Nghiên cứu về mạng di động 4g và kỹ thuật đồng bộ trong ofdm

  • 56 trang
  • file .doc
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
HỒ SỸ BẢO
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGHIÊN CỨU VỀ MẠNG DI ĐỘNG 4G VÀ KỸ THUẬT ĐỒNG
BỘ TRONG OFDM.
HẢI PHÒNG - 2015LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo, TS.
Phạm Văn Phước, người đã trực tiếp hướng dẫn và có những lời góp ý, cùng
nhiều tài liệu quan trọng để đồ án này được hoàn thành.
i
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Điện tử viễn thông,
Đại Học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện tốt nhất cho em được học tập và
nghiên cứu trong những năm vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn các bạn học cùng lớp đã có những lời động viên
quý báu trong suốt thời gian thực hiện đồ án này.
Lời cuối, em muốn gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình em. Gia đình luôn là
nguồn động viên tinh thần và cổ vũ lớn lao, là động lực giúp em thành công
trong học tập, công việc và cuộc sống.
Hải Phòng, tháng 10 năm 2015
Sinh Viên
Hồ Sỹ Bảo
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan :
ii
1 Các nội dung trong đồ án này là do tôi trực tiếp thực hiện với sự hướng dẫn
của thầy giáo TS.Phạm Văn Phước
2 Những tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác
giả,tên công trình,thời gian ,địa điểm công bố
3 Mọi sao chép không hợp lệ ,vi phạm qui chế đào tạo ,hay gian trá,tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm
Sinh viên
Hồ Sỹ Bảo
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................viii
iii
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................1
CHƯƠNG I : SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ
NHU CẦU ĐI LÊN MẠNG 4G......................................................................................2
1.1.MẠNG DI ĐỘNG 1G...........................................................................................2
1.1.1.Công nghệ sử dụng và các tiêu chuẩn............................................................2
1.1.2.Ưu điểm và hạn chế........................................................................................2
1.2.MẠNG DI ĐỘNG 2G...........................................................................................2
1.2.1.Công nghệ sử dụng và các tiêu chuẩn............................................................3
1.2.2.Ưu điểm và hạn chế........................................................................................3
1.2.3.Mạng di động 2.5G.........................................................................................4
1.2.4.Mạng di động 2.75G.......................................................................................4
1.3.MẠNG DI ĐỘNG 3G...........................................................................................4
1.3.1.Công nghệ sử dụng và các tiêu chuẩn............................................................5
1.3.2.Ưu điểm và hạn chế........................................................................................5
1.3.3.Mạng 3.5G......................................................................................................6
1.4.MẠNG 4G VÀ NHU CẦU ĐI LÊN MẠNG 4G..................................................6
1.4.1.Mạng di động 4G............................................................................................6
1.4.2.Nhu cầu đi lên mạng 4G.................................................................................7
1.5.THỰC TRẠNG MẠNG DI ĐỘNG TẠI VIỆT NAM HIỆN NAY....................10
CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG CÔNG NGHỆ OFDM.....................12
2.1. KHÁI NIỆM VỀ OFDM....................................................................................12
2.2. ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM.........................................................20
2.2.1.Đồng bộ về ký tự..........................................................................................20
2.2.2.Đồng bộ về tần số lấy mẫu...........................................................................22
2.2.3.Đồng bộ về tần số sóng mang......................................................................22
2.2.4.Lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM..................................................24
CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM......................................................26
3.1.VÍ DỤ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG............................................................26
3.2.Code chương trình mô phỏng..............................................................................33
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................46
iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt
tắt
NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động bắc
v
âu
AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di
động tiên tiến
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia
theo thời gian
W– Wideband Code Division Multiplex Đa truy nhập phân mã
CDMA Acess băng rộng
