Nghiên ứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống mimo ofdm ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4g 5g

79 Trang 9 DANH SÁCH CÁC KÍ HI U, CÁC T ỆỪVIẾT TẮT BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân BD Block Diagonalization BS Base Staion Trạm gốc

HVTH: Nguy ễn Văn Khuyế n 1

B GIÁO D Ộ ỤC VÀ ĐÀO TẠ O

TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

- NGUY ỄN VĂN KHUYẾ N

Nghiên c ứ u các k thu t ti n mã hóa cho ỹ ậ ề

h ệ thố ng MIMO-OFDM ng d ng cho các ứ ụ

m ng thông tin th h - ạ ế ệ 4G 5G

Chuyên ngành: K THU Ỹ Ậ T VIỄ N THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THU T Ậ

K THU Ỹ Ậ T VIỄ N THÔNG

NGƯỜI HƯỚ NG D N KHOA H C: Ẫ Ọ

TS NGUY N QU Ễ ỐC KHƯƠNG

LỜI NÓI ĐẦU

n nay, nhu c u thông tin c i là c c k l n và di n ra m i lúc

mọi nơi Các thiế ị di đột b ng không dây tốc độ cao, băng rộng ngày càng ph biổ ến

v i s ớ ố lượng thuê bao r t lấ ớn và ngày càng tăng Do đó, yêu cầu đặt ra cho h ệthống

vi n thông ngày ễ càng cao, đòi hỏ ệi h thống ph i cung c p các d ch v có chả ấ ị ụ ất lượng

tốt và tố ộc đ cao Điển hình là công ngh m ng 4G và s p t i là công ngh m ng ệ ạ ắ ớ ệ ạ thế

h ệthứ 5 s ẽ được ứng d ng r ng rãi thì yêu c u càng cao v h ụ ộ ầ ề ệthống cung c p dấ ịch

v m ng trong th c tụ ạ ự ế Để đáp ứng các yêu c u v ầ ề băng rộng, tính di động cao của các d ch v cung cị ụ ấp cho người dùng, k ỹthuật truy n dề ẫn đa truy cập phân chia theo

t n s ầ ốtrực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truy n d n g m nhi u ề ẫ ồ ề ăng-ten phát và thu (MIMO) đã được ch n làm gi i pháp truy n d n chính c a mọ ả ề ẫ ủ ạng băng rộng hi n ệnay Tuy nhiên, v i s ớ ố lượng thuê bao l n thì hi u qu c a h ớ ệ ả ủ ệthống MIMO-OFDM

ph ụthuộc nhiều vào độ chính xác c a thông tin tr ng thái kênh truy n và b suy giủ ạ ề ị ảm

rất nhiều do ảnh hưởng của nhiễu giao thoa liên thuê bao

c nh ng ch v ng, t ra, h ng

MIMO-Để đạt đượ ữ ỉ tiêu ề chất lượ ốc độ đề ệ thố

OFDM không ng ng b sung các k thu t h ừ ổ ỹ ậ ỗtrợ M t trong s ộ ố các phương pháp đưa

ra là kỹ thuậ ềt ti n mã hóa V i kớ ỹ thu t này, h ậ ệthống s ẽtiết kiệm được băng tần, thời gian, tăng hiệu su t t n s và lo i b ấ ầ ố ạ ỏ được thành ph n nhi u giao thoa liên thuê bao ầ ễ

T nhừ ững ưu điểm c a k ủ ỹthuậ ềt ti n mã hóa, cùng v i mong mu n tìm hi u k ớ ố ể ỹhơn về ỹ k thu t này, em chậ ọn đề tài nghiên c u cho luứ ận văn ố t t nghiệp là: “Nghiên

c u các k thu t ti n mã hóa cho h ứ ỹ ậ ề ệ thống MIMO-OFDM ng dứ ụng cho các thông tin th h 4G-ế ệ 5G”

làm b n Luận văn được chia ố chương chính sau:

Chương 1: G ới i thi u t ng quan v m ng 4G-5G ệ ổ ề ạ

Chương 2: H th ng MIMO-OFDM ệ ố

Chương 3: K thu t ti n mã hóa trong h th ng ỹ ậ ề ệ ố MIMO OFDM

-Chương 4: Mô phỏng và đánh giá k thu t ti n mã hóa trong h ỹ ậ ề ệthống OFDM

Luậ văn sẽ đi sâu phân tích vấn đề liên quan đế ỹthuậ ề

MIMO-OFDM và mô ph ng b ng ph n m m matlab ỏ ằ ầ ề để thấy rõ hơn ảnh hưởng của

tiền mã hóa trong h ốệth ng MIMO-OFDM Tuy không phải là đề tài quá mới, nhưng

tại Việt Nam lĩnh vực này v n còn nhiẫ ều cơ hội và thách thức

Dướ ự hưới s ng d n t n tình c a ẫ ậ ủ Thầy giáo Nguy n TS ễ Quốc Khương, Th y ầ đã

t n tình d y b o, ậ ạ ả để em thực hi n và hoàn thành luệ ận văn này Em r t biấ ết ơn công lao chỉ ạ d y của Thầy Qua thầy em đã biết cách tìm hiểu cơ sở lý thuyết, phân tích và tiếp c n vậ ấn đề, đưa ra và triển khai th c hi n ự ệ ý tưởng Em cũng rất biết ơn những công lao ch d y c a t t c các th y, các cô trong quá trình tham gia h c t p tỉ ạ ủ ấ ả ầ ọ ậ ại trường

Đại H c Bách Khoa Hà N i Các th y cô v a tr c ti p và v a gián ti p tọ ộ ầ ừ ự ế ừ ế ạo điều ki n ệgiúp đỡ em trong su t th i gian qua Em xin chân thành cố ờ ảm ơn!

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018

H c viên ọ

Nguyễn Văn Khuyến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu c a riêng tôi Các s li u, k t qu ủ ố ệ ế ảnêu trong luận văn là trung thực và tham kh o có d n ch ng c ả ẫ ứ ụ thể Chương trình được mô ph ng trên ph n m m Matlab 2017b ỏ ầ ề

H c viên ọNguyễn Văn Khuyến

MỤC LỤC

TRANG B ÌA PHỤ 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

LỜI CAM ĐOAN 4

MỤ C LỤC 5

DANH SÁCH CÁC KÍ HI U, CÁC T Ệ Ừ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC CÁC BẢNG 11

DANH M C HỤ ÌNH V 12Ẽ M Ở ĐẦU 14

Lý do chọn đề 14tài Lịch sử nghiên c u 14ứ Mục đích nghiên c u cứ ủa luận văn, đối tượng, ph m vi nghiên c u 15ạ ứ Mục tiêu củ ềa đ 15tài Phương pháp nghiên cứu 15

Nội dung của luận văn 15

CHƯƠNG 1 GIỚI THI U T NG QUAN V M NG 4G- 17Ệ Ổ Ề Ạ 5G 1.1 Gi i thiớ ệu chương 17

1.2 Công ngh m ng 4G 17ệ ạ 1.2.1 Th h mế ệ ạng di động ti n 4G 17ề 1.2.2 S khác nhau giự ữa 3G và 4G 18

1.2.3 Công ngh LTE 18ệ 1.2.4 M t s công ngh quan tr ng c a m ng 4G-ộ ố ệ ọ ủ ạ LTE 20

1.2.5 Ki n trúc h ế ệthống 4G-LTE hướng xuống 21 1.2.6 Các tham s h ố ệthống 4G-LTE 23 1.2.7 Các tham s kênh truy n 23ố ề 1.2.8 K t lu n v ế ậ ề4G-LTE 24 1.3 Công ngh m ng 5G 24ệ ạ 1.3.1 M ng 5G là gì 24ạ 1.3.2 M ng 5G hoạ ạ ộng như thết đ nào 25 1.3.3 Tiêu chu n m ng 5G 26ẩ ạ 1.3.4 Nh ng ng dữ ứ ụng được kỳ ọ v ng trong công ngh ệ5G 28 1.4 Kết luận chương 31

CHƯƠNG 2 HỆ TH NG MIMO-OFDM 32Ố

2.1 Gi i thiớ ệu chương 32 2.2 K ỹthuật OFDM 32 2.1.1 Giới thiệu k ỹthuật OFDM 32 2.2.2 Nguyên lý cơ bản c a OFDM 33ủ 2.2.3 Sơ đồ kh i OFDM 36ố 2.2.4 C u trúc tín hi u OFDM 41ấ ệ 2.2.5 Các đặc tính c a OFDM 43ủ 2.2.6 Các đặc tính kênh truy n 44ề 2.2.7 K t lu n v k thu t OFDM 50ế ậ ề ỹ ậ 2.3 H ệthống MIMO 50 2.3.1 Giới thiệu h ệthống MIMO 50 2.3.2 Các d ng c u hình cạ ấ ủa hệ thống MIMO 51 2.3.3 Các k ỹthuật phân t p 52ậ

