Nghiên cứu và so sánh lớp vật lý của LTE Advanced và Wireless MAN Advanced

Nội dung của đồ án gồm 4 chương:Chương 1: Các kĩ thuật điều chế và đồng bộ tín hiệu cho LTE và WimaxChương 2: Nghiên cứu về Long Term Evolution (LTE)Chương 3: Nghiên cứu về Wimax di độngChương 4: So sánh lớp vật lý của LTE và Wimax

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

Nghiên cứu và so sánh lớp vật lý của LTE-Advanced và WirelessMAN-Advanced

Hà Nội, tháng 12 /2012

LỜI CẢM ƠN

Đồ án - khoá luận tốt nghiệp là bước cuối cùng đánh dấu sự trưởng thành của một sinh viên ở giảng đường Đại học Để trở thành một cử nhân hay một kỹ sư đóng góp những gì mình đã học được cho sự phát triển của nên kinh tế đất nước Đồ án này là kết quả của quá trình học tập tại Khoa Viễn thông, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã được sự giúp đỡ, hướng dẫn, hỗ trợ và động viên từ gia đình, từ thầy cô cùng các bạn, nhờ

đó em đã hoàn thành được đồ án này, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc

và chân thành đến các thầy cô khoa Viễn thông- Học viện công nghệ bưu chính viễn thông đã truyền đạt những kiến thức chuyên ngành quý báu để

từ đó em phát triển thêm vốn hiểu biết của mình để hoàn thành đồ án và trong công việc chuyên môn sau này

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành

tới thầy Phạm Mạnh Hà, người trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án tốt

nghiệp Trong quá trình làm đồ án, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp em giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm đồ án và hoàn thành đồ

án đúng định hướng ban đầu

Cuối cùng xin được gửi lới cảm ơn tới tất cả bạn bè, người thân luôn bên cạnh, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và những

lúc khó khăn trong cuộc sống

Sinh viên thực hiện

Trần Đình Hoàng

NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ - CHO ĐIỂM

(Của người hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ………(Bằng chữ: ……… )

Hà Nội , ngày tháng năm 2012

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ - CHO ĐIỂM

(Của người phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ………(Bằng chữ: ……… )

Hà Nội , ngày tháng năm 2012

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

MỤC LỤC 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 9

LỜI NÓI ĐẦU 14

CHƯƠNG 1 15

CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO LTE VÀ WIMAX 15

CHƯƠNG 2 33

NGHIÊN CỨU VỀ LONG TERM EVOLUTION (LTE) 33

CHƯƠNG 3 54

NGHIÊN CỨU VỀ WIMAX DI ĐỘNG 54

CHƯƠNG 4 74

SO SÁNH LỚP VẬT LÝ CỦA LTE VÀ WIMAX 74

KẾT LUẬN 90

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.Sắp xếp các sóng mang con của tín hiệu OFDM .16

Hình 1.4.Thời gian và phân bổ tài nguyên tần số cho người sử dụng trong OFDMA 22

Hình 1.5 Sơ đồ khối phát SC-FDMA với chế độ phát nội vùng hoặc ánh xạ truyền phân tán .26

Hình 1.6 Sơ đồ khối của máy phát và thu SC-FDMA .27

Hình 1.7 Tín hiệu SC-FDMA ở miền tần số và miền thời gian cho LTE, với M = 4 và khoảng cách giữa các sóng mang con ∆ f = 15KHz .27

Hình 1.8 Hàm tự tương quan của Zadoff-Chu và chuỗi PN 30

Hình 2.1 Cấu trúc khung vô tuyến trong hệ thống LTE với 72 sóng mang con 36

với ∆ f = 15KHz 36

Hình 2.2 Khung phụ đặc biệt chèn trong TDD LTE giữa truyền dẫn downlink và uplink 38

Hình 2.3 Cấu hình đường lên đường xuống của chu kỳ 5ms và 10ms trong TDD LTE 39

Hình 2.4 Sơ đồ khối quy trình phát tín hiệu lớp vật lý LTE .40

Hình 2.5 cấu trúc PSS và SSS trong TDD và FDD với ánh xạ vật lý 42

trong các yếu tố tài nguyên 42

Hình 2.6 Ánh xạ vật lý PBCH .44

Hình 2.7 Ánh xạ phân bố dữ liệu người sử dụng tới khe cắm phân phối trong PDSCH .45

Hình 2.8 Ánh xạ vật lý PDCCH trong các khung con .46

Hình 2.9 Ánh xạ PCFICH đến các yếu tố tài nguyên vật lý .47

Hình 2.10.Kênh điều khiển đường lên vật lý ánh xạ tới tài nguyên vật lý 48

Hình 2.11 Cấu trúc chuỗi mở đầu PRACH và ánh xạ vật lý sóng mang con 49

Hình 2.12 Các bước đồng bộ hóa cell ban đầu trong LTE .50

Hình 2.13 Các bước tìm kiếm cell trong LTE .51

Hình 2.14 Tthủ tục truy cập ngẫu nhiên miễn phí trong LTE .53

Hình 3.1 Cấu trúc khung lớp vật lý của IEEE 802.16e .56

Hình 3.2 Cách sử dụng sóng mang con trong WiMAX di động .56

Hình 3.3 Đơn vị nguồn tài nguyên logic đường lên và đường xuống trong WiMAX .57

Hình 3.4 khung vô tuyến TDD và FDD WiMAX di động cho băng thông 10MHz và tỷ lệ DL / UL của 5:03 58

Hình 3.5 Cấu trúc siêu khung trong WiMAX di động .59

Hình 3.6 Tiêu đề siêu khungsơ cấp và thứ cấp .60

Hình 3.7 Thế hệ nguồn tài nguyên vật lý đến logic trong WiMAX di động .62

Hình 3.8 Kênh điều khiển đường lên, đường xuống và ánh xạ vật lý SFH 64

trong WiMAX di động .64

Hình 3.9.Các ký hiệu và các định dạng khoảng sóng cho khoảng sóng đồng bộ và đồng bộ trong WiMAX .67

Hình 3.10 Ánh xạ phần mở đầu PA trong miền tần số .68

Hình 3.11 phần mở đầu PA trong miền thời gian 68

Hình 3.12 Đồng bộ hóa thời gian với phần mở đầu PA trong WIMAX di động 69

Hình 3.13 Phân vùng phần mở đầu SA trong 8 phân đoạn trong WiMAX di động 70

Hình 3.14 Cấu trúc khung phần mở đầu PA và phần mở đầu SA trong WiMAX di động 70 Hình 3.15 Trạng thái người dùng kết nối và sơ đồ hoạt động trong WiMAX di động .73

Hình 3.16 Entry mạng sơ đồ luồng trong WiMAX di động .74

Hình 4.1: So sánh số lượng sóng mang con sử dụng trong LTE và WIMAX 78

Hình 4.3 Tổng chi phí tĩnh và động trong LTE và WiMAX 80

Hình 4.5 Công suất VoIP TDD trong LTE và WIMAX 81

Hình 4.6 So sánh hiệu suất quang phổ di động của LTE và WiMAX 85

Hình 4.7 So sánh hiệu suất quang phổ cạnh tế bào đường lên cho LTE và WiMAX 85

Hình 4.8 So sánh hiệu suất quang phổ đỉnh cho LTE và WiMAX 86

Hình 4.9 So sánh vùng phủ sóng di động của LTE và WiMAX 88

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Các thông số lớp vật lý cho LTE và WiMAX cho các tình huống băng thông khác nhau 76