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia
theo mã
GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di
Communications động toàn cầu
1G First Generation Thế hệ thứ nhất
2G Second Generation Thế hệ thứ hai
3G Third Generation Thế hệ thứ ba
4G Fo0075r Generation Thế hệ thứ tư
FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân mã
băng rộng
UMTS Universal Mobile Telecommunications Hệ thống viễn thông di
Systems động toàn cầu
HSPA High Speed Packet Acess Đa truy nhập gói tốc độ
cao
OFDM Orthoginal Frequency Division Ghép kênh phân chia
Multiplex theo tần số trực giao
WIMAX Worldwide Interoperability for Mạng truy cập thông tin
Microwave Acess vô tuyến liên kết hoạt
động toàn cầu
WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây
vi
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói vô tuyến
tổng hợp
EDGE Enhanced Data rates for GSM Tốc độ nâng cao dữ liệu
Evotlution GSM
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn
cầu
HSDPA High Speed Downlink Packet Access Đa truy nhập gói đường
xuống tốc độ cao
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình Tên hình Trang
1.1 Tốc độ download trên lý thuyết/thực tế của 7
vii
mạng 3G và 4G
1.2 So sánh thời gian thực tế để download để 8
download một bộ phim dung lượng 1GB
bằng mạng 3G hoặc 4G
1.3 Tốc độ Upload trên lý thuyết/thực tế của 9
mạng 3G và 4G
1.4 Độ trễ của mạng 3G và 4G 9
1.5 Tốc độ tải theo lý thuyết 10
1.6 Tốc độ 3G trung bình của việt nam so với 11
thế giới
2.1 So sánh kỹ thuật FDM và OFDM 12
2.3 Quá trình đồng bộ trong OFDM 13
2.4 Tín hiệu OFDM 17
DANH MỤC CÁC BẢNG
viii
Số bảng Tên bảng Trang
1.1
So sánh sự khác nhau
giữa 3G và 4G
1.2 “Suy hao SNR theo lỗi
đồng bộ”
ix
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát
triển nhanh nhất của viễn thông. Nhu cầu của người sử dụng ngày càng lớn và
những hạn chế của hệ thống di động 3G dẫn đến ra đời của mạng 4G.Mạng 4G
sử dụng kỹ thuật chính là OFDM nên em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu
của mình là “Nghiên cứu mạng thông tin di động 4G và kỹ thuật đồng bộ trong
công nghệ OFDM” làm đề tài. Theo đó, đề tài tiến hành nghiên cứu các nội
dung chính theo bố cục gồm bốn chương như sau:
Chương I: Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Chương II:Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM
Chương III:Kết luận
Do hạn chế về thời gian, kiến thức và tài liệu tham khảo nên đồ án có nhiều
thiếu sót, em mong muốn có sự góp ý của thầy, cô và các bạn để đồ án hoàn
thiện hơn
Để hoàn thiện đồ án này, em xin cảm ơn đến các thầy cô giáo trường Đại học
Hàng Hải Việt Nam nhất là khoa Điện – Điện tử đã ra sức giảng dạy, truyền đạt
cho em các kiến thức bổ ích trong 4,5 năm học đã qua.
Em xin cảm ơn thầy giáo T.s Phạm Văn Phước đã trực tiếp hướng dẫn em
1
CHƯƠNG I : SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
VÀ NHU CẦU ĐI LÊN MẠNG 4G
1.1.MẠNG DI ĐỘNG 1G
Mạng di động 1G là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất được phát triển
từ những năm 1970.Là chuẩn thông tin di động analog sử dụng tín hiệu tương tự
để truyền và có dạng tín hiệu giống hình sin
=>Các cuộc gọi bằng giọng nói được sử dụng ở một tần số cao hơn 150Mhz để
kết nối hai tháp vô tuyến với nhau
1.1.1.Công nghệ sử dụng và các tiêu chuẩn
- Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
- NMT : Điện thoại di động Nordic
- AMPS : Hệ thống điện thoại di động cao cấp
1.1.2.Ưu điểm và hạn chế
- Thiết bị di động cồng kềnh
- Bảo mật rất thấp vì thuật toán mã hóa kém
- Dễ bị biến dạng
- Không còn phù hợp với các tiêu chuẩn thông tin mới nhất
=> Hiện nay mạng 1G đã đi vào lãng quên
1.2.MẠNG DI ĐỘNG 2G
Mạng đi động 2G là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai được phát triển
và thay thế mạng 1G từ những năm 1991
- Sử dụng tín hiệu kỹ thuật số
- Được triển khai theo chuẩn GSM
- Sử dụng chuyển mạch theo kênh
=>Mục đích : Dịch vụ thoại và truyền tải dữ liệu tốc độ chậm tức là chỉ có nghe
gọi và nhắn tin
2
1.2.1.Công nghệ sử dụng và các tiêu chuẩn
- Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
- Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
- Chuẩn GSM (Dựa trên TDMA)
- Chuẩn IS-95 (CDMAOne) (Dựa trên kỹ thuật đa truy nhập theo mã)
- Chuẩn PDC (Dựa trên kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian)
- Chuẩn iDEN (Dựa trên kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian)
1.2.2.Ưu điểm và hạn chế
 Ưu điểm : - Sử dụng dạng tín hiệu Digital (đây là một bước tiến lớn so
với mạng 1G)
- Không bị nghe trộm thông tin vì có mã hóa kỹ thuật số cuộc
gọi
- Khả năng phát sóng và hỗ trợ với thiết bị tốt hơn
- Từ tin nhắn text SMS có thể gửi dữ liệu cho điện thoại di
động
- Máy di động nhỏ gọn hơn đối với mạng 1G
Hạn chế : - Đường cong bị phân rã góc
- Tín hiệu kỹ thuật số yếu
- Phạm vi truyền âm thanh ngắn đi
Vì những hạn chế đó cũng như công nghệ 2G chỉ có dịch vụ thoại và truyền dữ
liệu tốc độ chậm nên công nghệ này được thay thế thành các công nghệ mới
hơn.Đó là 2.5G,2.75G,3G…
1.2.3.Mạng di động 2.5G
Hệ thống 2.5G này không được khái niệm bởi nhà mạng nào cả.Điểm khác biệt
của mạng 2.5G so với 2G là sử dụng chuyển mạch gói thay cho chuyển mạch
kênh mà thôi.