2.4 H ệthống MIMO-OFDM 54

2.4.1 T ng quan v h ổ ề ệthống MIMO-OFDM 54

2.4.2 Mô t t ng quan h ả ổ ệthống MIMO-OFDM 56

2.4.3 C u trúc khung (frame) cấ ủa hệ thống MIMO-OFDM 57

2.4 Kết luận chương 58

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT TI N MÃ HÓA TRONG H Ề Ệ THỐNG MIMO-OFDM 59

3.1 Gi i thiớ ệu chương 59

3.2 Gi i thi u k ớ ệ ỹthuậ ềt ti n mã hóa 59

3.2.1 Mục đích của ti n mã hóa 59ề 3.2.2 Phân loại tiền mã hóa 60

3.3 K ỹthuật tiền mã hóa cho h ệthống MIMO-OFDM 61

3.3.1 H ệthống ti n mã hóa MIMO-OFDM 61ề 3.3.2 Nguyên tắc tiền mã hóa c a h ủ ệthống MIMO-OFDM 62

3.3.3 Kh o sát SNR trong h ả ệthống MIMO-OFDM không có ti n mã hóa và có ề mã hóa 63

3.4 K thuỹ ật tiền mã hóa ZF (Zero-forcing) 64

3.4.1 Giới thiệu 64

3.4.2 Thu t toán ti n mã hóa ZF 66ậ ề 3.5 K ỹthuật tiền mã hóa DPC (Dirty Paper Coding) 67

3.5.1 Giới thiệu 67

3.5.2 Thu t toán ti n mã hóa DPC 68ậ ề 3.6 Lựa chọn người dùng 70

3.7 Kết luận chương 70

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 72

4.1 Gi i thiớ ệu chương 72 4.2 Cách xây dựng chương trình 72 4.3 Sơ đồ kh i h th ng MIMO-OFDM s d ng k thu t ti n mã hóa 72ố ệ ố ử ụ ỹ ậ ề 4.4 Kết quả mô ph ng 74ỏ 4.4.1 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, DPC 74 4.4.2 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, DPC theo mức điều ch 75ế 4.4.3 Khảo sát BER của các phương pháp khi thay đổi số thuê bao 76 4.5 Kết luận chương 78

KẾ T LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KH O 80Ả PHỤ Ụ L C 82

DANH SÁCH CÁC KÍ HI U, CÁC T Ệ Ừ VIẾT TẮT

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

CFO Carrier frequency offsets Độ lệch tần số sóng mang

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh ICI Inter- Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc đảo IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier đảo

ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

IUI Inter- User Interference Nhiễu giao thoa liên thuê bao MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra

M-QAM M Quadrature Amplitude

QAM Quadrature Amplitude

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không

DANH MỤC CÁC BẢNG

B ng 1-1: Các tham s h ả ố ệthống LTE 23

B ng 1-2: Các t n s ả ầ ố Doppler xác định cho mô hình kênh LTE 24

B ng 1-ả 3: Các đặc tính công suất trễ ủ c a mô hình kênh LTE 24

DANH MỤC HÌNH V Ẽ

Hình 1-1: Quá trình phát tri n lên LTE 19ể Hình 1-2: Sơ đồ kh i phía phát LTE downlink 22ố

Hình 1-3: Cách th c hoứ ạ ột đ ng c a m ng 5G trong th nghiủ ạ ử ệm tại Nhật Bản 25

Hình 2-1: So sánh tính hi u qu s d ng ph c a OFDM và FDM 34ệ ả ử ụ ổ ủ Hình 2-2: Ph sóng mang con OFDM 36ổ Hình 2-3: Sơ đồ kh i máy phát OFDM 37ố Hình 2-4: Sơ đồ kh i máy thu OFDM 37ố Hình 2-5: K ỹthuật xen k 38ẽ Hình 2-6: 4-QAM 39

Hình 2-7 16-QAM 39:

Hình 2-8: C u trúc c a ký t ấ ủ ựOFDM 41

Hình 2-9: Biến đổi IFFT và chèn CP 41

Hình 2-10: C u trúc tín hiấ ệu OFDM phát đi 42

Hình 2-11: Hi u ệ ứng đa đường trong thông tin di động 45

Hình 2-12: Hi u ng Doppler 47ệ ứ Hình 2-13: Lỗi dịch t n s gây ra nhi u ICI trong OFDM 49ầ ố ễ Hình 2-14: Sơ đồthống MIMO 51

Hình 2-15: Sơ đồ ệ h thống MIMO-OFDM 55

Hình 2-16: Các khối cơ bản của sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM 56

