NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MÔ HÌNH OFDMA ÁP DỤNG CHO 4G

Đề tài : NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MÔ HÌNH OFDMA ÁP DỤNG CHO 4G luận văn được trình bày thành 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về OFDM, OFDMA. Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM), đa thâm nhập phân chia theo tần số trực giao(OFDMA). Chương 2 : Mạng thông tin di động thế hệ 4 (4G), xu hướng phát triển và lộ trình tiến đến 4G. Chương này sẽ trình bày tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 4 (4G), những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G và lộ trình phát triển đến 4G . Chương 3: Một số mô hình OFDMA khả dụng cho 4G . Trong chương này sẽ trình bày một số mô hình OFDMA, mô hình lớp vật lý cho cả đường xuống và đường lên sử dụng trong WiMAX và LTE. Chương 4: Đánh giá, so sánh một số mô hình OFDMA khả dụng cho 4G, hiệu năng WiMAX và LTE.

MỤC LỤC Trang

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I IV V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I IV V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I IV V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I IV V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI IV VI 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII IV VI Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII IV VI 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI IV VI 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII VI 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV VI Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV VI 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII VI

VI Chương I : TỔNG QUAN VỀ OFDM, OFDMA VIII

1.3.1 Mô hình băng gốc của một hệ thống phát thu OFDM XI 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII 2.1.1 Sự cần thiết ra đời hệ thống thế hệ 4 XXII 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV

- II

Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN VÀ 5 TỪ KHÓA

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

4G Fourth Generation Mobile

Communication System Hệ thống thông tin di động thế hệ bốn3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề án của các đối tác thế hệ ba

3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Đề án thứ 2 của các đối tác thế hệ baAAS Adaptive Atenna System Hệ thống anten thích ứng

ACE Active Constellation Extension Mở rộng chùm tín hiệu tích cực

ACI Adjacent Channel Interference Nhiễu kênh lân cận

AMC Adaptive Modulation and Codding Điều chế và mã hóa thích ứng

ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lặp tự động

ASP Application Service Network Mạng dịch vụ ứng dụng

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BCH Broardcast Channel Kênh quảng bá

BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi

BPSK Binary Phase Shift Keying Modulation Điều chế khóa dịch pha hai trạng tháiCCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

DL-SCH Down Link Shared Channel Kênh đường xuống được chia sẻ

DSL Digital Subcriber Line Đường thuê bao số

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DFTS-OFDM

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh

FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần sốFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FUSC Fully Used Sub-Channel Kênh con sử dụng toàn bộ

GSM Global System for Mobile

communications

Hệ thống mạng thông tin di động toàn cầu

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động lai ghép

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược

- III

-IE Information Element Phần tử thông tin

IETF Internet Engineering Task Force Lực lượng đặc trách kỹ thuật InternetIFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

LTE Long Term Evolved Phát triển dài hạn

LOS Line of Sight Trực xạ (Tầm nhìn thẳng)

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MBS Multicast Broadcast Service Dịch vụ đa phương và quảng bá

MBSFN Multicast Broadcast over Single

Frequency Network

Đa phương quảng bá trên mạng đơn tần

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MMSE Minimum Mean Squared Error Sai số trung bình quân phương cực tiểuNACK Not Acknowledge Không công nhận nhận

NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy nhập mạng

NLOS Non Line of Sight Không trực xạ (Tầm nhìn không thẳng)OFDM Orthogonal Frequency Division

PTS Partial Transmit Sequence Chuỗi phát phân đoạn

PUSC Partially Used Sub-Channel Kênh con sử dụng một phần

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

QPP Quadrature Permutation Polynomial Sự thay đổi đa thức vuông góc

RTG Receiver/Transmit Transition Gap Khoảng trống để chuyển thu sang phátSAE System Architecture Elvoved Phát triển kiến trúc hệ thống

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gianSFN Single Frequency Network Mạng tần số đơn

SIM Subscriber Indentify Module Phần nhận dạng thuê bao

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

S-OFDMA

Scalable Orthogonal Frequency

Division Multiplex Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao khả định cỡ

SSRTG SS Receive /Transmit Transit Gap Khoảng thời gian chuyển đổi

SSTRG SS Transmit/Receive Transit Gap Khoảng thời gian chuyển đổi phát sang

thu của SSSTC Space Time Coding Mã hóa thời gian không gian

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời gianTTG Transmit/receive Transition Gap Khoảng trống chuyển phát sang thuTTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

- IV

-UMB Ultra Mobile Broadband Thông tin di động siêu băng rộng

UMTS Universal Mobile Telephone System Hệ thống viễn thông di động toàn cầuUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

WiMAX Worldwide Interoperability for

B C Băng thông nhất quán

B d Độ rộng băng tần của số liệu hay thông tin

N Số sóng mang con trong hệ thống OFDM

N B Số băng con trong hệ thống OFDM

N 0 Mật độ phổ công suất AWGN (W/Hz)

T b Thời gian bit

T C Thời gian nhất quán

T FFT Thời gian truyền dẫn hiệu dụng trong một ký hiệu OFDM - thời gian

FFT

T GD Khoảng bảo vệ trong một ký hiệu OFDM

T Chu kỳ ký hiệu

T win Thời gian cửa sổ trong một ký hiệu OFDM

τmax Trải trễ cực đại

∆f Băng thông sóng mang con của hệ thống OFDM

η(t) Tạp âm Gauss trắng cộng

- V

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I V I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I V I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I V I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I V I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI V I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII V I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII V I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI V I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I V I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I V I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I V I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I V I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I IV V I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I IV V I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I IV V I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I IV V I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI IV VI I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII IV VI I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII IV VI I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI IV VI I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII VI I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV VI I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV VI I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII VI I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV II

- VI

3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII II 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I VII 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I VII Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I VII 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I VII 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I IV VII 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I IV VII Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I IV VII 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I IV VII 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI IV VII 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII IV VII Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII IV VII 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI IV VII 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII VII 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV VII Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV VII 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII VII

VIII Chương I : TỔNG QUAN VỀ OFDM, OFDMA X

1.3.1 Mô hình băng gốc của một hệ thống phát thu OFDM XIII 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXIV 2.1.1 Sự cần thiết ra đời hệ thống thế hệ 4 XXIV 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXVI Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXVI 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLIX

68

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

- VII

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I V I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I V I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I V I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I V I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI V I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII V I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII V I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI V I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I V I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I V I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I V I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I V I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I IV V I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I IV V I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I IV V I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I IV V I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI IV VI I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII IV VI I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII IV VI I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI IV VI I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII VI I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV VI I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV VI I 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII VI I 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII I 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV I Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV II 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII II 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I V I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I V I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I V I V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I V I V

- VIII

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI V I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII V I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII V I V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI V I V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I V I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I V I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I V I V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I V I V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I IV V I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I IV V I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I IV V I V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I IV V I V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI IV VI I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII IV VI I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII IV VI I V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI IV VI I V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII VI I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV VI I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV VI I V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII VI I V 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII I V 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV I V Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV II V 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII II VI 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I VII VI 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I VII VI Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I VII VI 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I VII VI 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI I IV VII VI 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII I IV VII VI Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII I IV VII VI 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI I IV VII VI

- IX

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXI IV VII VI 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIII IV VII VI Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIII IV VII VI 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVI IV VII VI 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXII VII VI 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXIV VII VI Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXIV VII VI 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLVII VII VI 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXIV VI 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXVI VI Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXVI VI 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE XLIX VI

X Chương I : TỔNG QUAN VỀ OFDM, OFDMA XII

1.3.1 Mô hình băng gốc của một hệ thống phát thu OFDM XV 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G XXVI 2.1.1 Sự cần thiết ra đời hệ thống thế hệ 4 XXVI 3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX XXXVIII Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên XXXVIII 3.2 MÔ HÌNH OFDMA TRONG LTE LI

- X

- XI

-Hình 1.1: MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay khoa học và công nghệ phát triển như vũ bão, cùng với

nó hàng loạt công nghệ mới được ra đời để đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu về đaphương tiện và phù hợp với “ tính di động ” ngày càng cao của xã hội hiện đại

Hiện nay có rất nhiều công nghệ vô tuyến mới và tiềm năng đang được nghiêncứu để đưa vào ứng dụng trong các mạng 4G tương lai như: OFDMA, công nghệ băngcực rộng UWB (Ultra-Wide-Band) và MIMO…