Bảng 4.2 Tổng chi phí tĩnh và động trong LTE và WiMAX 80

Hình 4.4 So sánh tổng chi phí điều khiển trong LTE và WiMAX 80

Bảng 4.3 Công suất củaVoIP trong LTE, WiMAX và Yêu cầu của ITU 81

Bảng 4.4 Hiệu suất quang phổ di độngTDD và FDD trong LTE và WiMAX 83

Bảng 4.5 Hiệu suất quang phổ cạnh cell cho LTE và WiMAX 84

Bảng 4.6 Hiệu suất quang phổ đỉnh cho LTE và WiMAX 86

Bảng 4.7 Các thông số ngân sách liên kết cho LTE và WiMAX 87

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng

ACK Acknowledgement Công nhận

AGW Access Gateway Cổng truy nhập

AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng

ARQ Automatic Repeat- Request Yêu cầu phát lại tự động

AWGN Additive Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

BES Best Effort Service Dịch vụ nỗ lực nhất

BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha 2 trạng thái

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CAZAC Constant Amplitude Zero Auto

Correlation

Tự tương quan bằng không biên độ không đổi

CC Convolutional Code Mã xoắn

CDMA Code Division Mutiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng

CPICH Common pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh

CTC Convolutional Turbo Code Mã Turbo xoắn

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DCH Dedicated Channel Kênh riêng

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DFTS -

OFDM

DFT- Spread OFDM OFDM trải phổ DFT

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DUSP Switching Point from Downlink to

E-RAN

Evolved UTRA/RAN Mạng truy cập vô tuyến mặt đất

UMTS phát triểnFACH Forward Access Channel Kênh truy cập đường xuống

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo

thời gianFDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần sốFMDA Frequency Division Multiple

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile

communications

Hệ thống thông tin

di động toàn cầuHARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại

tự động lai ghépHSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy cập gói đường xuống tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

IDFT Invert Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier

rời rạc ngượcIFDMA Interleaved FDMA FDMA đan xen

IFFT Invert Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier

nhanh ngược

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ITU International Telecommunication

tin giữa nút B và RNCIur Giao diện được sử dụng để thông

tin giữa các RNCLTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

OFDM Orthogonal Frequency Division

trung bìnhPDCCH Physical Dedicated Control

Channel

Kênh điều khiển riêng vật lý

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đưỡng xuống vật lýPHY Physical Layer Lớp vật lý

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc

RAN Radio Access Network Mạng truy cập vô tuyến

RB Resource Block Khối tài nguyên

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RS Reference Symbol Kí hiệu tham khảo

RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực

RU Resource Unit Đơn vị tài nguyên

SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division

Mutiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang

SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ

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

TD-CDMA Time Divison - Code Division

gian

UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy cập vô tuyến mặt đất UMTSUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Network

Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS

VoIP Voice Over IP Thoại qua IP

ZC Zadoff Chu Thuật toán Zadoff Chu

LỜI NÓI ĐẦU

Tháng 3 năm 2008, Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU đưa ra định nghĩa về thông tin di động thế hệ thứ tư 4G, quy định đặc điểm kĩ thuật, thiết lập các yêu cầu về tốc độ tối đa 100(Mbit/s) cho thông tin di động cao (như từ xe lửa và xe hơi) và 1 (Gbit/s) cho thông tin di động thấp

Để đạt được các yêu cầu của 4G, có 2 công nghệ đang là ứng viên: IEEE phát triển WiMAX di động, một chuẩn kế thừa từ IEEE 802.16 (2009) cho mạng lưới khu vực địa phương và đô thị, sử dụng điều chế OFDMA và công nghệ đa ăng-ten MIMO và Long Term Evolution (LTE), một công nghệ được 3GPP phát triển để đáp ứng các yêu cầu của 4G sử dụng sơ đồ OFDMA điều chế cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên để cải thiện PAPR nhờ đó tăng thời lượng sử dụng pin trên các thiết bị di động đầu cuối LTE cũng sử dụng công nghệ đa ăng-ten MIMO để tăng tốc độ dữ liệu và đáp ứng các yêu cầu 4G

Cả hai công nghệ sử dụng băng thông và các kỹ thuật điều chế linh hoạt thay đổi thích ứng với việc phân bổ hiệu quả tài nguyên vật lý để sử dụng các kênh có sẵn và đạt được thông lượng tốt nhất có thể Sử dụng tốt nhất các nguồn lực thời gian và tần số là chìa khóa dẫn đến kết quả tốt nhất Các thông số lớp vật lý cho WiMAX và LTE sử dụng tài nguyên vật lý theo nhiều cách khác nhau và đạt được hiệu suất tối ưu theo các tình huống thời gian thực Các kết quả khác nhau và các thông số lớp vật lý được đồ án phân tích để nhận xét về những điểm tương đồng và khác biệt giữa các công nghệ này

Nội dung của đồ án gồm 4 chương:

Chương 1: Các kĩ thuật điều chế và đồng bộ tín hiệu cho LTE và Wimax

Chương 2: Nghiên cứu về Long Term Evolution (LTE)

Chương 3: Nghiên cứu về Wimax di động

Chương 4: So sánh lớp vật lý của LTE và Wimax

Với kiến thức và kinh nghiệm có hạn, việc nghiên cứu và hoàn thành đồ án của em không tránh khỏi có những khiếm khuyết, em rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy

cô và các bạn để đồ án của em hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO LTE VÀ

WIMAX1.1 Giới thiệu

Trong thông tin di động, việc giảm chi phí cần tận dụng tối đa phổ tần có sẵn Kỹ thuật điều chế hiệu quả đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được mục tiêu giảm chi phí Đối với bất kỳ hệ thống nào, đạt được tốc độ dữ liệu tiêu chuẩn của thế hệ kế tiếp, sẽ truyền tải thông tin với tốc độ nhanh hơn Đối với việc gửi dữ liệu trong một thời gian nhất định, dữ liệu mang theo thời gian kí hiệu càng nhỏ càng tốt, điều này đặt ra những thách thức cho các nhà phát triển, họ phải đối mặt với các hiệu ứng kênh và sự phức tạp của phần cứng Nếu tất cả băng thông được sử dụng như nguồn tài nguyên duy nhất, thời gian kí hiệu nên được giữ ở mức thấp để đóng gói dữ liệu nhanh hơn trong một đơn vị thời gian Tuy nhiên, nếu các nguồn tài nguyên lớn trong cùng một băng thông được chia thành các nguồn tài nguyên nhỏ, sau đó số lượng lớn các luồng dữ liệu đến được gửi lên nhiều luồng nhỏ đồng thời trong một thời gian dài hơn, tương tự như một luồng nước lớn

đi qua một vòi nước được chia thành nhiều luồng nhỏ tại đầu ra Chương trình điều chế đạt được điều này được gọi là kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Trong kỹ thuật OFDM, dữ liệu được gửi qua luồng nhỏ của tần số trực giao (không nhiễu) được gọi là sóng mang con Kỹ thuật điều chế OFDM, chia dòng dữ liệu tốc độ cao trong số các dòng dữ liệu tốc độ thấp, làm tăng thời gian kí hiệu Phân chia tài nguyên tần số có sẵn thành các tần số trực giao cũng cải thiện hiệu quả phổ tần