Hình 2-17: C u trúc khung d u MIMO-OFDM 57ấ ữliệ Hình 3-1: H ệthống ti n mã hóa MIMO-OFDM 61ề Hình 3-3: Sơ đồ ệ h thống ZF 65

Hình 4-1: Sơ đồ khối chương trình chính cho kỹ thuật ti n mã hóa cho h ề ệ thống MIMO-OFDM 73

Hình 4-2: Sơ đồ khối từng bước trong OFDM 73

Hình 4-3: BER của các phương pháp ZF, DPC 74 Hình 4-4: BER của hệ thống s dử ụng ZF khi thay đổi mức điều ch 75ế Hình 4-5: BER của hệ thống s dử ụng DPC khi thay đổi mức điều ch 76ế

Hình 4-6: BER của hệ thống s d ng ử ụ ZF khi thay đổi số thuê bao 77Hình 4-7: BER của hệ thống s dử ụng DPC khi thay đổi số thuê bao 77

M Ở ĐẦU

Lý do chọ n đ ề tài

Ngày nay, vi c nâng cao hi u qu s dệ ệ ả ử ụng băng thông là một trong nh ng vữ ấn

đề được quan tâm hàng đầu trong truy n thông vô tuy n Trong các m ng thông tin ề ế ạ

di động th h mế ệ ới như 4G LTE, 5G thì yêu cầu s d ng hi u qu ử ụ ệ ả băng tần được c p ấphát tr nên quan tr ng Vi c s d ng nhiở ọ ệ ử ụ ều ăng-ten thu phát là m t gi i phát cộ ả ần thiết nhưng chưa hoàn toàn tối ưu trong việc khai thác s dử ụng băng tần K ỹthuật tiền mã hóa tín hiệu để ối ưu hóa sử ụng băng thông giống như định hướ t d ng chùm tia tín hiệu phát đến tín hi u thu mà không cệ ần tăng công suất phát tín hi u là mệ ột trong nh ng giữ ải pháp đã được áp dụng đối v i các h ớ ệthống MIMO Luận văn nghiên

c u vứ ới đề tài “Nghiên cứu các k thu t ti n mã hóa cho h ỹ ậ ề ệthống MIMO-OFDM ứng

d ng cho các m ng thông tin th h 4G-ụ ạ ế ệ 5G” nhằm m c tiêu này ụ

L ch s nghiêị ử n cứu

Nếu như mạng di động th h u tiên (1G) ch ế ệ đầ ỉ đơn thuần cung c p d ch v ấ ị ụthoại; m ng 2G cung c p d ch v ạ ấ ị ụthoại và nh n tin; m ng 3G cung c p d ch v ắ ạ ấ ị ụthoại + nh n tin + d u; m ng 4G cung c p các dắ ữliệ ạ ấ ịch vụ 3G v i tớ ốc độ cao hơn, thì sự ra

đờ ủi c a th h m ng 5G s cho phép tri n khai các d ch v tiên tiế ệ ạ ẽ ể ị ụ ến cho người dân,

t kh ừ ả năng truy cập v i chớ ất lượng tốt hơn tới d ch v y t , h ị ụ ế ệthống giao thông thông minh (bao g m c xe ô tô t ồ ả ự lái) và điều khi n máy móc t xa V ể ừ ậy, 4G và hơn nữa

là 5G vớ yêu c u cao v ti ầ ề ốc độ, khối lượng x lý công viử ệc, nên c n có các công ầngh và giệ ải pháp để có được đường truyền cũng như tốc độ ố t t nh ất Việ ử ục s d ng nhiều ăng-ten thu phát là m t gi i phát c n thiộ ả ầ ết nhưng chưa hoàn toàn tối ưu trong

vi c khai thác s dệ ử ụng băng tần K ỹthuậ ềt ti n mã hóa tín hi u ệ ra đời để ối ưu hóa sử t

dụng băng thông giống như định hướng chùm tia tín hiệu phát đến tín hi u thu ệ(Beaforming) mà không cần tăng công suất phát tín hi u là m t trong nh ng gi i pháp ệ ộ ữ ả