Những năm gần đây, phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex) không ngừng được nghiên cứu và

mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khảnăng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp

Cùng với sự tiến bộ của công nghệ tích hợp điện tử, OFDM đã được ứng dụngrộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới và OFDMA là ứng cử viên

có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G

Theo nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành cácdòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, trong một

số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cáchlàm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín trên tạp âm (SNR)của sóng mang đó

Đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) được xây dựng trên cơ sở nguyên lý ghép kênh phân chia

theo tần số trực giao OFDM OFDM cung cấp liên kết và chất lượng băng thôngtốt OFDM thường được kết hợp với TDMA ,CDMA và điều biến OFDMA sẽ làthành phần chủ chốt của 4G [11]

Trong khi các công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) vẫn đang tìm kiếm các thịtrường để đưa vào ứng dụng rộng rãi thì các nhà nghiên cứu đã bắt tay vào việc nghiêncứu công nghệ di động băng rộng thế hệ thứ tư (4G) 4G có khả năng truyền tải các dữliệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao Với 4G, các nhà thiết kế kỳ vọng sẽ cóthể cho phép các thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua các công nghệkhông dây khác nhau

Hệ thống vô tuyến băng rộng 4G trong tương lai sẽ mở ra một phương thứctruyền thông mới hoàn toàn dựa trên IP, đem lại nhiều tiện ích cho người sử dụng Cáchãng viễn thông hàng đầu trên thế giới đang cùng nhau nghiên cứu để đưa một tiêuchuẩn toàn cầu cho hệ thống 4G Chuẩn 4G đã được thử nghiệm vào năm 2007 HãngDoCoMo cho biết họ sẽ đưa vào khai thác thương mại công nghệ này trong năm 2009

- XII

Tuy nhiên, để có thể trở thành những hệ thống thương mại, còn có rất nhiều vấn

đề cần nghiên cứu và thử nghiệm Tại Việt nam, các nhà khai thác mạng di động đanggấp rút các mạng thông tin di động 2G, 2,5G lên mạng 3G (đã được chuẩn hóa trongIMT-2000) Mạng 3G đã phát triển một cách nhanh chóng và đóng một vai trò quantrọng trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện

Chính vì lý do này, thế hệ thông tin di động mới, thế hệ 4G, cần phải có nhữngtính năng vượt trội hơn so với khả năng của IMT-2000 Nghiên cứu, nắm bắt và pháttriển hệ thống thông tin di động 4G là một yêu cầu cần thiết hiện nay, phù hợp với xuthế phát triển chung của ngành viễn thông Trong lộ trình tiến đến 4G có một số môhình khả dụng như một số mô hình của LTE, WiMAX, UMB… Nhưng trong luận vănnày do thời gian hạn chế, cũng như UMB vẫn là một thị trường nhỏ hơn và có nhiềubất lợi về quy mô thị trường, đến thời điểm này không còn nhà khai thác số một nào làkhách hàng tiềm năng của UMB ngoài KDDI của Nhật Do đó luận văn này tập chungnghiên cứu mô hình khả dụng của LTE, WiMAX và chỉ trình bày sơ lược về UMB.Việc “Nghiên cứu một số mô hình OFDMA áp dụng cho 4G” là rất cần thiết, nhằmđón đầu các xu hướng công nghệ của thế giới

Để đạt được mục tiêu trên, luận văn được trình bày thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về OFDM, OFDMA.

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM), đa thâm nhập phân chia theo tần số trực giao(OFDMA)

Chương 2 : Mạng thông tin di động thế hệ 4 (4G), xu hướng phát triển và lộ trình

tiến đến 4G

Chương này sẽ trình bày tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ 4 (4G),những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G và lộ trình phát triển đến 4G

Chương 3: Một số mô hình OFDMA khả dụng cho 4G

Trong chương này sẽ trình bày một số mô hình OFDMA, mô hình lớp vật lýcho cả đường xuống và đường lên sử dụng trong WiMAX và LTE

Chương 4: Đánh giá, so sánh một số mô hình OFDMA khả dụng cho 4G, hiệu

năng WiMAX và LTE

Trên cơ sở phân tích đánh giá công nghệ đã đã trình bày ở chương 1, chương 2,

chương 3 và dựa trên các kết quả mô phỏng khả dụng cho 4G, chúng ta thực hiệnđánh giá, so sánh các mô hình OFDMA áp dụng cho 4G cũng như hiệu năng củaWiMAX và LTE

Chương I : TỔNG QUAN VỀ OFDM, OFDMA

1.1 GIỚI THIỆU

- XIII

-Trong chương này trước hết ta sẽ xét: Khái niệm về OFDM, OFDMA, tổng quanphương pháp điều chế OFDM, mô hình ước tính kênh OFDM và tín hiệu tham khảo,công thức tính toán dung lượng kênh cho các hệ thống OFDM Sau đó xét một số các

giải pháp xử lý tín hiệu số nhằm tăng hiệu quả của OFDM Để điều chế và giải điều

chế hiệu quả, cần phải xét thêm việc thực hiện một số giải pháp xử lý tín hiệu số trước

và sau điều chế như: Đồng bộ tần số, ước tính kênh, bù trừ tạp âm pha, bù trừ cânbằng I/Q, giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Xem thêm ởphần phụ lục)

1.2 KHÁI NIỆM OFDM, OFDMA

OFDM là một kỹ thuật được phát triển từ hai kỹ thuật quan trọng là ghép kênh

phân chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) và truyền thông đa

sóng mang OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức FDM đa sóng mang

theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn vàphát đồng thời trên một số các sóng mang được phân bổ một cách trực giao (Trực giao

có nghĩa là các tần số mang được chọn sao cho đỉnh của một tần số này trùng hợp vớiđiểm có giá trị bằng “0” của tần số cận kề ) Điều này cho phép các sóng mang conchồng lấn lên nhau và tiết kiệm băng tần Do đó, OFDM đạt được cả tốc độ dữ liệucao và hiệu suất trải phổ cao

Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian cho

một ký hiệu (symbol) tăng lên Do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do

truyền dẫn đa đường giảm xuống

OFDM cũng là công nghệ đa truy nhập vì một sóng mang con riêng hoặc mộtnhóm sóng mang con được chỉ định cho các user khác nhau Nhiều user chia sẻ dùngmột băng tần, nên hệ thống thông tin này được gọi là OFDMA Mỗi user có thể đượcdùng một số sóng mang con đã định trước hoặc một user có thể dùng một số sóng conthay đổi tùy theo lượng thông tin cần truyền Sự chỉ định này được điều khiển bằngMAC (Media Access Control) nhờ lớp điều khiển đa truy nhập MAC (Multi-accesscontrol) mà nhiều người sử dụng (user) được phân chia đường truyền

Như chúng ta đã biết OFDM có thể hỗ trợ việc truyền một người dùng hoặc truynhập nhiều người dùng Khi OFDM kết hợp với FDMA thì tạo ra OFDMA (đa truynhập phân chia theo tần số trực giao)

OFDMA được xây dựng trên cơ sở nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số

trực giao OFDM OFDMA là kỹ thuật trải phổ dựa trên sự điều biến trải rộng đa sóngmang OFDMA chia các phổ thành nhóm các sóng mang con gọi là các kênh con Cácsóng mang con OFDMA được trải phổ ngẫu nhiên trên toàn bộ phổ của dải tần được

- XIV

-phân bổ OFDMA bao gồm phối hợp cả FDMA và TDMA OFDMA chia tài nguyênbăng thông giữa các người sử dụng bằng việc đăng ký bởi nhiều kênh sóng mang con

và nhiều khe thời gian cho mỗi người sử dụng

OFDMA cho phép nhiều người dùng truy nhập các sóng mang con cùng một lúc

Ở mỗi đơn vị thời gian, tất cả các người dùng có thể truy nhập Việc ấn định các sóngmang con cho một người dùng có thể thay đổi ở mỗi đơn vị thời gian

OFDMA cho phép một số các sóng mang con được gán cho các người dùng khácnhau Ví dụ, sóng mang con 1, 3 và 7 có thể được gán cho người dùng thứ nhất vàsóng mang con 2, 5 và 9 cho người dùng thứ hai Các nhóm sóng mang con này đượcxem như các kênh con