Cả LTE và WiMAX đều sử dụng OFDM làm kỹ thuật điều chế trong lớp vật lý của họ Chương này thảo luận về kỹ thuật điều chế OFDM với sơ đồ giải thích về khối máy phát và máy thu cơ bản cùng các chi tiết có liên quan Chương này cũng thảo luận về các tín hiệu được sử dụng cho thời gian và đồng bộ tần số giữa các thiết bị của người dùng và nhà trạm Đồng bộ hóa là cần thiết cho một hệ thống OFDM đa người dùng để làm việc hiệu quả Trong một hệ thống thông tin di động, thời gian sẵn có và các nguồn tài nguyên tần số được chia thành những phần nhỏ hơn và chia sẻ giữa nhiều người sử dụng hoạt động đồng thời Đối với cấu hình nhiều người dùng cùng làm việc, thời gian chặt chẽ và đồng bộ hóa tần số rất cần thiết giữa người sử dụng kết nối với các trạm gốc Thông tin thời gian này thường được truyền bởi trạm gốc như một tài liệu tham khảo được sử dụng để giúp các thiết bị của người sử dụng đồng bộ hóa với thời gian của trạm gốc và tần số Đồng bộ hóa được thực hiện bằng việc truyền và nhận của chuỗi đặc biệt được biết đến: chuỗi Zadoff-Chu (ZC) Tính chất đồng bộ hóa theo thời gian tốt nhất của

chuỗi ZC gây nên một chuỗi các sự lựa chọn cho mục đích đồng bộ trong cả LTE và WiMAX Chương này cũng thảo luận về chuỗi Zadoff-Chu và tính chất của chúng Chúng ta bắt đầu với OFDM và thảo luận về OFDMA, SC-FDMA và cuối cùng là thảo luận về trình tự ZC.

1.2 Điều chế phân chia theo tần số trực giao( OFDM )

OFDM là kĩ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế

để truyền 1 dòng dữ liệu tốc độ thấp Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải Đặc điểm cơ bản của truyền OFDM là:

• Sử dụng một lượng tương đối lớn các sóng mang con băng hẹp Truyền OFDM sử dụng vài trăm sóng mang con được truyền trên cùng một liên kết vô tuyến đến cùng một máy thu

• Dạng xung hình chữ nhật đơn giản Nó đáp ứng phổ dạng sinc-square ở mỗi sóng mang

• Những sóng mang con được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con ∆f Khoảng cách sóng mang con bằng tốc độ điều chế trên mỗi sóng mang con

Hình 1.1.Sắp xếp các sóng mang con của tín hiệu OFDM

1.2.1 Nguyên tắc làm việc của OFDM

Hệ thống điều chế OFDM được tạo ra từ một máy phát và thu như trong các hệ thống điều chế khác Về cơ bản, hệ thống này bao gồm 4 giai đoạn chính: (i) tách luồng

dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song, (ii) tạo kí hiệu, (iii) chuyển đổi dữ liệu trong miền thời gian và (ix) chuyển đổi các luồng dữ liệu song song trở lại một lần nữa thành tín hiệu kĩ thuật số trong miền thời gian cung cấp cho hệ thống truyền tải

1.2.1.1 Bộ phát OFDM.

a Bộ chuyển đổi nối tiếp- song song (S-P).

Qua bộ biến đổi nối tiếp- song song, P ký hiệu điều chế trên được chuyển thành P luồng song song với độ dài TFFT (độ dài hiệu dụng của mỗi ký hiệu OFDM) Mỗi ký hiệu

điều chế Xi ở đầu ra bộ S-P có giá trị phức thể hiện phổ rời rạc của sóng mang con thứ i trong tổng số N sóng mang con của hệ thống

b Khối ánh xạ sóng mang con.

Các sóng mang con được điều chế (X 0 , X 1 , X 2 , , X P-1 )khi đi qua khối ánh xạ sóng

mang con sẽ được kết hợp với (N-P) sóng mang con rỗng (bằng 0) để tạo nên tập giá trị phức {Xi} ) và đưa lên N đầu vào của bộ IFFT

c Bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT).

- IFFT cho ra N sóng mang con trong miền thời gian {Xi} Các

sóng mang con trong miền thời gian này được thể hiện ở các mẫu rời rạc, với tần số lấy mẫu: trong đó ∆f là khoảng cách giữa các sóng mang con.

- N sóng mang con tại đầu ra của IFFT được biểu diễn ở dạng các mẫu rời rạc, sóng mang con thứ i tại thời điểm k trong miền thời gian được xác định như sau:

- k: là một số nguyên nằm trong khoảng từ (-∞, +∞), ký hiệu cho sóng mang con

thứ i của ký hiệu OFDM thứ k tương ứng;

- X giá trị phức của tín hiệu được điều chế thông thường thứ i tại thời điểm k;

- m là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu, với thời gian lấy mẫu

- Như vậy, với tín hiệu phát trong miền tần số tại đầu vào bộ IFFT biểu diễn như sau:

Với: - là phép chuyển vị;

- P là số ký hiệu điều chế đươc đưa vào;

- Số số “0” = N-P (tương ứng với các sóng mang rỗng được thêm vào)

Tín hiệu tại đầu ra của bộ IFFT (trong miền thời gian) nhận được bằng cách nhân tín hiệu đầu vào IFFT (trong miền tần số) với ma trận sau:

Hàng của ma trận trên thể hiện các sóng mang con tại thời điểm lấy mẫu m

d.Bộ biến đổi song song- nối tiếp (P-S).

Tín hiệu đầu ra bộ biến đổi song song thành nối tiếp (trong miền thời gian) tại thời điểm k được xác định như sau:

do các sóng mang con tương ứng với i = là các sóng mang rỗng (bằng “0”)

e Bộ chèn CP (Cyclic Prefix).

Bộ chèn CP thực hiện chèn V mẫu (có độ dài TCP) của ký hiệu OFDM vào đầu ký hiệu này để được độ dài ký hiệu bằng:

T=TFFT + TCP

Với: - TFFT là độ dài hiệu dụng của ký hiệu OFDM;

- TCP là khoảng bảo vệ để chống nhiễu xuyên ký hiệu ISI do phadinh đa đường;

V mẫu được chèn là V mẫu được sao chép từ các mẫu cuối cùng của tín hiệu xk Thông thường TCP được chọn bằng thời gian chênh lệch trễ cực đại (giữa trễ của đường đến muộn nhất với trễ của đường đến sớm nhất), lúc này m trong phương trình ma trận trên sẽ

là m = 0, 1, , N-1, , N+V-1, tổng số mẫu đầu ra bộ CP sẽ bằng (N+V) mẫu

Hình 1.2 Tín hiệu sau khi chèn tiền tố vòng CP trong miền thời gian và miền tần số.

Thời gian bảo vệ thu được bằng cách chèn tiền tố Cyclic (CP) vào lúc bắt đầu ký

hiệu xk CP giúp chuyển đổi tuyến tính vào một chu kỳ và giảm cân bằng phức CP

được tạo ra bằng cách sao chép các mẫu G cuối cùng của đầu ra IFFT và gắn chúng vào

đầu của xk Để tránh ISI hoàn toàn, chiều dài CP G phải được lựa chọn để lâu hơn trễ

kênh

f Bộ biến đổi sang tương tự DAC.

Tín hiệu sau khi qua DAC cho đầu ra là tín hiệu tương tự có dạng:

Hay:

1.2.1.2 Máy thu OFDM

a.Tín hiệu đầu vào máy thu.

Tín hiệu đầu vào có dạng: y(t) = x(t)⊗h(t) + �(t)

Với: - h(t) là độ lợi kênh;

-�(t) là tạp âm Gauss trắng cộng AWGN;

- ⊗ là tích chập

b Bộ biến đổi tương tự sang số (ADC).

