiMAX 5; 7; 8,75 và 10 Mhz 3GPP LTE 1,4 ; 3; 5; 10; 15 và 20Mhz 3GPP2 UMB 1,25; 2,5; 5; 10 và 20 Mhz OFDM OFDM OFDM OFDMA SC -FDMA OFDMA và SC -FDMA TDD FDD và. .. gian và một bộ tách sóng sẽ phục hồi các symbol ban đầu Ngược lại, OFDM sử dụng một bộ tách sóng riêng biệt cho mỗi sóng mang con Hình 2.4: Sơ đồ khối của hệ thống SC/FDE và OFDM Hình 2.5: Bộ thu OFDM và SC/FDE 2.2 Kĩ thuật điều chế FDMA (SC -FDMA) Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC -FDMA) là các bản chỉnh sửa của các kỹ thuật OFDM và. .. localized của SC -FDMA là localized FDMA (LFDMA) và gọi mapping distributed là distributed FDMA (DFDMA) Trường hợp N = Q M cho distributed với khoảng cách đều nhau giữa các sóng mang con bị chiếm giữ là Interleaved FDMA (IFDMA) IFDMA là một trường hợp đặc biệt của SC -FDMA và nó rất hiệu quả ở chỗ bộ phát có thể điều chế tín hiệu hoàn toàn trong miền thời gian mà không cần sử dụng DFT và IDFT Hình 2.10:... số dàn trải cho IFDMA với bốn đầu cuối, và ̃ = 3 là hệ số dàn trải cho DFDMA với ba đầu cuối Với IFDMA, ta có thể thấy biên độ giữ nguyên nhờ tính chất đường bao không đổi của QPSK Với LFDMA và DFDMA, ta có thể thấy dao động nhiều hơn và đỉnh cao hơn là trọng số phức Hình 2.13: Các kỹ thuật mapping sóng mang con khác nhau Hình 2.14: Biên độ của các mẫu SC -FDMA và OFDMA có đầu vào điều chế QPSK, không... Telecommunications System) áp dụng cho toàn bộ mạng di động, chứa hàng trăm đặc điểm kỹ thuật của 3GPP và UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) là tập hợp các thành phần mạng và giao di n của chúng, sử dụng cho truyền thông giữa thiết bị đầu cuối di động và hạ tầng mạng Một dự án khác, 3GPP2, liên quan đến những bản cải tiến của hệ thống di động CDMA đầu tiên Các kỹ thuật được chuẩn hóa bởi... 2.2.1 Xử lý tín hiệu SC -FDMA Hình 2.6: Cấu trúc bộ phát và thu của hệ thống SC -FDMA/ OFDMA Hình 2.7 cho thấy một bộ phát SC -FDMA gửi đi một khối dữ liệu tới một bộ thu Đầu vào của bộ phát và đầu ra của bộ thu là các symbol điều chế phức Các hệ thống trên thực tế phải linh động thích ứng kỹ thuật điều chế với chất lượng kênh truyền, sử dụng BPSK ở những kênh truyền yếu và 64-QAM trong những kênh truyền... cuối di động Hình 2.23 biểu di n một bộ ghép cân bằng cho biến đổi này Lọc RF theo sau biến đổi lên tương đương với nắn dạng xung trong Hình 2.22 Hình 2.16: Bộ phát SC -FDMA chung Hình 2.17: Điều chế sóng mang và biến đổi lên Hình 2.18: Điều chế SC -FDMA sử dụng DFT và IDFT Hình 2.24 minh họa việc sử dụng một biến đổi Fourier rời rạc DFT và biến đổi ngược của nó IDFT để thực hiện ba hoạt động điều chế. .. ra rằng OFDMA đặt thêm gánh nặng cho thiết bị đầu cuối di động Do đó, có thể xem SC -FDMA như là một sự thay thế cho OFDMA với thời lượng pin kéo dài hơn cho các thiết bị di động đầu cuối nhờ đặc tính công suất đỉnh thấp 1.6 Tóm tắt Chương này đã giới thiệu khái quát về các thế hệ di động từ 1G đến 4G cùng với các đặc trưng kỹ thuật của nó Các tổ chức 3GPP và 3GPP2 cùng với các hệ thống di động do