Kênh con hóa định nghĩa các kênh con mà có thể cấp phát cho các thuê bao khácnhau tùy thuộc vào điều kiện kênh truyền và các yêu cầu dữ liệu khác Điều này manglại cho các nhà khai thác tính mềm dẻo cao hơn trong quản lý băng tần và công suấtphát đồng thời sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn

Ví dụ trong cùng một khe thời gian mà công suất phát lớn hơn có thể được cấpphát cho người dùng khi điều kiện kênh truyền kém thuận lợi hơn, trong khi công suấtthấp hơn cho các người dùng trong các vị trí tốt hơn Cải thiện độ bao phủ trong cáctòa nhà có thể đạt được bằng cách cấp phát công suất cao hơn cho các kênh con được

ấn định cho các thiết bị người dùng bên trong

Kênh con hóa trong đường lên mang lại sự cải thiện hiệu năng, khi công suấtphát từ thiết bị người dùng có nhiều hạn chế OFDMA hỗ trợ đa truy nhập, cho phépcác thiết bị người dùng phát chỉ qua một kênh con được cấp phát cho chúng

OFDMA khai thác tính đa dạng tần số của kênh truyền đa đường bằng cách mãhóa và đan xen thông tin qua các sóng mang con trước khi truyền Điều chế OFDMA

có thể được thực hiện với chuyển đổi Fourier ngược nhanh với hiệu suất cao, điều nàycho phép số lượng lớn sóng mang con (lên tới 2048) với độ phức tạp thấp Trong một

hệ thống OFDMA, tài nguyên là có sẵn trong miền thời gian bởi các ký hiệu OFDMA

và trong miền tần số bởi các sóng mang con (Các kênh con được xác định trong miềntần số còn các ký hiệu OFDMA được xác định trong miền thời gian) Các tài nguyêntần số và thời gian có thể được sắp xếp trong một kênh con để cung cấp đến các ngườidùng cụ thể

1.3 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ OFDM

Theo nguyên lý này, dòng dữ liệu tốc độ cao được chia thành các dòng dữ liệu tốc

độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, trong một số điều kiện cụthể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc

độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín trên tạp SNR của sóng mang đó Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đếngiảm độ rộng băng con trong miền tần số và vì thế tăng độ dài ký hiệu Số sóng mangcon càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn

so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộngbăng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh [1]

1.3.1 Mô hình băng gốc của một hệ thống phát thu OFDM

Hình 1.1 cho thấy sơ đồ điều chế và giải điều chế OFDM điển hình Không giốngnhư các sơ đồ điều chế và giải điều chế thông thường, bộ điều chế và giải điều chếOFDM thực hiện xử lý tín hiệu theo từng khối Tại máy phát, một khối các ký hiệumang thông tin, trước hết được chuyển đổi từ nối tiếp vào song song và được đặt lên Nsóng mang con Điều chế sóng trực giao được thực hiện bằng bộ biến đổi Fourriernhanh ngược IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) và bộ biến đổi song song vào nốitiếp [2]

Hình 1.1: Mô hình băng gốc của một hệ thống phát thu OFDM

Sau bộ biến đổi song song vào nối tiếp, N sóng mang con của một ký hiệuOFDM được gán tiền tố chu trình (CP-Cycle Prefix) để tránh nhiễu giữa các ký hiệu

Máy thu thực hiện quá trình xử lý ngược: biến đổi Fourier nhanh (FFT) Trước hết

nó xử lý các mẫu tín hiệu để xác định điểm khởi đầu một khối và cửa sổ giải điều chếphù hợp Sau loại bỏ CP (chứa ISI), chuỗi N điểm được biến đổi từ nối tiếp vào songsong và được đưa đến bộ FFT Đầu ra của FFT là các ký hiệu được điều chế trên Nsóng mang con Phụ thuộc vào khả năng có được thông tin kênh, các sơ đồ điềuchế/giải mã khác nhau sẽ được sử dụng để khôi phục lại luồng bit

Ta xét sơ đồ OFDM có N sóng mang con với tốc độ lấy mẫu trong miền thời gian

là 1/Ts (Ts=TFFT/N) tương ứng với tần số lấy mẫu fs= N/TFFT= Nfi , trong đó fi làkhoảng cách giữa các sóng mang con Ký hiệu OFDM được trình bầy theo tần số vàthời gian như trên hình 1.2 [7]

Hình 1.2: Trình bầy OFDM trong miền thời gian và tần số

Bây giờ ta sẽ biểu diễn hoạt động cuả bộ điều chế và giải điều chế bằng biểu thứctoán học Tín hiệu đầu ra của bộ IFFT được biểu diễn như sau:

N-1 i,k

FFT i=0

iexp j2π (t - kT)

T(t - kT) = kT - T t kT + T

Trong đó T = TFFT + TGD là thời gian ký hiệu OFDM..

Để xử lý số ta lấy mẫu tín hiệu OFDM với tần số lấy mẫu 1/Ts = N/TFFT = Nfi hay

Ts =TFFT/N Khi này đặt t = Kt + mTFFT/N, trong đó m = 0,1, , N+L-1, ta được:

luồng số liệu X k Áp dụng ma trận, ta có thể trình bầy tín hiệu trong miền thời gian vàodạng N điểm như sau:

x k =[x0,k x1,k xN-1,k] T = W p X k (1.4)Trong đó : x i,k là sóng mang con thứ i của ký hiệu OFDM thứ k trong miền thờigian được xác định rời rạc như sau:

x i,k (m) = X i,k

i.m j2 N

Y k =x k H k , k=1,2, , N-1, (1.5)Trong đó Xk, Yk, Hk là các tín hiệu đầu vào kênh, đầu ra kênh và đáp ứng kênhtương ứng đối với ký hiệu OFDM thứ k Tốc độ lấy mẫu N/TFFT =1/Ts; N=K; Ts là thờigian lấy mẫu bằng TFFT/N

Tín hiệu sau giải điều chế OFDM có thể được viết như sau:

fi= 1/TFFT và h(τ) là đáp ứng xung kim) là DFT của đáp ứng kênh Nói một cách khác,

mỗi kênh con có thể được khôi phục lại bằng cách áp dụng DFT cho yk:

- XVIII

-T 0,k 1,k p,k k

H P

w = (1.7)

Trong đó :xÙk là ước tính ký hiệu OFDM thứ k tại máy thu và xÙ0,k là ước tính mẫuthứ m trong ký hiệu OFDM thứ k trong miền thời gian

Trong thực tế tại máy phát và máy thu ta cần một số thao tác bổ sung như:

Tiền tố cung cấp khoảng bảo vệ đối với tất cả các đường truyền đến sau đườngtruyền đầu tiên Nhờ vậy có thể giảm nhẹ yêu cầu định thời (dung sai đến τmax) Mặtkhác định thời thường dựa trên tín hiệu đa đường có cường độ cao nhất và trong một

số trường hợp đây không phải là tín hiệu đến đầu tiên Để tăng độ bền chống phađinhcủa máy thu khoảng bảo vệ thường được chia thành tiền tố và hậu tố chu trình như trên hình 1.3 để chống lại tín hiệu đến sớm hơn và muộn hơn

Hình 1.3: Các ký hiệu OFDM với tiền tố và hậu tố chu trình

• Các sóng mang rỗng (ảo)

Để bảo vệ chống nhiễu các kênh lân cận và phát xạ ngoài băng, một bộ phận cácsóng mang tại hai đầu băng sẽ không được điều chế Các sóng mang không được sửdụng này thường được gọi là các sóng mang ảo hay các sóng mang con rỗng Kháiniệm này được minh họa trên hình 1.4 Kết quả là số sóng mang con mang thông tinnói chung nhỏ hơn kích thước của khối FFT, nghĩa là P < N Các kênh ảo đảm bảokhoảng bảo vệ đối với các kênh lân cận Khi không có nhiễu kênh lân cận ACI(Adjacent Channel Interference) các kênh ảo có thể bằng không Để đơn giản ta sẽ sửdụng các chỉ số logic từ 1 đến P để biểu thị các sóng mang con tích cực và chỉ số P+1đến N để biểu thị chỉ số các sóng mang con rỗng (ảo)

- XIX

Hình 1.4: Các sóng mang con của OFDM

Truyền dẫn OFDM có thể biểu diễn trong không gian hai chiều: Tần số (số thứ tựsóng mang con) và thời gian (số thứ tự ký hiệu OFDM) như hình 1.5