Bộ ADC sẽ biến đổi y(t) sang tín hiệu số

Với: xm là ký hiệu cho mẫu thức m của tín hiệu OFDM trong miền thời gian

Nếu không xét tạp âm, tín hiệu đầu ra của kênh sẽ là với h là vectơ có độ dài (v+1) biểu thị đáp ứng kênh xung kim trong thời gian ký hiệu OFDM

Ta có thể biểu diễn tín hiệu ra ở dạng ma trận quay vòng như sau:

�Các mẫu CP Chuỗi gốc

= Xh + �

Sau bộ loại bỏ CP, V mẫu của CP bị loại bỏ và N mẫu còn lại là các mẫu của tín hiệu gốc

d Bộ biến đổi nối tiếp sang song song (S-P)

Bộ S-P cho ra N luồng song song ứng với N sóng mang con của tín hiệu thu được trong miền thời gian {y’1(m)}(i= 0,1, , N-1) ở dạng các mẫu rời rạc Các sóng mang này được đưa lên bộ biến đổi FFT để chuyển đổi từ miền thời gian vào miền tần số

e Khối biến đối Fourier nhanh FFT.

Sau FFT máy thu lấy ra P sóng mang con cần thu trong miền tần số mỗi sóng mang con được xác định như sau:

Với:

- i = ;

- k: là một số nguyên nằm trong khoảng từ (-∞, +∞), ký hiệu cho sóng mang con thứ i của

ký hiệu OFDM thứ k tương ứng;

- ký hiệu cho mẫu m trong miền thời gian của ký hiệu điều chế thông thường thứ

i trong khối P ký hiệu được phát tại đầu ra của kênh k;

- là giá trị phức của tín hiệu thu trong miền tần số trong kênh k;

- m = là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu trong miền thời gian với thời gian lấy mẫu

1.2.2 OFDMA trong LTE và WiMAX

Trong LTE và WiMAX, để hỗ trợ đồng thời nhiều người sử dụng, băng thông có sẵn được chia trong miền thời gian và tần số để tạo thành các khối nhỏ hơn Mỗi khối hoặc một nhóm các khối được giao cho người sử dụng tùy thuộc vào điều kiện kênh và các thông số khác Các khối được điều chế bằng cách sử dụng đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA)

Trong phổ tần sẵn có, OFDMA được chia thành số các sóng mang con trực giao

với khoảng cách ∆f (∆f = 15 KHz và 10,94 KHz cho LTE và WiMAX) Số thứ tự sau khi sửa chữa của các sóng mang con được nhóm lại với nhau tạo thành một khối tài nguyên (12 và 18 sóng mang con trong LTE và WiMAX) RB sau đó được xác định cho số lượng các ký hiệu OFDM trong thời gian (5 - 14 ký hiệu) tùy thuộc vào cấu hình hệ thống Sau

đó, RBS được nhóm vào khung 10ms trong trường hợp của LTE và 5ms trong trường hợp của WiMAX Trạm gốc điều khiển chính của RB gán một hoặc nhiều đơn vị của nó đến người dùng để truyền dữ liệu Sự hiển thị vật lý của các sóng mang con OFDMA và hân bổ thời gian cho người sử dụng khác nhau được biểu diễn trong hình 1.4

Hình 1.4.Thời gian và phân bổ tài nguyên tần số cho người sử dụng trong OFDMA.

OFDMA có nhiều lợi thế hơn các kỹ thuật khác:

• Hiệu quả quang phổ tốt nhất

• Cân bằng kênh được thực hiện có sự phức tạp thấp hơn trong miền tần số

• Nhiễu liên kí hiệu có thể được giảm thiểu bằng cách điều chỉnh tiền tố Cyclic

• Pha đinh phẳng do nhỏ hơn khoảng cách tần số trực giao của sóng mang con

Những lợi thế trên làm cho OFDM được lựa chọn để điều chế cho công nghệ 4G Tuy nhiên, OFDM cũng có một số nhược điểm cần quan Một trong những hạn chế lớn của OFDM là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) Khi tất cả các sóng

mang con được điều chế và thêm vào với nhau, biên độ có thể vượt rất cao so với giá trị biên độ trung bình của tín hiệu miền thời gian Điều này có thể ảnh hưởng đến việc thiết

kế bộ khuếch đại công suất và chi phí được sử dụng trong phần sau của máy phát

1.3 Nhược điểm của kĩ thuật OFDM.

Trong phần trước, những ưu điểm của OFDM đã được đưa ra Ngược lại, phần này làm nổi bật những nhược điểm chính của OFDM

• ODFM nhạy cảm với thời gian và độ lệch tần số trong phát và thu

• Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao và ảnh hưởng đến bộ khuếch đại công suất trong các giai đoạn sau của máy phát

• Cần đồng bộ hóa đối với tất cả các giao tiếp trong miền thời gian

Đối với hệ thống OFDM, để duy trì trực giao giữa sóng mang con, thời gian, và tần số thì đồng bộ hóa là cần thiết Nếu hệ thống mất đi đồng bộ hóa, tính trực giao của các sóng mang con bị ảnh hưởng và nhiễu liên kí hiệu tăng lên, lần lượt giảm thông qua

hệ thống Vấn đề đồng bộ thời gian và tần số có thể được giảm thiểu bằng cách đồng bộ hóa định kỳ giữa máy phát và thu Tuy nhiên tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao ảnh hưởng đến việc thiết kế và chi phí của bộ khuếch đại công suất, nhu cầu truyền tải điện năng nhiều hơn để hoạt động

1.3.1 Vấn đề PAPR với kỹ thuật OFDM.

Ký hiệu trong miền thời gian OFDM như một dạng xung Gaussian Do đó, sự biến đổi biên độ của tín hiệu điều chế OFDM rất cao với xác suất thấp hơn so với giá trị lí thuyết cao có thể xảy ra của biên độ Biên độ có giá trị cao là kết quả của việc bổ sung các giai đoạn của các sóng mang con với nhau Với những thay đổi để phù hợp trong giai đoạn của khuếch đại công suất, công suất khuếch đại cần có phạm vi tuyến tính lớn mà theo đó, có thể khuếch đại giá trị cao nhất của đỉnh biên độ và giá trị biên độ trung bình

Tuy nhiên, bộ khuếch đại công suất thực tế (PAS) của máy phát RF tuyến tính chỉ trong một phạm vi giới hạn Như vậy, tín hiệu OFDM có khả năng bị từ phi tuyến tính gây biến dạng gây ra bởi sự cắt xén Điều này dẫn dến các phát xạ băng tần giả và sự sai lệch băng tần của các tín hiệu Về toán học, PAPR có thể được định nghĩa là bình phương của biên độ đỉnh chia bởi công suất trung bình

[ ] [ ]

2 2

Trong đó: x [n] là tín hiệu trong miền thời gian ở đầu ra của IFFT trong hệ thống OFDM

Để tránh méo do quá trình khuếch đại, nhiều giải pháp được đưa ra để giảm thiểu các vấn

đề được liệt kê trong phần tiếp theo

1.3.2 Kỹ thuật giảm PAPR

PAs phải hoạt động với công suất lớn, dẫn đến khuếch đại không hiệu quả hoặc gây tốn kém máy phát Có một số kỹ thuật khác để giảm PAPR trong đó bao gồm mã hóa, cắt và lọc Trong đó mã hóa được sử dụng chủ yếu vì giảm PAPR tốt nhất và thuộc tính sửa lỗi phía trước các mã được sử dụng Trạm gốc có thể hoạt động với công suất cao hơn, có thể xử lý các vấn đề PAPR của OFDMA bằng cách cung cấp năng lượng lớn cho PAs với chi phí tăng lên

Vấn đề giảm thiểu PAPR bằng kỹ thuật điều chế được gọi là đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA), tín hiệu được truyền trước khi nó đến giai đoạn IFFT, giúp giảm biên độ đỉnh tại đầu ra của giai đoạn IFFT trong miền thời gian Đồng thời có thể giảm bớt gánh nặng tốn kém và tiêu thụ điện năng trên PAs trong các giai đoạn sau LTE sử dụng SC-FDMA ở đường lên để tiết kiệm pin cho các thiết bị người dùng

1.4 Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA).