3
Mạng 2.5G sử dụng hạ tầng sẵn có của mạng 2G ở mạng GSM và CDMA
 Phát triển chính của mạng 2.5G là dịch vụ gói vô tuyến tổng hợp GPRS (tính
theo Megabyte) với tốc độ 5kbit/s đến 115kbit/s,thông số theo lý thuyết là
như vậy còn thực tế chậm hơn
 Mạng 2.5G cung cấp thêm dịch vụ trình ứng dụng không dây (WAP),tin
nhắn đa phương tiện MMS và tin nhắn SMS
 Hạn chế : Hiện nay thì GPRS là chậm nhất
1.2.4.Mạng di động 2.75G
Cũng giống như mạng 2.5G thì mạng 2.75G cũng không được định nghĩa chính
thức.Thực chất mạng 2.75G sử dụng công nghệ di động EDGE được triển khai
và nâng cấp từ công nghệ GPRS.Công nghệ EDGE này được triển khai từ năm
2003
 Tốc độ truyền tới 384kbit/s nếu người sử dụng di chuyển chậm hay cố định
 Tốc độ 144kbps với người sử dụng đang di chuyển nhanh
 Tốc độ nhanh gấp 3 lần so với GPRS tức là 2.5G
 Sử dụng điều chế 8 – PSK và GMSK nhằm tăng tốc độ của dữ liệu truyền đi
 Tốc độ truy cập mạng sẽ nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ như rùa bò của
GPRS
 Hạn chế của mạng 2.75G là khi triển khai EDGE thì phải thay đổi luôn trạm
phát BTS và thiết bị di động đối với GPRS cho nên tốn kém chi phí
1.3.MẠNG DI ĐỘNG 3G
Hệ thống thông tin di động 3G ra đời là điều tất yếu thì internet trên các thiết bị
di động bước vào một kỷ nguyên mới tốc độ 28Mbit/s,hệ thống thứ 3 này mang
lại tốc truyền tải dữ liệu cực nhanh,điều này giúp các thiết bị di động tải về data
với tốc độ hợp lý,truy cập mạng mà không gặp bất cứ trở ngại nào về tốc độ
Ưu điểm của công nghệ mạng 2.75G đối với 2G và 2.5G là cho phép truyền
nhận âm thanh,hình ảnh có chất lượng cao và đáp ứng cho thuê bao cố định hay
thuê bao di chuyển với tốc độ nhanh hay chậm
4
1.3.1.Công nghệ sử dụng và các tiêu chuẩn
- UMTS (Công nghệ WCDMA)
- Chuẩn CDMA2000
- TD – SCDMA
- Wideband CDMA
 UMTS (W - CDMA) : Tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP,UMTS dựa vào
công nghệ truy cập W – CDMA
 CDMA2000 : là thế hệ tiếp theo của 2G CDMA và IS – 95,Cấp tốc độ
data từ 144kbit/s lên đến 3Mbit/s
 TD – SCDMA :Chuẩn này được triển khai tại trung quốc
 Wideband CDMA : Hỗ trợ tốc độ giữa 384kbit/s với 2Mbit/s.Trong mạng
diện rộng WAN có tốc độ 384kbit/s,mạng cục bộ LAN có tốc độ
1.8Mbit/s
1.3.2.Ưu điểm và hạn chế
 Ưu điểm :
Có nhiều tính năng nổi bật :
- Gọi điện thoại
- Dịch vụ gửi/nhận email dung lượng lớn
- Truy cập web tốc độ cao
- Gọi video
- Trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS
 Hạn chế : - Đòi hỏi chiều rộng băng tần cao
- Chi phí bản quyền tần số cao
- Tốn kém chi phí vì cần số vốn lớn
1.3.3.Mạng di động 3.5G
Mạng 3.5G là mạng truyền tải tốc độ cao HSDPA,phát triển trên nền tảng mạng
di động 3G.Hiện có 166 nhà mạng áp dụng và cung cấp cho người sử dụng.