Hình 1.5: Truyền dẫn OFDM biểu diễn trong không gian hai chiều(tần số - thời gian) 1.3.2 Mã hóa kênh và phân tập tần số bằng OFDM

Chất lượng kênh vô tuyến bị pha đinh chọn lọc tần số luôn thay đổi trong miền tần

số Hình 1.6a và 1.6b cho thấy sự phụ thuộc của chất lượng kênh vô tuyến(công suấttín hiệu thu hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm) vào tần số cho trường hợp đơn sóng mang.Mỗi ký hiệu điều chế được truyền trên một băng thông rộng, trong đó do ảnh hưởngcủa pha đinh chọn lọc tần số, băng thông này có thể bao gồm cả vùng truyền dẫn cóchất lượng truyền dẫn cao và vùng truyền dẫn có chất lượng truyền dẫn thấp Việctruyền dẫn thông tin trên một băng tần rộng gồm nhiều dải băng với chất lượng khácnhau gọi là phân tập tần số Trái lại trong trường hợp OFDM, mỗi ký hiệu chỉ đượctruyền trên một băng thông hẹp Vì thế một số ký hiệu có thể rơi vào vùng kênh cóchất lượng kênh rất thấp Do vậy từng ký hiệu đơn lẻ thông thường sẽ không nhậnđược phân tập tần số ngay cả khi kênh mang tính chọn lọc tần số cao Kết quả là tỷ lệlỗi bít cơ sở của truyền dẫn OFDM trên kênh chọn lọc tần số tương đối kém và kémhơn nhiều so với tỷ số lỗi bít cơ sở trong trường hợp truyền dẫn đơn sóng mang băngrộng

Tuy nhiên trong thực tế mã hóa kênh đã được sử dụng trong hầu hết các hệ thốngthông tin số nhất là trong thông tin di động Trong mã hóa kênh, mỗi bít thông tin

- XX

-được truyền phân tán trên nhiều bít mã Nếu sau đó các bít mã này thông qua các kýhiệu điều chế được sắp xếp lên các sóng mang con và các sóng mang con này đượcphân bố hợp lý trên toàn bộ băng thông truyền dẫn của tín hiệu OFDM (Hình 1.6c) thìmỗi bít thông tin sẽ nhận được phần phân tập tần số (nghĩa là mỗi bít này được truyềntrên các băng tần có chất lượng khác nhau của kênh) Mặc dù các sóng mang con vàcác bít mã không nhận được phân tập tần số

Phân bố các bít mã như trên hình 1.6c đôi khi được gọi là đan xen tần số Đanxen tần số trong trường hợp này giống như đan xen trong miền thời gian được sử dụngkết hợp với mã hóa kênh để chống pha đinh thay đổi trong thời gian [5]

Hình 1.6: Giải thích vai trò của mã hóa kênh trong OFDM: Mã hóa kênh kết

hợp với đan xen tần số để cung cấp phân tập tần số cho truyền dẫn OFDM

Như vậy, tương phản với truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng (mã hóa kênh kếthợp với đan xen tần số) là khâu quan trọng để truyền dẫn OFDM nhận được lợi ích từphân tập tần số trong kênh chọn lọc tần số Vì mã hóa kênh thường được sử dụng

- XXI

-trong thông tin di động, nên đây không phải là nhược điểm qua nghiêm trọng củaOFDM Ngoài ra cũng cần nhấn mạnh rằng ngay cả khi tỷ lệ mã khá cao, hệ thống vẫnnhận được một lượng phân tập tần số sẵn có

1.4 MÔ HÌNH ƯỚC TÍNH KÊNH VÀ TÍN HIỆU THAM KHẢO

1.4.1 Mô hình ước tính kênh trong OFDM

Kênh OFDM bao gồm tổ hợp điều chế OFDM (xử lý IFFT), kênh vô tuyến tánthời và giải điều chế OFDM (xử lý FFT) được mô tả ở dạng kênh miền tần số trênhình 1.7 Nếu coi rằng CP đủ lớn (khi này tích chập kênh vô tuyến tán thời trongkhoảng thời gian lấy tích phân TFFT của bộ giải điều chế có thể coi là tích chập dịchvòng tuyến tính, thì các nhánh kênh miền tần số H0 ,……HP-1 có thể được rút ra trựctiếp từ các đáp ứng xung kim như trên hình 1.7 (hình vẽ phía dưới) [4]

Hình 1.7: Mô hình kênh OFDM trong miền tần số

Tín hiệu đầu vào máy thu (đầu ra kênh) có dạng sau:

Y(t) =x(t) h(t) + η (t) (1.8) Trong đó h(t) là độ lợi kênh và η (t) là tạp âm Gauss trắng cộng

Tín hiệu đầu ra kênh băng gốc rời rạc theo thời gian yk(m) có thể biểu diễn dưới dạng :

Yk(m) =

L 1 k 0

- XXII

Sau bộ loại bỏ CP, L mẫu của CP bị loại bỏ và N mẫu còn lại là các mẫu của tínhiệu hữu ích Bộ biến đổi nối tiếp vào song song cho ra N luồng song song ứng với Nsóng mang con thu của tín hiệu thu trong miền thời gian:

{y’

i(m)} (n=0,1,…,N-1) ở dạng các mẫu rời rạc m (m= 0,1,…,N-1) Các sóngmang này được đưa lên bộ khuyếch đại biến đổi FFT để chuyển đổi từ miền thời gianvào miền tần số Sau đó FFT máy thu lấy P sóng mang con cần thu trong miền tần số {

ký hiệu k; m (m=0,1,…,N-1) là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu trong miền thờigian với thời gian lấy mẫu Ts = TFFT/N tương ứng với tần số lấy mẫu fs = N/TFFT

Tín hiệu đầu ra bộ biến đổi nối tiếp vào song song sẽ là chuỗi nối tiếp các ký hiệuthu của khối k có thể được biểu diễn ở dạng véc tơ sau:

X~n X~0,k,X~1,k, X~P− 1,k

=   (1.11)

Để khôi phục lại ký hiệu phát cho quá trình xử lý tiếp theo( chẳng hạn tách kýhiệu và giải mã kênh), máy thu phải nhânX~n với phức liên hợp của Hn là Hn(hình 1.8)

Hình 1.8: Mô hình kênh phát thu OFDM trong miền tần số với bộ cân bằng một nhánh

Quá trình này thường được gọi là cân bằng một nhánh và áp dụng cho từng sóngmang con thu được Để có thể thực hiện được điều này máy thu phải ước tính kênhmiền tần số H0,H1,….HP-1 Các nhánh kênh miền tần số có thể được ước tính gián tiếpbằng cách trước hết tính đáp ứng xung kim sau đó tính toán Hk ,phương pháp này

- XXIII

-nhanh hơn ước tính các nhánh kênh miền tần số trực tiếp (trường hợp này hệ thốngchèn các tín hiệu tham khảo còn được gọi là các ký hiệu hoa tiêu)

1.4.2 Tín hiệu tham khảo

Tín hiệu tham khảo là các ký hiệu được hệ thống chèn vào tại các khoảng thờigian qui định trong lưới thời gian của OFDM (Hình 1.9)

Hình 1.9: Hệ thống chèn các tín hiệu tham khảo tại các khoảng thời gian qui định

trong lưới thời gian của OFDM

Do biết trước được các ký hiệu tham khảo này nên máy thu có thể ước tính kênhmiền tần số xung quanh vị trí tín hiệu tham khảo Các tín hiệu tham khảo phải có mật

độ đủ lớn cả trong miền thời gian và miền tần số để có thể bảo đảm các ước tính kênhcho toàn bộ lưới thời gian tần số trong trường hợp các kênh vô tuyến bị pha đinh chọnlọc và tần số cao [4]

1.5 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ OFDM CƠ SỞ VÀ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG KÊNH

1.5.1 Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở

Để sử dụng OFDM cho truyền dẫn trong thông tin di động, cần lựa chọn cácthông số cơ sở dưới đây:

Tồn tại hai tiêu chí trong việc chọn sóng mang con:

- Khoảng giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớn càng tốt) đểgiảm thiểu tỷ lệ chi phí cho CP: TCP/ (TFFT + TCP)

- Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của truyềndẫn OFDM với trải trễ Doppler

Khi truyền dẫn qua kênh pha đinh vô tuyến, do trải trễ Doppler lớn kênh có thể

có thể thay đổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến trực giao giữa cácsóng mang bị mất và nhiễu giữa các sóng mang