Trong các ứng dụng thông tin di động, OFDMA có ưu điểm rất lớn về khả năng đề kháng đối với ảnh hưởng của truyền tín hiệu đa đường Khả năng đề kháng này đạt được nhờ việc hệ thống OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao với mỗi sóng mang con hoạt động tại tốc độ bít chỉ bằng 1/N tốc độ bít của thông tin cần truyền Tuy nhiên dạng sóng OFDM thể hiện sự thăng giáng đường bao rất lớn dẫn đến PAPR cao Tín hiệu với PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất có tín tuyến tính cao để tránh làm méo tín hiệu Để đạt được mức độ tuyến tính này, bộ khuếch đại phải làm việc ở chế độ công tác với độ lùi so với điểm bão hòa cao Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng công suất (tỷ số công suất phát với công suất tiêu thụ một chiều) thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với các thiết bị cầm tay Một vấn đề khác gặp phải ở OFDMA trong các hệ thống thông tin di động là cần dịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời Dịch tần phá hỏng tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu

đa truy nhập MAI

Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM với tên gọi là SC-FDMA và áp dụng cho LTE

1.4.1 Cấu trúc bộ phát SC-FDMA.

Cấu trúc của máy phát SC-FDMA tương tự như với máy phát OFDMA, ngoại trừ

một sự thay đổi Các thế hệ của tín hiệu SC-FDMA sử dụng chuyển đổi Fourier rời rạc (DFT) để truyền tín hiệu trước khi được đưa đến giai đoạn IFFT Bước đầu tiên của máy phát là chuyển đổi các bit nối tiếp thành các khối các bit song song để điều chế chúng trong ký hiệu M Bước quan trọng tiếp theo, ký hiệu M được điều chế sau đó được thông qua khối DFT M điểm nơi nó truyền các tín hiệu Những tín hiệu M không được độn để cho phù hợp có thể được độn thêm Đầu vào IFFT có N điểm Lưu ý rằng M <N Có hai loại cấu hình.

Trong chương trình phát SC-FDMA nội vùng, đầu ra của M điểm DFT được ánh

xạ tới các yếu tố đầu vào lân cận của N điểm DFT (N-M) sóng mang con được ánh xạ

đến số không Khi số không được gắn trên đầu ra DFT, tín hiệu này được đưa vào đầu vào IFFT, đầu ra IFFT là phiên bản nội suy của các ký hiệu M ban đầu được điều chế như đầu vào của DFT

Đây là loại truyền tải nội vùng hóa được sử dụng khi kênh phẳng trong khu vực M sóng mang con Sóng mang con liền kề được giao cho một người dùng duy nhất để hưởng lợi từ biến dạng kênh thấp Nhưng đôi khi các kênh có thể không được bằng phẳng trên tần số lân cận Vì vậy, để giảm thiểu tác động biến dạng gây ra bởi kênh trên ký hiệu lan truyền DFT, M đầu ra được ánh xạ tới các sóng mang con phân phối tại khối N điểm IFFT Loại ánh xạ lân cận này được thảo luận trong phần tiếp theo LTE, lược đồ truyền tải nội vùng hóa được sử dụng trong SC-FDMA đường lên từ người dùng đến trạm gốc

1.4.1.2 Phát phân bố.

Trong chương trình phát SC-FDMA này, đầu ra của M điểm DFT là ánh xạ đồng

đều cho các sóng mang con phân phối tại N điểm IFFT và phần còn lại của sóng mang

con (N-M) được ánh xạ tới số không tức là các sóng mang con được ánh xạ rỗng không được điều chế Chương trình này rất hữu ích khi băng thông kênh gắn kết đang thấp hơn

so với M Việc lập ánh xạ phân bổ sóng mang con cách đều nhau , gọi là mỗi sóng mang con thứ j Sau đó (j-1) số không được lắp vào giữa mỗi cặp đầu ra của DFT Ánh xạ này

và sơ đồ khối tổng thể của SC-FDMA được hiển thị trong hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ khối phát SC-FDMA với chế độ phát nội vùng hoặc ánh xạ truyền phân tán

1.4.2 Cấu trúc máy thu SC-FDMA

Máy thu SC-FDMA tương tự như máy thu OFDMA với bổ sung của khối chống lan truyền IDFT tại đầu ra của khối IFFT để hoàn tác các quy trình truyền Như trong hình 1.6, tín hiệu nhận được qua giai đoạn RF Sau đó, CP được loại bỏ để giảm nhiễu đa đường Nhiễu đa đường này sau đó được thông qua tín hiệu FFT trong miền thời gian chuyển đổi thành tín hiệu trong miền tần số Giải ánh xạ sóng mang con theo chương trình nội vùng hoặc phân bố được sử dụng bởi máy phát thực hiện ở giai đoạn giải ánh xạ sóng mang con Sau đó, chống lan truyền tín hiệu bằng cách sử dụng IDFT để chuyển đổi

dữ liệu trong các ký hiệu và chúng được chuyển đổi thành luồng bit ban đầu bằng cách tách logic Các sơ đồ khối của máy phát và thu được hiển thị dưới đây Ngoài các tín hiệu

ra, nếu tần số và miền thời gian của máy thu SC-FDMA được hiển thị để khoảng cách giữa các sóng mang con của 15KHz và M = 4, trong hình 1.7

Hình 1.6 Sơ đồ khối của máy phát và thu SC-FDMA

Hình 1.7 Tín hiệu SC-FDMA ở miền tần số và miền thời gian cho LTE, với M = 4 và khoảng cách giữa các sóng mang con ∆ f = 15KHz

1.5 Các thông số cho OFDMA và SC-OFDMA TRONG LTE và WiMAX

Do thiết kế nên cả LTE và WIMAX đều sử dụng những tham số hơi khác nhau cho OFDMA OFDMA được sử dụng trong truyền dẫn đường trong cả LTE và WiMAX Tuy nhiên ở đường lên, SC-FDMA được sử dụng trong LTE và OFDMA được sử dụng trong WiMAX Một cuộc thảo luận chi tiết về các thông số lớp vật lý được trình bày

trong chương sau, tuy nhiên để cho các cuộc thảo luận trên đầy đủ, các kỹ thuật điều chế với một số thông số cơ bản được liệt kê cho LTE và WiMAX trong bảng 1.1.