đã được áp dụng đố ới v i các h th ng MIMO-ệ ố OFDM

Mục đích nghiên cứu c a luủ ận văn, đố i tư ợ ng, phạm vi nghiên c u ứ

Mục đích nghiên cứu là trên cơ sở tìm hi u v ể ề hai phương pháp tiền mã hóa, đề tài tiến hành phân tích, mô phỏng và đánh giá hiệu năng của các phương pháp thông qua tỷ

l l i bít tín hiệ ỗ ệu BER, đồng thời đưa ra các so sánh về các ưu điểm và nhược điểm của

từng phương pháp

Đối tượng nghiên c u là tìm hi u v m ng th h 4G-5G; H ứ ể ề ạ ế ệ ệthống MIMO-OFDM; Các phương pháp tiền mã hóa tuy n tính ZF (Zero Forcing) và phi tuy n DPC (Dirty ế ếPaper Coding)

Phạm vi nghiên c u c a luứ ủ ận văn là nghiên c u h ứ ệ thống MIMO-OFDM v i 2 ớphương pháp tiền mã hóa ZF và DPC

M c tiêu cụ ủa đề tài

- Tìm hi u t ng quan v m ng 4G-ể ổ ề ạ 5G

- Tìm hi u h ể ệthống MIMO-OFDM

- Tìm hi u và phân tích k ể ỹthuật tiền mã hóa trong h ệthống MIMO-OFDM

- Đưa ra mô phỏng và đánh giá ệc ứvi ng d ng k thuụ ỹ ật tiền mã hóa trong h ệ

thống MIMO-OFDM để nâng cao ch t lư ng h ốấ ợ ệth ng m ng thông tin, ạ

Phương pháp nghiên cứu

u c a tác gi là ti n Như trình bày trong luận văn, thì phương pháp nghiên cứ ủ ả ếhành vi c nghiên c u lý thuyệ ứ ết về hai công ngh m ng 4G-5G Nghiên c u tìm hiệ ạ ứ ểu hai k ỹthuậ ềt ti n mã hóa ZF và DPC cho h ệthống MIMO-OFDM Nghiên c u phân ứtích đưa ra các đặc trưng về ừ t ng k thu t phù h p v i yêu c u Luỹ ậ để ợ ớ ầ ận văn đề ra

N i dung c a ộ ủ luận văn

Phần n i dung chính c a luận văn gồộ ủ m 4 chương, cụ ể như sau: th

Chương 1: Giới thi u t ng quan v m ng 4G và 5G ệ ổ ề ạ

i thi u t ng quan v t s tiêu chu n k thu t và các

ứ ng d ng c a nó ụ ủ

Chương 2: H ng MIMO-OFDM ệthố

bày v s k t h p c a OFDM v ng nhi -ten thu phát

Chương 3: K ỹthuậ ềt ti n mã hóa trong h ệthống MIMO-OFDM

T p trung nghiên c u m t s k thu t ti n mã hóa có th s d ng trong h ậ ứ ộ ố ỹ ậ ề ể ử ụ ệ

th ố ng MIMO-OFDM G m các k ồ ỹ thu ậ t ti n mã hóa tuy n tính ZF (Zero Forcing), ề ề MMSE và kỹ thu t ti n mã hóa phi tuy ậ ề ến như DPC (Dirty paper Coding)

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá

Đưa ra kế t qu mô ph ng b ả ỏ ằng matlab cho chương và đánh giá các kỹ 3 thu t ậ

ti ề n mã hóa đượ c sử ụ d ng trong h ống MIMO- ệ th OFDM.

Kế t luận

Cô đọ ng nh t k t lu n cho ki n th ấ ế ậ ế ức đã tìm đượ c v lu ề ận văn.

CHƯƠNG 1 GIỚI THI U T NG QUAN V M NG 4G- Ệ Ổ Ề Ạ 5G

1.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày t ng quan v các mổ ề ạng thông tin di động 4G-LTE và 5G, cũng như tìm hi u chi ti t các tham s h ể ế ố ệthống 4G-LTE, t ừ đó lựa ch n các tham ọ

V b n ch t, Wimax2 là m t tiêu chuề ả ấ ộ ẩn được phát tri n b i IEEE còn LTE là ể ở

s n ph m c a 3GPP, m t b phả ẩ ủ ộ ộ ận của liên minh các nhà cung cấp dịch v GSM C ụ ảhai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều s công ngh ử ệ ăng-ten tiên ti n nh m c i thiế ằ ả ện

kh ả năng tiếp nh n và th c hi n, tuy nhiên l i hoậ ự ệ ạ ạt động trên các băng tần khác nhau Long term Evolution (LTE): công ngh ệ di động đã được phát tri n và chu n hóa ể ẩ

bởi 3GPP, nhưng LTE đầu tiên phát hành không th c hiự ện đầy đủ yêu c u IMT-ầAdvance LTE có tốc độ bit lý thuy t 100 MB/s cho download và 50 MB/s cho ếupload