- XXIV

Trong thực tế đại lượng nhiễu giữa các sóng mang con có thể chấp nhận ởnhiều mức độ khác nhau tùy thuộc vào loại dịch vụ cần cung cấp, tốc độ dịch vụcần cung cấp, mức độ tín hiệu thu chịu được tạp âm và các nhân tố giảm cấp khác

• Số lượng các sóng mang con

Số sóng mang con N cùng khoảng các giữa các sóng mang con quyết định toàn bộ

băng thông của tín hiệu OFDM Số lượng các sóng mang con được xác định trên băngthông khả dụng và phát xạ ngoài băng Sau khi đã chọn được khoảng cách giữa cácsóng mang con theo môi trường(dựa trên sự cân nhắc giữa trải trễ Doppler và tán thời)

bị hạn chế nhiều hơn bởi công suất Vì vậy phải có sự cân đối giữa mất công suất do

CP và thiệt hại tín hiệu do tán thời vì CP không được bao phủ hết

Như vậy để tối ưu hiệu năng đối với các môi trường khác nhau một hệ thốngOFDM hỗ trợ nhiều độ dài CP khác nhau (ô nhỏ CP ngắn, CP dài hơn trong môitrường có tán thời rất lớn…) Phổ của tín hiệu OFDM được mô tả ở hình 1.10

Hình 1.10: Phổ của một sóng mang OFDM con và của tín hiệu OFDM

Hình 1.10 cho thấy do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởicác sóng mang con khác [12] Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT

và IFFT, hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông màbằng việc xử lý băng gốc Dạng của tín hiệu tại đầu vào và đầu ra của bộ FFT và IFFTnhư hình 1.11

- XXV

Hình 1.11: Quá trình IFFT và FFT

1.5.2 Công thức tính toán dung lượng kênh cho các hệ thống OFDM

Ta biết rõ rằng mức điều chế và tỷ lệ mã ảnh hưởng lên dung lượng Trong các hệthống OFDM, do truyền dẫn song song và mở rộng định kỳ nên có nhiều thông sốquyết định dung lượng hơn

Ta sẽ xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóng mang congiống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế,

mã hóa , băng thông, công suất…).Trong trường hợp này tốc độ số liệu của hệ thốngOFDM bằng :

thêi gian ký hiÖu , (1.12)

Nếu ta rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, N là số sóng mang con, T là thời gian kýhiệu, Bd là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT,phân cách sóng mang con là ∆f=1/TFFT và G là tỷ số thời gian FFT và chu kỳ bảo vệ(CP), tốc độ bit tổng được xác định như sau:

Rtb=(rclog2M)N/T=(rclog2M)(Bd/∆f)/T = (rclog2M)(Bd/∆f)/(1+G) (1.13)

Từ phương trình (1.13) ta thấy rằng để tăng tốc độ số liệu, ta cần tăng: hoặc mứcđiều chế (M), hoặc tỷ lệ mã (rc), hoặc tỷ số N/T Vì Bd = Nd∆f = Ndfs/N, nên ta có thểviết lại phương trình (1.13) như sau:

Rtb = (rclog2M)(Ndfs /N)/(1+G) (1.14)

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Chương này đã đề cập đến khái niệm OFDM, OFDMA, nguyên lý OFDM, môhình ước tính kênh OFDM và tín hiệu tham khảo, công thức tính toán dung lượng kênhcho các hệ thống OFDM

bày như sau:Trước tiên trình bày ngắn gọn về sự cần thiết ra đời mạng 4G, những yếu

tố thúc đẩy 4G, định nghĩa mạng 4G, một số yêu cầu quan trọng nhất, mục tiêu thiết

kế cho các hệ thống 4G, những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G và lộ trình phát triển thông tin di động đến 4G

Với xu hướng phát triển như hiện nay, chúng ta tin rằng thông tin di động sẽ đóngmột vai trò quan trọng hơn nữa trong đời sống hàng ngày và thế hệ thông tin di động

kế tiếp - thế hệ 4(4G) cần phải có những tính năng vượt trội hơn so với khả năng củaIMT-2000 Nghiên cứu, nắm bắt và phát triển hệ thống thông tin di động 4G là mộtyêu cầu cần thiết hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển chung của ngành viễn thông

- XXVII

-2.1.2 Những yếu tố thúc đẩy 4G

- Sự đa dạng của các thiết bị (phân bố, tích hợp )

- Các ứng dụng thương mại điện tử và các ứng dụng phụ thuộc vị trí

- Sự mở rộng các thủ tục IP để thực hiện đặc tính di động và phạm vi rộng các QoS

- Yếu tố cá nhân và bảo mật

- Các giao diện vô tuyến và kết nối mạng động

- Các cơ chế cải thiện vùng phủ sóng

- Việc sử dụng phổ tần động và cải thiện phổ tần

2.1.3 Định nghĩa mạng 4G

Mặc dù thuật ngữ 4G vẫn chưa được bất kỳ một tổ chức chuẩn hóa nào định

nghĩa một cách rõ ràng, tuy nhiên mạng 4G được kỳ vọng đáp ứng các đặc điểm sau [12] :

- Đặc tính được kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối mọi lúc,mọi nơi Để thỏa mãn được điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn tạp (bao gồm nhiều côngnghệ mạng khác nhau), kết nối, tích hợp nhau trên nền toàn IP một mạng băng rộngtốc độ siêu cao cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định Thiết bị di động của 4G

sẽ là đa công nghệ (multi-technology), đa mốt (multi-mode) để có thể kết nối vớinhiều loại mạng truy nhập khác nhau Muốn vậy, thiết bị di động sẽ sử dụng giải phápSDR (Software Defined Radio) để có thể tự cấu hình nhiều loại đầu cuối vô tuyếnkhác nhau thông qua một phần cứng duy nhất

- Mạng 4G cung cấp giải pháp chuyển giao liên tục, không bị ngắt giữa các côngnghệ mạng khác nhau và giữa các thiết bị di động khác nhau

- Mạng 4G cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ tầm 100Mb/s và cơ chế nhằmđảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực

- Để vượt lên khỏi tình trạng bão hòa của thị trường viễn thông, các nhà cung cấpmạng sẽ phải tìm kiếm khách hàng bằng các dịch vụ đáp ứng yêu cầu đa dạng và luônthay đổi của khách hàng

- Mạng 4G sẽ lấy người dùng làm tâm điểm

- Diễn đàn nghiên cứu thế giới không dây (WWRF) định nghĩa 4G là một mạnglưới hoạt động dựa trên công nghệ Internet, kết hợp với các ứng dụng và các côngnghệ khác như Wi-Fi, WiMAX, LTE và hoạt động ở tốc độ từ 100 Mbps (trong mạngđiện thoại di động) đến 1 Gbps (trong mạng Wi-Fi nội bộ) 4G không phải là một côngnghệ hay một tiêu chuẩn, mà nó là sự kết hợp của nhiều công nghệ, nhiều giao thức

- XXVIII

-nhằm đưa ra được một mạng không dây có khả năng lớn nhất với chi phí thấp nhất

- 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây, là một hệ thống các

hệ thống được tích hợp dựa trên IP có thể định nghĩa 4G bằng khái niệm đa phươngtiện di động với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch

vụ đặc thù cho từng khách hàng

- 4G được xem như là khả năng đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với khả năng kết nối với nhiều loại hình mạng truy nhập vô tuyến khác nhau và khả năng chọn lựa mạng vô tuyến thích hợp nhất để truyền tải dịch vụ đến người dùng một cách tối ưu

Như vậy, với 4G chúng ta có thể cung cấp một kết nối vô tuyến đúng nghĩa rộngkhắp, mọi lúc, mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung cấp nào, không kể người dùngđang dùng thiết bị di động gì Người dùng trong tương lai sẽ thực sự sống trong mộtmôi trường “tự do”, có thể kết nối mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp,dịch vụ chất lượng cao và mang tính đặc thù cho từng cá nhân