Tương lai 3GPP LTE-Advanced IEEE 802.16m Mobile

WiMAX Chương trình đa truy cập Downlink: OFDMA

Uplink: SC-FDMA

Downlink: OFDMA Uplink: OFDMA

Kích thước khối tài nguyên

vật lý

12 sóng mang con x 14

kí hiệu OFDM / SCFDMA

= 168 yếu tố tài nguyên

18 sóng mang con x 6 OFDM

Kí hiệu = 108 yếu tố tài nguyên

Băng thông khả dụng 600 sóng mang con x

15 kHz (khoảng cách sóng mang) = 9 MHz (Xác suất quang phổ

= 90%)

864 sóng mang con x 10.9375

kHz (khoảng cách sóng mang) = 9.45 MHz

(Xác suất quang phổ = 94.5%)

Các yếu tố tài nguyên khả

dụng mỗi 5ms

42000 yếu tố tài nguyên

44064 yếu tố tài nguyên

1.6 Tín hiệu đồng bộ sử dụng cho LTE và WiMAX

Đồng bộ là bước đầu tiên cho thiết bị của người dùng được thực hiện sau khi cấp nguồn cho khu vực mạng Để cung cấp dịch vụ với số lượng nhiều người dùng đồng thời, lớp vật lý của cả LTE và WiMAX được chia thành các miền thời gian và tần số Để bảo

vệ việc truyền và nhận của người sử dụng trong khối tài nguyên được phân bổ, người sử dụng khác không được truyền trong tài nguyên khác ngoài tài nguyên của họ Đối với việc cấu hình cho nhiều người sử dụng cho công việc, tất cả người sử dụng phải được đồng bộ hóa với một đồng hồ tham chiếu tại các trạm gốc thường xuyên

Ngoài ra để OFDM làm việc hiệu quả thì bù thời gian và tần số phải được giới hạn , đồng bộ hóa thời gian và tần số phải được thực hiện Đối với việc đồng bộ, một tín hiệu đặc biệt với tính chất phát hiện thời gian tốt, tính tương quan chéo và tự tương quan là bắt buộc Tín hiệu như vậy được sáng chế vào năm 1961 bởi S.Zadoff và J.D Chu cho hệ thống liên kết và nhận dạng tín hiệu Sau đó tín hiệu số được sử dụng trong hệ thống thông tin cho mục đích đồng bộ Tín hiệu này sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo

1.7 Chuỗi ZADOOFF-CHU

Chuỗi Zadoff-Chu (ZC) phát triển bởi S.Zadoff và J.D Chu, đáp ứng tính chất không tương tự và biên độ không đổi Constant Amplitude Zero Autocorrelation (CAZAC), làm cho nó trở thành lựa chọn tốt nhất cho các thủ tục đồng bộ hóa trong mạng di động

Chuỗi ZC có biên độ không đổi và biến đổi DFT NZC điểm của nó cũng có biên đội không đổi với giới hạn PAPR và giúp giữ đầu ra trong giới hạn Nó cũng đơn giản hóa việc thực hiện như lưu trữ pha của tín hiệu thu để phát hiện biên độ không đổi Đây

là một tính chất hữu dụng do tính chất PAPR thấp có thể truyền tải từ thiết bị người dùng hoạt động bằng năng lượng của pin

1.8 Chuỗi ZC của LTE và WiMAX

Cả LTE và WiMAX đều sử dụng chuỗi ZC cho các thủ tục khác nhau như đồng bộ hóa và định tầm Định tầm là quá trình mà thời gian uplink và đồng bộ tần số được triển khai Ngoài ra người dùng ở những khoảng cách ngẫu nhiên từ trạm BS, vì vậy khi truyền dữ liệu ở khoảng cách khác nhau, công suất thu tại tại các trạm BS khác nhau do mất tuyến thông qua kênh Mức công suất khác nhau từ số lượng người dùng tại các khoảng cách khác nhau có thể gây nhiễu Vì vậy mức công suất cần được

Hình 1.8 Hàm tự tương quan của Zadoff-Chu và chuỗi PN

Đây là các thông số điều chỉnh nguồn thu được bằng cường độ tín hiệu thu của tín hiệu định tầm truyền bởi thiết bị người dùng Việc này được thực hiện bởi chuỗi

ZC hoặc chuỗi PN trong LTE và WiMax Sử dụng chuỗi ZC trong cả 2 công nghệ sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo

1.8.1 Chuỗi ZC trong LTE

Thông thường trong một hệ thống thông tin, một trạm BS bao gồm 3 cell, và khi công suất người dùng di động tăng trong vùng phủ sóng của BS, quá trình đồng

bộ được bắt đầu Trong cell ID i.e một số được gán cho cell theo 1 BS được thu lại với thời gian và tần số đồng bộ LTE sử dụng chuỗi ZC cho đồng bộ đầu tiên chủ yếu,

3 cell ở BS được giao cho 3 chuỗi ZC được giải mã riêng biệt Người sử dụng có thể nhận biết cell và lấy đồng bộ thời gian từ giá trị tương quan của quá trình phát hiện tín hiệu ZC LTE xác định giá trị gốc 29, 43 và 25 cho chuỗi ZC với độ dài Nzc=64 và gán chúng với các cell khác nhau trong BS

Tín hiệu này được truyền thường xuyên (mỗi 5ms) đề cho phép người dùng đồng bộ hóa định cơ sở định kì LTE cũng sử dụng chuỗi ZC cho mục đích truy cập ngẫu nhiên Trong trường hợp này chuỗi ZC có chiếu dài lớn để phát hiện chúng trong

BS Thiết bị người dùng có thể truyền với năng lượng pin hạn chế và khoảng cách từ

BS Kết quả là tỉ lệ nhiễu trên tín hiệu cho các ctins hiệu khác nhau được truyền tải bởi người sử dụng là rất thấp, cho nên độ dài của chuỗi được tăng lên để tăng năng lượng cho quá trình tương quan

1.8.2 Chuỗi trong WiMAX

WiMAX sử dũng chuỗi ZC cho mục đích định tầm cho mục đích mạng ban đầu và thủ tục chuyển giao Trong WiMAX, trình tự chuỗi gốc được xác định và được nhóm lại với nhau để sử dụng cho các mục đích khác nhau Mỗi nhóm khác nhau có chứ phiên bản dịch vòng của trình tự gốc và được định nghĩa trong nhóm Độ dài 139

và 557 chuỗi được quy định cho các định dạnh khác nhau để sự dụng ban đầu và thủ tục định tầm chuyển giao

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ LONG TERM EVOLUTION (LTE)

2.1Giới thiệu

Thông tin di động có khả năng tương tác rất mạnh mẽ Nó được thực hiện với sự giúp đỡ của âm thanh và các kí hiệu Giọng nói của con người có thể truyền đi với khoảng cách ngắn, vì vậy có nhiều phương pháp liên lạc đường dài đã được phát triển Với sự phát triển của công nghệ, năm 1867, Maxwell đã dự đoán được sự tồn tại của sóng điện từ Năm 1896, Marconi gửi điện báo không dây đầu tiên cho văn phòng điện báo nước Anh Để viễn thông phát triển và chuẩn hóa trên toàn cầu, International Telegraph Union (ITU) (Liên minh Viễn thông quốc tế), được thành lập tại Thụy Sĩ vào năm 1865 Kể từ đó, ITU đã tham gia trong việc phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu từ điện báo cho các hệ thống 4G hiện đại Để phát triển giao diện đáp ứng tiêu chuẩn hệ thống di động thế hệ thứ 3 của ITU, 3rd Generation Partnership Project (3GPP) được thành lập 3GPP là sự hợp tác giữa các nhóm của các hiệp hội viễn thông làm việc trên hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM)