Wimax-2: được phát tri n bể ởi IEEE (IEEE 802.16m) Wimax được cung c p kh ấ ảnăng kế ốt n i internet không dây nhanh hơn với wifi, tốc độ up và down cao hơn sử

dụng được nhi u ng dề ứ ụng hơn, và quan trọng là vùng ph sóng rủ ộng hơn, và không

b ịảnh hưởng bởi địa hình Wimax có th ể thay đổi một cách t ự động phương thức điều chế để có th ể tăng vùng phủ ằ b ng cách gi m tả ốc độ truyền và ngượ ạc l i có tốc độ bit net lý thuyết là 128 MB/s cho download và 64 MB/s cho upload

Công ngh không dây th h ệ ế ệ thứ : Đượ 4 c bi t s là chuế ẽ ẩn tương lai của thi t b ế ịkhông dây, các d ch v ị ụ di động 4G v i kh ớ ả năng cung cấp băng thông r ng, dung ộ

lượng l n, truy n d li u tớ ề ữ ệ ốc độ cao, cung cấp cho ngườ ử ụi s d ng nh ng hình nh ữ ảvideo màu chất lượng cao, các trò chơi đồ h a 3D linh ho t, các d ch v âm thanh sọ ạ ị ụ ố

Với sự xu t hi n c a m ng 4G nó s gi i quyấ ệ ủ ạ ẽ ả ết được:

- H các dỗtrợ ịch vụ tương tác đa phương tiện: truy n hình h i ngh , internet ề ộ ịkhông dây

- Băng thông rộng hơn

2025 MHz; DL: 2110-2200 MHz; v i tớ ốc độ t 144kbps-2Mbps, ừ độ r ng BW: 5 MHz ộ

Đố ới v i 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ ữ d liệu cao, độ p, công nghtrễ thấ ệ truy c p sóng vô tuy gói d u tậ ến ữliệ ối ưu Tố ộc đ DL:100Mbps( BW 20MHz), UL: 50 Mbps v i 2 aten thu mở ớ ột ăng ten phát Độ trễ- nh ỏhơn 5ms với độ r ng BW linh hoộ ạt là ưu điểm c a LTE so v i WCDMA, BW t 1.25 ủ ớ ừMHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz Hi u qu i ph ệ ảtrả ổ tăng 4 lần và tăng 10 lần s ố người dùng/cell so v i WCDMA ớ

LTE s d ng t n s mử ụ ầ ố ột cách linh động, có th hoể ạt động ở băng tần có độ

r ng t 1,25 MHz cho t i 20 MHz Tộ ừ ớ ốc độ truy n d u l n nhề ữliệ ớ ất (về lý thuy t) cế ủa LTE có thể đạ t tới 250 Mb/s khi độ ộng băng tầ r n là 20 MHz

• Quá trình phát triển LTE

- Chuẩn LTE u tiên là phiên b n Release 8 c a 3GPP vào đầ ả ủ tháng 12 năm

2008 d a vào n n t ng cự ề ả ủa công nghệ ễ vi n thông GSM (Global System for Mobile Communications)

- Chuẩn LTE: th h ế ệthứ 4 c a UMTS (Universal Mobile Telecommunications ủSystem), tốc độ truy n d u caề ữliệ o, độ trễ thấp và công ngh truy c p sóng vô ệ ậtuy n gói d u tế ữliệ ối ưu

- Chuẩn LTE-Advanced (3/2011): là một bước chuy n l n c a LTE, LTE ể ớ ủAdvanced tương thích với các thi t b c a LTE phiên bế ị ủ ản cũ, và dùng chung băng tần v i các LTE phiên bớ ản cũ

Hình 1-1: Quá trình phát tri n lên LTE [3] ể

• Yêu cầ ủu c a LTE

- Tốc đ ối đa (peak data rate)ộ t

- 100 Mbps tải xuống, 50 Mbps tải lên trên băng thông kênh truyền 20 MHz

- H ỗtrợ lên đế 200 người dùng hoạ ộn t đ ng trong m t ộ cell (5 MHz)

- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

- Frequency domain equalization

- SC-FDMA (Single Carrier FDMA)

- MIMO (Multi-Input Multi-Output)