2.1.4 Một số yêu cầu quan trọng cho các hệ thống 4G

2.1.4 1 Thông tin băng rộng, dung lượng lớn và tốc độ truyền dẫn cao

Từ trước đến nay, lưu lượng trên mạng thông tin di động vẫn chủ yếu là lưulượng thoại Những dịch vụ đang được phổ biến hiện nay như: truy cập Internet,thương mại điện tử, e-mail Những dịch vụ này chủ yếu là thông tin dữ liệu dựa trênvăn bản qua mạng tế bào Hệ thống IMT-2000 đề xuất những dịch vụ tốc độ cao từ 64đến 384 kbit/s, và tỷ lệ lưu lượng số liệu trên thoại tăng lên Tuy nhiên, sự phát triểnmạnh của các dịch vụ băng rộng như ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line),các hệ thống truy nhập cáp quang, các mạng LAN cơ quan, gia đình đã làm tăng nhucầu sử dụng các dịch vụ tương đồng của mạng thông tin di động

IMT-2000 đã triển khai đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA (WidebandCode Division Multiple Access) và đạt được tốc độ 2Mbit/s với băng tần có độ rộng 5MHz Ngày nay, việc phát triển kỹ thuật điều chế và giải điều chế thích nghi đa lớpcho phép tốc độ truyền dẫn đạt xấp xỉ 10 Mbit/s với cùng một băng tần sử dụng Đểđạt được tốc độ truyền dẫn từ 100 Mbit/s đến 1 Gbit/s, chúng ta cần phải sử dụng băngtần lớn hơn và các hệ thống truyền dẫn mới phù hợp với truyền dẫn tốc độ cao

Đối với thông tin dữ liệu, chúng ta sẽ cần hệ thống truy nhập vô tuyến có thểtruyền dẫn gói tin hiệu quả Tầm quan trọng của việc phủ sóng trong nhà đã thúc đẩycác công nghệ phải phát triển theo hướng có thể sử dụng cho cả môi trường truyềnsóng trong nhà và ngoài trời Để có được những băng tần rộng cho truyền dẫn tốc độcao và đáp ứng nhu cầu lưu lượng thoại đang tăng cao, chúng ta phải quan tâm đến các

- XXIX

-băng tần mới, phát triển các phần tử mạng cần thiết như các bộ khuyếch đại, các bộ lọc

và tính toán suy hao truyền sóng cho những băng tần này Cùng với đó việc nghiêncứu phát triển các giải pháp sử dụng hiệu quả tài nguyên phổ tần hạn chế cũng rất cầnthiết

2.1.4.2 Chi phí thấp

Khi các dịch vụ băng rộng phát triển, các thuê bao có thể trao đổi rất nhiều loạithông tin với nhau, tuy nhiên họ lại không sẵn sàng trả một chi phí quá cao cho lượngthông tin trao đổi quá nhiều như vậy Vì vậy cần phải giảm giá cước của các dịch vụxuống bằng hoặc thấp hơn giá cước của các dịch vụ hiện tại Hệ thống IMT-2000 đãgiảm mức cước tính theo bít và đưa ra các mức giá tương đối thấp, nhưng hệ thống 4Gđòi hỏi một kênh băng thông rộng với mức giá thậm chí thấp hơn mức giá theo bit màIMT-2000 đưa ra

Với các công nghệ cấu hình hệ thống thông thường, nếu sử dụng một băng tần caohơn để đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn sẽ làm giảm kích thước cell, hay giảm vùngphủ sóng của một trạm gốc Để vẫn giữ được vùng phủ sóng rộng như trước đây yêucầu phải có nhiều trạm gốc hơn và do đó làm tăng chi phí mạng Để tránh được vấn đềnày chúng ta cần phải mở rộng bán kính cell bằng cách sử dụng những phương pháptruyền dẫn vô tuyến phẩm chất cao hơn, các kỹ thuật điều chế và giải điều chế cải tiến,dàn anten thích nghi, các bộ thu tạp âm thấp Xa hơn nữa, để giảm chi phí xây dựng vàhoạt động mạng, chúng ta phải nghiên cứu thực hiện kết nối các trạm gốc với mạngđường trục, công nghệ trạm gốc điều khiển độc lập và các công nghệ kết nối vô tuyếnphân lớp

2.1.4 3 Vùng phủ sóng rộng

Một trong những đặc tính của thông tin di động là có mặt khắp mọi nơi mọi lúc.Những khả năng này cũng là một tiêu chí quan trọng cho sự phát triển của thông tin diđộng trong tương lai Khi một hệ thống mới đầu tiên được giới thiệu thì nói chung rấtkhó khăn trong việc cung cấp một vùng phủ sóng rộng như mạng hiện có và kháchhàng sẽ không mua các thiết bị đầu cuối mới nếu họ bị giới hạn vùng phủ sóng Nhữngthiết bị có màn hình hiển thị lớn như PDAs (Personal Digital Assistans) và máy tính cánhân với khả năng kết nối không dây ngày càng được sử dụng phổ biến Gắn liền vớinhững thiết bị này là các dịch vụ cao cấp và thường được sử dụng trong nhà, vì vậychúng ta cần đưa ra các dịch vụ với vùng phủ sóng trong nhà tốt

2.1.4.4 Dịch vụ đa dạng và dễ sử dụng

- XXX

Đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và rất khác nhau Trong tươnglai, chúng ta hy vọng có thể nâng cao phẩm chất và chức năng hệ thống để có thể cungcấp nhiều loại hình dịch vụ, không chỉ là các dịch vụ thoại truyền thống mà còn truyềncác thông tin liên quan đến tất cả năm giác quan của con người Và thuê bao phải dễdàng sử dụng các dịch vụ này (dễ dàng cài đặt, dễ dàng kết nối, …)

2.1.5 Mục tiêu thiết kế hệ thống 4G

Mục tiêu thiết kế hệ thống để đáp những yêu cầu đã nêu ở trên được minh họatrên hình 2.1 Coi thông tin dữ liệu và video là dịch vụ chính, hệ thống 4G phải cungcấp tốc độ truyền dẫn cao hơn với dung lượng lớn hơn IMT-2000 (cả về số lượng thuêbao và lưu lượng) [12]

Hình 2.1: Mục tiêu thiết kế hệ thống 4G

Hiện nay, coi tốc độ chính là chất lượng truyền dẫn, mạng LAN đạt được tốc độ

từ 10 đến 100 Mbit/s và tốc độ của mạng ADSL2+ cũng đạt được 24 Mbit/s Mục tiêuthiết kế hệ thống thông tin di động là đạt tốc độ xấp xỉ 100 Mbit/s đối với môi trườngngoài trời và cỡ Gbit/s với môi trường trong nhà Để đảm thông tin thời gian thực giữacác thiết bị đầu cuối với nhau thì hệ thống mới cần phải giảm thời gian trễ truyền dẫnxuống dưới 50 ms Giả sử rằng các dịch vụ trong tương lai sẽ dựa trên truyền dẫn IP(Internet Protocol), hiệu quả truyền dẫn gói IP qua mạng vô tuyến cũng cần phải tínhđến

Hệ thống mới bên cạnh việc nâng cao dung lượng truyễn dẫn phải đảm bảo đượcviệc giảm chi phí Chi phí tính trên 1 bít truyền dẫn phải giảm xuống bằng 1/10 hoặc1/100 mức chi phí hiện tại bằng cách giảm chi phí thiết bị hạ tầng, chi phí hoạt động

- XXXI

-và chi phí xây dựng Mục tiêu thiết kế được đề cập trên đây tập trung -vào những dịch

vụ có phẩm chất tốt hơn các dịch vụ hiện tại và dễ dàng sử dụng Điều mà những nhà

đi tiên phong trong thị trường dịch vụ 4G cần phải lưu ý là khả năng tích hợp hệ thốngLAN không dây trong nhà với hệ thống hữu tuyến và thực hiện triển khai các dịch vụmới trong thời gian ngắn

2.1.6 Những vấn đề cơ bản trong cấu hình hệ thống 4G

Vấn đề kỹ thuật cần thiết đối với mạng thông tin di động thế hệ 4G để đáp ứngnhững yêu cầu đã nêu ở trên được chỉ ra trên hình 2.2

Hình 2.2: Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến

Một biện pháp để cho những thuê bao sử dụng hệ thống mới không gặp phải vấn

đề về vùng phủ sóng là phải đảm bảo các thiết bị đầu cuối mới phải hỗ trợ để hoạtđộng trên cả hệ thống cũ và hệ thống mới Mặt khác, chúng ta phải tính đến khả năngroaming quốc tế, một thiết bị đầu cuối phải được hỗ trợ để hoạt động trên nhiều hệthống nhờ sử dụng công nghệ SDR (Softwave Defined Radio) Với công nghệ này,thiết bị đầu cuối có thể hoạt động trên nhiều băng tần khác nhau của các quốc gia vàkhu vực khác nhau Hơn nữa, mạng thông tin di động trong tương lai phải tích hợp vớinhiều phương thức truy nhập khác nhau, với rất nhiều loại cell có các khả năng kết nốiliên mạng dựa trên công nghệ IP Chính vì vậy, kết nối liên mạng và chuyển giao giữa