3GPP gần đây giới thiệu hệ thống dựa trên nền IP với OFDMA và MIMO Phiên bản này được gọi là Long Term Evolution (LTE) và được tiếp tục phát triển thông qua phiên bản 10 (2011) để đáp ứng yêu cầu về IMT-Advanced của ITU cho các hệ thống di động 4G LTE có khả năng hỗ trợ lên đến 1Gbps cho người sử dụng cố định và lên đến

100 Mbps cho người sử dụng tốc độ cao Những tiến bộ trong lớp vật lý làm những thành tựu này khả thi, trong chương này chúng ta sẽ thảo luận về cấu trúc lớp vật lý và quy trình Thảo luận trên lớp vật lý LTE bắt đầu với mô tả lớp vật lý nói chung, các quy trình đường lên, đường xuống và các quy trình truy cập ngẫu nhiên

Viện nghiên cứu Điện tử và Kỹ thuật Điện (IEEE) cũng đưa ra mục tiêu công nghệ IEEE 802.16m (WiMAX di động) đủ điều kiện thông số kỹ thuật ITU 4G Trong chương này, sự khác biệt trong lớp vật lý của LTE và WiMAX cũng được thảo luận ở các phần tương ứng để hiểu tốt nhất của các công nghệ này

2.2 Mô tả chung về lớp vật lý của LTE

Lớp vật lý LTE đã được phát triển để đáp ứng yêu cầu hệ thống kỹ thuật 4G Thông số kỹ thuật 4G được hoàn thành bởi ITU là IMT-Advanced IMT-Advanced cung cấp 1 tiêu chuẩn toàn cầu cho sự phát triển của các hệ thống 4G cho phép delay thấp, truy cập dữ liệu tốc độ cao, nhắn tin thống nhất, và đa phương tiện không dây băng thông rộng trong các hình thức của các lớp dịch vụ mới Các hệ thống này cung cấp các dịch vụ thông qua một mạng lưới truy cập dựa trên toàn bộ gói tin Các hệ thống IMT-Advanced

hỗ trợ thấp cho các ứng dụng di động cao và một loạt các tốc độ dữ liệu tỉ lệ thuận với

mô hình sử dụng và mật độ người dùng Danh sách tóm tắt các yêu cầu chính của hệ thống IMT-Advanced như sau:

• Tăng cường tốc độ dữ liệu đỉnh (100Mbit/s cho tính di động cao và 1Gbit/s cho tính di động thấp được thành lập với mục tiêu nghiên cứu) nhằm hỗ trợ các dịch vụ và các ứng dụng tiên tiến

• Kéo dài tuổi thọ pin

• Tối ưu hóa về mặt phổ tần và trang thiết bị

• Làm mượt quá trình chuyển đổi từ hệ thống kế thừa vào hệ thống mới

• Giảm chi phí thiết bị đầu cuối, thiết bị mạng dựa trên nền kinh tế toàn cầu;

• Khả năng chuyển vùng trên toàn thế giới

• Nền tảng lập trình / cấu hình cho phép phát triển nhanh với chi phí thấp

Để đáp ứng các yêu cầu phía trên, 3GPP phát triển một lớp vật lý thông qua kĩ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) ở đường xuống và đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) ở đường lên để cải thiện hiệu quả phổ tần Ngoài ra, LTE sử dụng kỹ thuật đa đầu vào ăng ten đa đầu ra cao cấp (MIMO) để tăng tốc độ dữ liệu bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên vật lý như nhau Những cải tiến trong lớp vật lý giúp LTE đáp ứng các yêu cầu ITU-Advanced Các cấu trúc chi tiết

và quy trình làm việc sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo bắt đầu với cấu trúc khung lớp vật lý

2.3 Cấu trúc khung của lớp vật lý

Cấu trúc khung lớp vật lý LTE kết hợp linh hoạt để hỗ trợ các tỷ lệ dữ liệu khác nhau và tình huống băng thông khác nhau nhờ thiết kế Băng thông 1.25 MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20 MHz và dải tần số khác nhau, từ 700 MHz đến 3,4 GHz được hỗ trợ Lớp vật lý LTE được xây dựng bằng cách sử dụng các khối thời gian nhỏ và nguồn tài nguyên tần số được gọi là khối tài nguyên Khái niệm mới về khối tài nguyên giới thiệu trong lớp vật lý LTE được thảo luận dưới đây

2.4 Khái niệm khối tài nguyên

Tài nguyên thời gian và tần số của băng thông có sẵn được chia thành các khối nhỏ để hỗ trợ cấu hình đa người dùng và cải thiện hiệu suất tổng thể hệ thống Như đường xuống LTE (DL) sử dụng OFDMA và đường lên (UL) hỗ trợ SC-OFDMA, băng thông có sẵn được chia thành số lượng tần số trực giao với khoảng cách ∆f = 15KHz gọi

là sóng mang con Khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz giúp giữ nhiễu liên sóng mang (ICI) xuống mức thấp thậm chí cả điện thoại di động đang chuyển động với

tốc độ cao và gây ra sự dịch chuyển Doppler cao trong tần số.

2.4.1 Khối tài nguyên LTE

Thời gian có sẵn được chia vào ký hiệu OFDM 66,63µs Khối tài nguyên (RB) hoặc khung phụ được hình thành với chiều dài 1ms bằng cách sử dụng 12 sóng mang con

và 12 hoặc 14 ký hiệu OFDM (tùy thuộc vào) chiều dài tiền tố Cyclic (CP) Hơn nữa RB được chia vào hai khe 0,5ms, mỗi khe có chứa 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM trên 12 sóng mang con Độ chi tiết về thời gian và các nguồn tài nguyên tần số như vậy giúp mạng lưới gán một hoặc nhiều RBS để người dùng khác nhau hoạt động đồng thời phụ thuộc vào các điều kiện kênh và các yếu tố khác Những khối cấu trúc được nhóm lại với nhau

để hình thành tài nguyên vô tuyến Nguồn tài nguyên vô tuyến được xây dựng với 10 RBS có chiều dài 10ms trên 12 sóng mang con Sắp xếp của khung vô tuyến này được thể hiện trong hình 2.1

2.4.2Khoảng cách giữa các sóng mang con của LTE và WiMAX

Trong WiMAX khoảng cách sóng mang con ∆f = 10.94KHz nhỏ hơn so với LTE,

và phù hợp thời gian ký hiệu OFDM, 91,429µs đã được sử dụng Nhiễu giữa các nhà cung cấp (ICI) thấp hơn nếu khoảng cách giữa các sóng mang con cho người dùng di động, vì lý do này LTE đòi hỏi tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cho cùng một tỷ lệ lỗi bit

so với WiMAX

Hình 2.1 Cấu trúc khung vô tuyến trong hệ thống LTE với 72 sóng mang con

với ∆ f = 15KHz.