- Multicarrier channel-dependent resource scheduling

- Fractional frequency reuse

1.2.4 M t s công ngh quan trộ ố ệ ọ ng của m ng 4G-LTE ạ

OFDM là công ngh ệ cho phép tăng độ ộ r ng ký hi u truy n dệ ề ẫn Do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhi u so v i các k ề ớ ỹthuật đã sử ụng trước đây, cho phép d

khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang

OFDMA là k ỹthuật đa truy cập vào kênh truy n OFDM, là m t d ng cề ộ ạ ải tiền

c a OFDM K ủ ỹthuật đa truy cập phân chia theo t n s ầ ốtrực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con Khác v i OFDM, ớ trong OFDMA m i tr m thuê bao không s d ng toàn b không gian sóng mang con mà ỗ ạ ử ụ ộkhông gian sóng mang con được chia cho nhi u thuê bao cùng s d ng m t lúc M i ề ử ụ ộ ỗ

trạm thuê bao s ẽ được c p mấ ột hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hóa

MIMO là công ngh truyệ ền thông không dây, trong đó cả đầ u nh n lậ ẫn đầu phát tín hiệu đều s d ng nhiử ụ ều ăng ten để ối ưu hóa tốc độ- t truy n và nh n d u, ề ậ ữliệ

đồng th i gi m thi u lờ ả ể ỗi như nhiễu sóng, m t tín hiấ ệu… MIMO t n d ng s d i l i ậ ụ ự ộ ạ

của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường truy n khi n chúng có th ề ế ểđến được đầu nh n tín hi u b ng nhiậ ệ ằ ều con đường khác nhau Tóm l i, MIMO là k ạ ỹthu t sậ ử ụ d ng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu đ truy n và nh n d ệu ể ề ậ ữli

ng truy n d u và m r ng t m ph sóng trên

Ưu điểm: gia tăng tốc độ đườ ề ữliệ ở ộ ầ ủ

cùng một băng thông, giảm chi phí truy n t i Công ngh ề ả ệ MIMO cho phép đầu nh n ậphân lo i tín hi u và ch nh n tín hiạ ệ ỉ ậ ệu đó

Trong vi c truy n thông b ng sóng vô tuy n, nhệ ề ằ ế ững chướng ng i v t trên ạ ậđường truy n t ề ừ đầu phát đến đầu nh n ậ như các tòa nhà cao ốc, dây điện và nh ng ữ

c u trúc khác trong khu vấ ực đều có th làm cho sóng b ph n x ho c khúc x Nh ng ể ị ả ạ ặ ạ ữ

yếu tố này làm cho sóng b nhi u, yị ễ ếu đi hoặc mất hẳn Trong truy n thông k thuề ỹ ật

s , nh ng y u t trên có th làm gi m tố ữ ế ố ể ả ốc độ truyền cũng như chất lượng của dữ liệ u

u phát sóng s d ng nhi - truy n sóng

theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin D liệữ u truyền sau đó sẽđượ ậc t p h p l i u nh n theo nhợ ạ ở đầ ậ ững định dạng đã đượ ấn đị Điều này tương c nh

t ự đôi tai của chúng ta ti p nhế ận đủthứ âm thanh t ừ bên ngoài, sau đó não bộ ẽ ọ s l c, phân lo i nhạ ững âm thanh đó Các sản phẩm wifi s d ng công ngh ử ụ ệ MIMO được nhi u nhà s n xu t quan tâm vì chúng có kh ề ả ấ ả năng cải thi n tệ ốc độ truy n d u, ề ữ liệ

tầm phủ sóng và độ tin c y ậ

1.2.5 Ki n trúc h ế ệ thống 4G-LTE hướng xuống

Ở đây ta có một chú ý r ng, 4G-ằ LTE được coi là bước phát tri n ti p theo cể ế ủa

h ệthống m ng không dây 3G d a trên n n t ng công ngh ạ ự ề ả ệ di động GSM/UTMS được coi là công nghệ ềm năng ti nh t cho truy n thông 4G ấ ề

Để chi tiết hơn về LTE đường xu ng, ta tìm hi u mô hình h th ng d ố ể ệ ố ự trên sơ

đồ nhiều ăng-ten thu phát và OFDM Việ ế ợc k t h p MIMO-OFDM t o nên công ngh ạ ệ

l n và then ch t cho LTE Nó phù h p cho các h ớ ố ợ ệthống băng thông rộng, tốc độ ữ d liệu cao, hơn nữa OFDM giúp kh c phắ ục ISI trong môi trường fading đa đường hi u ệ

qu ph cao cho LTE downliả ổ nk Dưới đây là mô hình LTE downlink với 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu

• Phía phát

Hình 1- 2: Sơ đồ khố i phía phát LTE downlink [3]