- XXXII

-các hệ thống truy nhập là một yêu cầu cần thiết, ngoài yêu cầu về khả năng chuyểngiao và roaming nội bộ và giữa hai mạng thông tin di động với nhau

2.1.6.1 Cấu hình hệ thống dựa trên IP

Hệ thống 4G phải được cấu hình để kết nối với mạng IP, truyền dẫn hiệu quả cácgói IP, cùng tồn tại với các hệ thống truy nhập khác, linh hoạt khi đưa vào khai thác,

có khả năng mở rộng khi cần Mô hình kiến trúc mạng thông tin di động toàn IP nhưhình 2.3

Hình 2.3: Mô hình kiến trúc mạng thông tin di động toàn IP

Điểm truy nhập vô tuyến 4G (4G Access Point) sẽ được kết nối với một bộ địnhtuyến truy nhập AR (Access Router) như trên hình 2.4 4G-AP có các chức năng điềukhiển truyền dẫn vô tuyến, chuyển giao, … cho phép các thiết bị di động liên lạc vớinhau dựa trên IP Các 4G-AP sẽ được đặt tương ứng với các cell của chúng Khi mộtthiết bị di động di chuyển giữa các cell, việc chuyển giao sẽ được thực hiện bằngchuyển mạch đơn giản giữa các điểm truy nhập và các vùng vô tuyến nếu hai điểm4G-AP kết nối với cùng một AR

Nếu hai điểm 4G-AP thuộc hai AR khác nhau thì định tuyến truyền dẫn gói tintrong mạng IP phải thay đổi tức thì Liêt kết hoạt động giữa chuyển mạch 4G-IP vàđịnh tuyến mạng IP đóng một vai trò rất quan trọng đối với quá trình chuyển giao Đốivới chuyển giao giữa một 4G-AP và một AP của hệ thống khác, thiết bị di động phải

- XXXIII

-có chức năng truy nhập cả hai mạng Chuyển giao sẽ được thực hiện bằng việc theodõi và so sánh giữa các hệ thống khác nhau để lựa chọn được một hệ thống phù hợp

Hình 2.4: Cấu hình hệ thống 4G

2.1.6.2 Cấu hình cell theo môi trường truyền dẫn

Hệ thống 4G có cell ở ngoài trời, trong nhà, trong phương tiện di chuyển, nhưtrên hình 2.5 Những cell ngoài trời có vùng phủ sóng rộng, cho phép các thiết bị đầucuối đang di chuyển với tốc độ cao trao đổi thông tin với tốc độ cao Vùng phủ trongnhà được thực hiện bởi các indoor AP (Access Point) Các Indoor AP được thiết kếkhông chỉ giúp trao đổi thông tin tốc độ cao và hoạt động đơn giản mà còn đáp ứngnhững yêu cầu của một mạng LAN vô tuyến tương lai Ngoài ra, các cell trong phươngtiện giao thông di chuyển như xe buýt, tầu hoả (được gọi là các cell/mạng di động)được phục vụ bởi một bộ định tuyến di động MR (Mobile Router) MR có chức năngchuyển tiếp tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối trên phương tiện, nên nhữngthiết bị đầu cuối này không liên lạc trực tiếp với trạm gốc như thông thường Cấu hìnhnày được thiết kế để đạt được hiệu quả về công suất phát của thiết bị đầu cuối, tốc độtruyền dẫn, độ lớn của tín hiện điều khiển Kết nối đa chặng (multi-hop)- một phươngpháp hiệu quả để mở rộng kích thước cell sẽ được nghiên cứu như là một cách để giảiquyết vấn để các “điểm chết” gây ra bởi hiệu ứng “bóng” Truyền dẫn dữ liệu qua trạmchuyển tiếp được thực hiện ngay cả khi bị giới hạn về công suất phát của thiết bị đầucuối và suy hao truyền sóng lớn [12]

mô hình mạng hỗn tạp như hình 2.5.

Cấu hình hệ thống 4G cho phép truyền dẫn với tốc độ cao, hoạt động liên kết với

các mạng IP trong khi vẫn phải đảm bảo được QoS của truyền dẫn gói

2.2 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐẾN 4G

Hiện nay có rất nhiều công nghệ vô tuyến mới và tiềm năng đang được nghiêncứu để đưa vào ứng dụng trong các mạng 4G như: OFDMA, WIMAX, công nghệ băng cực rộng UWB (Ultra-Wide-Band), MIMO, công nghệ vô tuyến phần mềm SDR, Agent… Trong đó OFDMA và MIMO là hai công nghệ quan trọng và là giải pháp được ưa chuộng nhất để sử dụng trong hệ thống 4G [8]

- XXXV

Hình 2.6: Lộ trình phát triển thông tin di động đến 4G

Trên“quan điểm tuyến tính” trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cảitiến để cung ứng tốc độ lên trên 100Mb/s Với cách nhìn nhận này thì 4G sẽ chính làmạng 3G LTE , UMB hay WiMAX 802.16m Như hình 2.6 cho thấy có hai hướngchính tiến đến 4G sẽ chính là mạng 3G LTE và 802.16/ WiMAX [4]

Mặc dù hiện nay 3GPP chưa tiến hành nghiên cứu trực tiếp IMT-2000 Adv, tuynhiên 3GPP sẽ đề xuất lên ITU IEEE 802.16.(WiMAX) cũng đang hoàn thiện kháiniệm của mình và hướng đến đề xuất cho IMT-2000 Adv trong 802.16m Tương tự3GPP2 cũng đang tiến tới đề xuất IMT-2000 Adv

LTE là một trong số các con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạnđầu của 4G, tiếp theo sau là IMT-2000 Adv LTE cho phép chuyển đổi dần từ 3GUMTS sang giai đoạn đầu của 4G, sau đó sang IMT-2000 Adv Chuyển đổi dần từLTE sang IMT-2000 Adv là chìa khoá thành công trên thị trường

Ngoài ra còn là mạng thông tin di động siêu băng rộng UMB (Ultra MobileBroadband) UMB là thế hệ mạng thông tin di động tiếp nối của CDMA được pháttriển bởi 3GGP2 mà chủ lực là Qualcomm UMB sử dụng OFDMA, MIMO, đa truynhập phân chia theo không gian cũng như các kỹ thuật anten hiện đại để tăng khả năngcủa mạng, tăng vùng phủ và tăng chất lượng dịch vụ UMBsẽ có khả năng tương thíchngược với các hạ tầng mạng CDMA2000 hiện tại Tuy nhiên mục tiêu (UMB-conđường đi lên 4G của công nghệ) lựa chọn UMB thì đó vẫn là một thị trường nhỏ hơn

và có nhiều bất lợi về quy mô thị trường, đến thời điểm này không có nhà cung cấpmạng nào có ý đồ tiến lên UMB cả, do đó trong giới hạn nghiên cứu, trong thời gian

có hạn, luận văn này tập chung nghiên cứu mô hình khả dụng của OFDMA cho LTE,WiMAX

2.2.1 Lộ trình của WiMAX

có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16-2004 Tiêu

Nhóm IEEE 802.16 cũng đang nghiên cứu phiên bản 802.16m với mục đích đẩytốc độ dữ liệu của WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX cốđịnh và di động đã và đang được triển khai Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoànthiện vào cuối năm 2009 Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-ten MIMOtrên nền công nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơnWiMAX di động 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc

độ truyền lên lớn hơn 350Mbps Theo dự kiến, WiMAX Release 2 với sự hoàn thiệncủa 802.16m sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ

2010 (hình 2.7)

Hình 2.7 : Sơ đồ phát triển của công nghệ WiMAX

2.2.2 Lộ trình của LTE

3G LTE là một công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn hóa bởi đề

án của các đối tác thế hệ ba - 3GGP(The Third Generation Partnership Project) Dự án

Lộ trình phát triển của LTE gắn liền với lộ trình phát triển của 3GPP như hình 2.8

Hình 2.8 : Lộ trình phát triển 3GPP.