Mạng di động 3.5G phối hợp từ hai công nghệ không dây HSPA và HSUPA với
tốc độ đến tới 7.2Mbit/s
5
1.4.MẠNG 4G VÀ NHU CẦU ĐI LÊN MẠNG 4G
1.4.1.Mạng di động 4G
Công nghệ 4G là một công nghệ di động tiên tiến cho phép xem video và nghe
được âm thanh tốc độ cao thông qua internet
 Chức năng của mạng 4G nhanh so với mạng 3G hiện tại từ 4 - 10 lần
 Yêu cầu kỹ thuật gồm cả mạng chuyển mạch gói tin dựa trên địa chỉ IP,và
một kênh với băng thông có khả năng mở rộng lên đến 40Mhz
 Công nghệ sử dụng và các chuẩn
- UMTS
- OFDM
- SDR
- TD – SCDMA
- MIMO
- WIMAX
 Ưu điểm và hạn chế
- Ưu điểm :
 Cung cấp tất cả các dịch vụ mà 3G có mặt khác còn
cung cấp dịch vụ Internet di động băng thông rộng
cho máy tính,laptop với modem USB với điện thoại
thông minh và các thiết bị di động khác nữa
 Hỗ trợ một lượng lớn người dùng tại một thời điểm
bất kỳ vì có công suất cao hơn 3G
 Công nghệ 4G có tốc độ kết nối 100Mbit/s với kết nối
đang di chuyển với tốc độ cao và 1 Gbit/s với kết nối
di chuyển tốc độ thấp
 Dung lượng mạng cao
 Bảo mật và tính cá nhân cao
- Hạn chế :
6
 Tốn chi phí sử dụng công nghệ 4G do tuổi thọ pin
kém và bộ vi xử lý của thiết bị phải được thay đổi
thường xuyên
 Kết nối chỉ giớ hạn trong thành phố lớn
 Giá cước dịch vụ sẽ đắt hơn so với 3G
1.4.2.Nhu cầu đi lên mạng 4G
Hình 1.1.Sự phát triển của công nghệ mạng di động
So sánh mạng 3G và Mạng 4G
 Hình 1.1.Tốc độ download trên lý thuyết/thực tế của mạng 3G và 4G
7
 Hình 1.2.So sánh thời gian thực tế để download để download một bộ
phim dung lượng 1GB bằng mạng 3G hoặc 4G
 Hình 1.3.Tốc độ Upload trên lý thuyết/thực tế của mạng 3G và 4G
8
 Hình 1.4.Độ trễ của mạng 3G và 4G
 Bảng 1.1.Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Mạng 3G Mạng 4G
Giao diện sử CDMA OFDMA,SC –
dụng FDMA
Tốc độ dữ liệu Đường lên : 5 Mbps Đường lên :
Đường xuống : 14 Mbps 50Mbps –
500Mbps
Đường xuống :
100Mbps – 1Gbps
Công nghệ Cả chuyển mạch kênh và chuyển Chuyển mạch gói
9
mạch gói
Băng tần 1.8 – 2.5Ghz 2 – 8 Ghz
Sửa lỗi FEC 3G sử dụng mã turbo cho việc sửa lỗi Sử dụng mã nối để
sửa lỗi trong 4G
Các ví dụ EDGE,CDMA2000,UMTS(WCDMA) 3GPP LTE –
A,IEEE 802.16m
WIMAX
 Vì vậy về lý thuyết thì mạng 4G có sự khác biệt rất lớn đối với mạng 3G,và
cũng do nhu cầu rất lớn của người sử dụng cho nên mạng 4G ra đời là một
điều tất yếu.Cũng giống như sự tiên hóa của con người vậy.
1.5.THỰC TRẠNG MẠNG DI ĐỘNG TẠI VIỆT NAM HIỆN NAY
Công nghệ viễn thông ở việt nam đang phát triển với nhu cầu sử dụng ngày
càng lớn
Hiện nay có ba nhà mạng lớn đó là MOBIFONE,VINAPHONE,VIETTEL
Theo những con số nhà mạng công bố thì số lượng trạm 3G của MOBIPHONE
là 20.000,VINAPHONE là 20.000 và VIETTEL là 40.000
Hình 1.5.Tốc độ tải theo lý thuyết
Tốc độ tải xuống tối đa là 42Mbps,tốc độ tải xuống 5Mb âm thanh là 1 giây,tốc
độ tải xuống 5Gb video là 16 phút theo lý thuyết => còn thực tế thì chậm hơn rất
nhiều
10
Hình 1.6.Tốc độ 3G trung bình của việt nam so với thế giới
11