2.5 Chế độ truyền song công trên LTE

Các thông tin trong hệ thống thông tin di động chủ yếu là thời gian thực bằng giọng nói được truyền trên cả hai chiều giữa người sử dụng cùng một lúc Ngoài ra các thông tin thời gian không thực như dữ liệu email, chuyển tập tin hoặc nội dung internet cũng được truyền theo cả hai hướng Những thông tin hai chiều có thể được chia sẻ với chương trình song công Chủ yếu là hai chương trình song công có sẵn, Time Division Duplexing - ghép song công phân chia theo thời gian (TDD) và Frequency Division Duplexing - ghép song công phân chia theo tần số (FDD)

Trong TDD toàn bộ tài nguyên tần số được sử dụng (băng thông) để thực hiện hai cách thông tin liên lạc với nguồn tài nguyên thời gian chia theo hai hướng, đường lên và đường xuống Trong khi đó trong FDD, băng thông có sẵn được phân chia

thành hai băng tần nhỏ (cặp băng), 1 cho đường lên và 1 cho đường xuống Cấu trúc khung cho hệ thống FDD là một khung vô tuyến khác sau khi sắp xếp trong mỗi băng tần Trong TDD, khung vô tuyến được chia thành hai phần, một cho đường lên và một

để truyền dữ liệu đường xuống Trong TDD, các nhóm khung phụ 1ms được sử dụng

để truyền dữ liệu đường lên và đường xuống Các thông số của khung phụ trong một nhóm rất đa dạng theo cấu hình hệ thống Sắp xếp cấu trúc khung TDD này được thảo luận trong phần dưới đây

2.6 Cấu trúc khung TDD trong LTE

Trong TDD, tài nguyên thời gian được ghép để truyền dữ liệu trong hướng uplink và downlink Ghép kênh thời gian cần chuyển đổi các nguồn tài nguyên và mạch để truyền dữ liệu downlink và uplink Chuyển đổi này có thời gian hữu hạn nhỏ trong đó không có dữ liệu nào được chuyển giao trong hai hướng Đối với thời gian

để chứa một khung đặc biệt được quy định trong khung vô tuyến TDD Hơn nữa, tín hiệu không dây cũng mất một thời gian để đi trong không trung và đạt đến đích Thời gian này như trễ truyền

2.7 Khung phụ đặc biệt trong TDD

Người dùng được đặt ở những khoảng cách ngẫu nhiên từ các trạm gốc được gọi là trạm tiến hóa cơ sở (eNodeB) Do đó các tín hiệu từ thiết bị người dùng (UE) đến trạm gốc (eNodeB) bị trì hoãn tỷ lệ thuận với khoảng cách do trễ truyền của họ

Để duy trì trực giao giữa các UE, tín hiệu từ các UE tiếp cận eNodeB tại thời điểm được giao Điều này xảy ra trước thời gian truyền tín hiệu tại UE theo chỉ dẫn của eNodeB Nghĩa là, eNodeB tính toán thời gian mà UE thúc đẩy cho truyền tải bằng cách sử dụng thời gian đến của dao động tín hiệu nhận được từ UE eNodeB sau đó liên lạc bằng cách sử dụng kênh điều khiển UE truyền dữ liệu trước thời gian theo chỉ dẫn của eNodeB phù hợp với thời gian tham chiếu Vấn đề này được minh họa trong hình 2.2 Hai trường hợp được xem xét,

• Đầu tiên: UE đi từ các eNodeB

• Thứ hai: UE gần eNodeB vì vậy không có trễ truyền

Hình 2.2 Khung phụ đặc biệt chèn trong TDD LTE giữa truyền dẫn downlink và uplink

Khung đặc biệt hướng trễ truyền theo cả hai hướng (Uplink và Downlink) Trễ truyền tối đa phụ thuộc vào vị trí của UE và truyền tải tiếp nhận thời gian chuyển mạch cũng được hiển thị trong hình 2.3

2.8 Cấu hình TDD trong LTE

Khung vô tuyến chiều dài 10ms trong TDD mang theo đường xuống, dữ liệu đường lên và khung con như trong hình 2.2 Tùy thuộc vào số lượng chuyển đổi đặc biệt giữa các quá trình chuyển đổi đường xuống và đường lên khung được chia vào hai cấu hình:

Hình 2.3 Cấu hình đường lên đường xuống của chu kỳ 5ms và 10ms trong TDD LTE.

• Mỗi quá trình chuyển đổi 5ms giữa đường xuống và đường lên

• Mỗi quá trình chuyển đổi 10ms giữa đường xuống và đường lên

Có tổng số 7 cấu hình được định nghĩa trong TDD LTE để hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống đường lên khác nhau, và các ứng dụng khác nhau như VoIP, truyền

dữ liệu thời gian thực và truyền dữ liệu thời gian không thực Các cấu hình được hiển thị trong hình 2.3

Trong LTE, thời gian chuyển đổi LTE linh hoạt và có thể được gia hạn 1, 2 hoặc 3 ký hiệu OFDM Trong khi ở WiMAX được cố định đến 82µs hoặc 60µs Sự linh hoạt trong LTE làm tăng thông lượng phải trả của những chi phí không đáng kể Trong WiMAX, chiều dài điểm chuyển mạch được cố định, chi phí không cần thiết để truyền bằng chiều dài của khoảng cách chuyển đổi

2.9 Quy trình truyền tải tín hiệu chung

Tín hiệu khi truyền di chuyển thông qua các kênh ở giữa chúng và đạt đến đích Trong quá trình này, một số lỗi phát sinh và các dữ liệu nhận được có thể không chính xác ở quá trình tiếp nhận Để khắc phục vấn đề này, quy trình phát tín hiệu LTE sử dụng

mã hóa Turbo, mã hóa xoắn Tail-Biting, mã hóa khối và mã hóa lặp với tỷ lệ mã hóa

khác nhau từ 1/3 đến 1/16 cho các kênh vật lý khác nhau Vì có nhiều người sử dụng các

hệ thống đồng thời, bảo mật dữ liệu và kênh điều khiển cho dữ liệu của họ và kênh điều khiển được duy trì với sự giúp đỡ của quá trình đan xen Ngoài ra các dữ liệu khác nhau

và kênh điều khiển cụ thể cho các eNodeB được trộn lẫn bằng cách sử dụng các mã cụ thể eNodeB Các tín hiệu trong LTE được hiển thị trong hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ khối quy trình phát tín hiệu lớp vật lý LTE

2.10 Quy trình đồng bộ hóa Cell

Trong trường hợp mạng LTE, eNodeB là nguồn điều khiển truy cập cho UE

Do đó, UE cần phải điều chỉnh tần số và thời gian của mình theo các eNodeB, được thực hiện với sự giúp đỡ của chuỗi đặc biệt ZC có đặc tính đồng bộ hóa thời gian tốt eNodeB truyền những chuỗi này định kỳ để tất cả các UE có thể đồng bộ hóa với tư liệu tham chiếu cho phù hợp Có ba yêu cầu đồng bộ hóa trong LTE: thời gian tiếp nhận ký hiệu lại bắt đầu khi ký hiệu được xác định đúng, đồng bộ hóa tần số sóng mang giảm nhẹ ảnh hưởng của lỗi tần số do hiệu ứng Doppler và các lỗi từ điện tử, đồng bộ hóa đồng hồ lấy mẫu Điều này đạt được bởi hai loại chuỗi gọi là chuỗi đồng

bộ hóa sơ cấp (PSS) và chuỗi đồng bộ hóa thứ cấp (SSS)

2.10.1Chuỗi đồng bộ hóa sơ cấp và thứ cấp

Tín hiệu đồng bộ hóa PSS và SSS được sử dụng trong quá trình tìm kiếm cell, nơi khe thời gian bắt đầu, bù đắp tần số và lớp vật lý ID đạt được sau khi phát hiện PSS Trong khi đó, phát hiện SSS cho khung vô tuyến thời gian, tế bào ID, chiều dài tiền tố Cyclic và cấu hình hệ thống khung TDD / FDD Chuỗi PSS với chiều dài chuỗi 64ZC có đặc tính đồng bộ hóa tốt nhất và chuỗi SSS này có chiều dài M cũng có tính