Để làm cho công nghệ 3GGP UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh hơn nữa3GPP quyết định phát triển E–UTRA và E–UTRAN (Evolved UMTS TerrestrialRadio Access Network – mạng truy nhập vô tuyến hệ thống thông tin di động toàn cầutăng cường) còn gọi là siêu 3G (Super 3G) mà thực chất là giai đoạn đầu của 4G, sau

đó như sự phát triển dài hạn LTE (Long Term Evolved).Tiếp sau LTE, IMT-Adv sẽđược phát triển, đây là thời kỳ phát triển của 4G với tốc độ từ 100Mbps đến 1000Mbpsvới băng thông 100MHz Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 4G được gọi làLTE cho phần vô tuyến và SAE phát triển kiến trúc hệ thống cho phần mạng

3G LTE hứa hẹn sẽ cho tốc độ dữ liệu truyền trên kênh xuống (downlink) lớn hơn

100 Mbps và trên kênh lên (uplink) lớn hơn 50 Mbps Giống như WiMAX, 3G LTEdựa trên nền gói IP do đó sẽ không còn chuyển mạch kênh như trong các thế hệ 2G,3G hiện tại Kiến trúc mạng của 3G LTE sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời.Tuy nhiên mạng 3G LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G.Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3G LTE mà không cần

- XXXVIII

-thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có 3G LTE sử dụng công nghệ đa truy cậpOFDMA cho kênh xuống và SC-FDMA cho kênh lên và nó vẫn dựa trên công nghệăng-ten MIMO để đạt tốc độ truyền dự liệu cao như mong muốn Hình 2.9 cho thấy kếhoạch chuẩn hóa cũng như lộ trình phát triển của 3G LTE

Hình 2.9: Kế hoạch chuẩn hóa 3G LTE

Như vậy mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đangphát triển như LTE( từ 2G, 3G lên), WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-4G, UWB, satellite…nhưng hai hướng từ LTE và WiMAX là nổi trội nhất

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG II

Hệ thống thông tin di động 4G đã và đang được nghiên cứu ở nhiều nơi trên thếgiới Với mục đích giới thiệu những nét cơ bản nhất về hệ thống thông tin di độngtrong tương lai (hệ thống 4G), chương này đã trình bày những đặc điểm cũng nhưnhững yêu cầu cơ bản của hệ thống, lộ trình tiến đến 4G cũng những vấn đề kỹ thuậtliên quan trong việc cấu hình hệ thống 4G để đáp ứng những yêu cầu nêu trên

Chương III: MỘT SỐ MÔ HÌNH OFDMA KHẢ DỤNG CHO 4G3.1 MÔ HÌNH OFDMA TRONG WiMAX

Trong WiMAX sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập cho cả đườngxuống và đường lên

Trên đường xuống OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh các người sử dụng.Trong khoảng thời gian ký hiệu OFDM, toàn bộ các sóng mang con khả dụng đượcchia thành các tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau đểtruyền đến các máy đầu cuối khác nhau

Tương tự trên đường lên, OFDM được sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập Trongkhoảng thời gian một ký hiệu, toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thànhcác tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau để truyền từ cácmáy đầu cuối khác nhau đến trạm gốc Sơ đồ đa truy nhập đường lên sử dụng OFDMđược gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao(OFDMA) đối với đường từMS(Mobile Station) đến BS( Base Station)

- XXXIX

-Trong trường hợp OFDMA được sử dụng cho đường lên, tín hiệu OFDM phát đi

từ các đầu cuối di động khác nhau được ghép kênh theo tần số Điều quan trọng là cáctruyền dẫn từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với trạm gốc phải đến được trạmgốc một các đồng bộ theo thời gian Đặc biệt là sự mất đồng bộ này tại trạm gốc phảinhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thu được từ cácđầu cuối di động khác nhau để tránh nhiễu giữa các người sử dụng

3.1.1 OFDMA cơ sở lớp vật lý của WiMAX

Về bản chất OFDMA là sự lai ghép giữa FDMA và TDMA: Các người sử dụngđược ấn định các sóng mang con (FDMA) trong các khe thời gian khác nhau Ưu điểmcủa OFDMA bắt nguồn từ ưu điểm OFDM của mỗi người sử dụng cho phép triệtnhiễu đa đường và phân tập tần số Ngoài ra OFDMA còn là một kỹ thuật đa thâmnhập linh hoạt cung cấp nhiều người sử dụng các ứng dụng, các tốc độ dữ liệu và cácyêu cầu QOS trong một dải rộng Vì đa truy nhập được thực hiện trong miền tần số,nên trước thao tác IFFT hệ thống có thể thực hiện cấp phát băng thông động và hiệuquả Điều này cho phép tích hợp các giải thuật lập biểu miền tần số và thời gian để sửdụng các người sử dụng tốt nhất

Trong OFDMA, ấn định sóng mang con và công suất dựa trên các điều kiện kênh

để đạt được thông lượng cực đại Các nguyên lý cơ bản cho phép đạt được hiệu năngcao trong OFDMA là phân tập đa người sử dụng và điều chế thích ứng :

- Phân tập đa người sử dụng mô tả các độ lợi nhận được bằng cách chọn một người

sử dụng hay tập con các người sử dụng có các điều kiện tốt

- Điều chế thích ứng là cách mà hệ thống có thể chọn các kênh tốt để truyền tốc độ

số liệu cao Các hệ thống WiMAX sử dụng điều chế và mã hóa thích ứng để lợi dụng

sự thay đổi của kênh.Ý tưởng cơ sở của thích ứng truyền dẫn rất đơn giản: Truyềndẫn tốc độ cao ở mức độ có thể nếu kênh tốt, truyền dẫn tốc độ thấp khi kênh xấu

Kỹ thuật cấp phát tài nguyên cho OFDMA, các kỹ thuật cho phép cân đối giữamong muốn thông lượng cao với tính công bằng cho các người sử dụng trong hệthống Cấp phát tài nguyên thường được phát biểu như một bài toán tối ưu có giới hạn

để :Giảm thiểu công suất phát khi cho trước tốc độ truyền dẫn của người sử dụng haycực đại hóa tốc độ dữ liệu khi cho trước tổng công suất phát

Trong 802.16e tồn tại ba chế độ PHY là: Đơn sóng mang, OFDM và OFDMA.Tuynhiên chủ yếu chuẩn này được xây dựng trên cơ sở chế độ OFDMA

Lớp vật lý 802.16e định nghĩa các chuẩn liên quan đến:

- Các cấu trúc khung bao gồm các khung đường lên , đường xuống và các khungtùy chọn cho dàn anten thích ứng AAS(Adaptive Antena System )

- Điều chế và mã hóa kênh, cơ chế H-ARQ.

- Các tín hiệu định cự ly OFDMA , điều khiển công suất

3.1.2 OFDMA khả định cỡ và cấu trúc tín hiệu OFDMA

Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữbằng nhau với phổ có sẵn Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóngmang con thay đổi trong các hệ thống khác nhau Điều này làm cho việc chuyển giaogiữa các hệ thống gặp khó khăn Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chiphí cao

OFDMA khả định cỡ (S-OFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ chokhông gian sóng mang con không thay đổi Nói cách khác, số sóng mang con có thểtăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước

Bởi vì không gian sóng mang con là giữ nguyên trong S-OFDMA nên một máy

di động có thể chuyển giao giữa các hệ thống một cách suôn sẻ Ngoài ra, với khônggian sóng mang con không thay đổi, một thiết kế là phù hợp cho nhiều hệ thống và cóthể tái sử dụng Chi phí cho thiết kế và sản phẩm sẽ thấp hơn

OFDMA khả định cỡ S-OFDMA cho phép sử dụng nhiều dải băng thông khácnhau để đáp ứng nhu cầu cấp phát phổ tần khác nhau cho các yêu cầu sử dụng khácnhau Định cỡ được thực hiện bằng cách điều chỉnh kích thước FFT trong khi vẫn giữnguyên khoảng cách tần số sóng mang con bằng 10,94 kHz Vì đơn vị tài nguyên:băng thông sóng mang con và thời gian ký hiệu không đổi, nên lớp cao bị ảnh hưởng ítnhất trong quá trình định cỡ băng thông Các thông số của S-OFDMA được cho trongbảng 3.1

Bảng 3.1: Các thông số cuả S-OFDMA