T hình v ta th y trên, ừ ẽ ấ ở bước đầu tiên, d ữliệu vào d ng n i tiạ ố ếp được chuyển thành hai d liữ ệu song song nh b chuyờ ộ ển đổi S/ M i dòng d P ọ ữ ệu này đượli c điều chế vào các t n s sóng mang con khác nhau s dầ ố ử ụng sơ đồ ánh x ạ chòm sao như BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Trong hình 1-2 sơ đồi kh i phía phát LTE ốdownlink là trường h p 64-QAMợ Phương pháp điều ch ế càng cao thì băng thông và

tốc độ càng cao trong LTE K t qu phù h p v i c u trúc khung con trong LTE ế ả ợ ớ ấdownlink các m u chòm sao ph c c a m i dòng d u và pilot ánh x , ẫ ứ ủ ỗ ữ liệ ạ lên lưới OFDM M u s p x p các m u pilot khác nhau cho mẫ ắ ế ẫ ỗi ăng ten đượ- c s d ng v i mử ụ ớ ục đích ước lượng kênh Trong kh i STC (Space Time Coding) có kh i zero padding, ố ố

b i vì tở ốc độ ấ l y m u lẫ ớn hơn nhiều so với băng thông truyền c a h ủ ệ thống Trong

kh i zero padding, chi u dài ph tín hiố ề ổ ệu được tăng lên bở ố lượi s ng zero Tín hiệu được chèn zero được đưa tới khối IFFT đề điều ch OFDMế Trong điều ch OFDM, ếdòng d ữliệu đầu vào n i tiố ếp được chia thành các lu ng song song v i tồ ớ ốc độ thấp hơn, các luồng song song này được phát đồng th i qua các sóng mang con khác nhauờ Khi đó cần kho ng cách t n s t i thi u giả ầ ố ố ể ữa các sóng mang con để đả m b o tính trả ực

giao d ng sóng c a chúng trong mi n th i gian Trong mi n t n s các sóng mang ạ ủ ề ờ ề ầ ốcon khác ch ng l n lên nhau Vì th ồ ấ ế băng thông được s d ng m t cách hi u quử ụ ộ ệ ả Thuật toán IFFT là m t thu t toán hi u qu s dộ ậ ệ ả ử ụng để phát m t m u OFDM và giộ ẫ ảm

độ ph c t p c a máy, cu i cùng tín hi u OFDM ứ ạ ủ ố ệ điều ch trư c khi truyế ớ ền đi được chèn kho ng b o v (GI) N u kênh truyả ả ệ ế ền không thay đổi theo th i gian thì tín hiờ ệu OFDM phát đi có thể được giải điều ch không có nhi u Hay nói cách khác, n u ế ễ ếkênh truy n lề à thay đổi theo th i gian thì tính tr c giao gi a các sóng mang con s ờ ự ữ ẽ

mất Điều này gây nên nhi u xuyên ký t ISI (Inter-Symbol Interference) ễ ự cũng như

là nhi u xuyên sóng mang ICI ễ (Inter-Carrier Interference) Để kh c ph c nhi u và s ắ ụ ễ ựthay đổ ủi c a kênh theo th i gian, thì CP s ờ ẽ đượ ử ục s d ng trong h th ng OFDM ệ ố

• Phía thu

Phía thu s ẽthực hiện ngượ ạc l i các hoạt động tương tự ủ c a máy phát và có thêm

m t s thuộ ố ật toán như ước lượng kênh truyền để khôi ph c l i thông tin m t cách ụ ạ ộchính xác nhất Nó đượ mô tảc chi ti t trong [3] ế

1.2.6 Các tham s h ố ệ thống 4G LTE

-B ng 1-1: Các tham s h ả ố ệthống LTE [3]

Khoảng cách các sóng mang con

15 (MHz) 1.92 3.84 7.68 15.36 23.04 30.72

75 150 300 600 900 1200 1.2.7 Các tham s kênh truy n ố ề

Các bảng dưới đây chỉ ra các tham s kênh truyố ền như: Tần s Dopplố er, đặc tính công su t trấ ễ ủ c a mô hình kênh LTE

B ng 1-2: Các t n s ả ầ ố Doppler xác định cho mô hình kênh LTE [3]

Doppler thấp Doppler trung bình Doppler cao

u tháng 01/2012, Liên minh Vi n thông Qu c t - International

Telecommunications Union) ch ng nh n ch có 2 công ngh là LTE-ứ ậ ỉ ệ Advanced và WirelessMAN-Advanced (WiMAX 2) mới đạt chu n m ng 4G Theo tiêu chu n c a ẩ ạ ẩ ủITU, mạng 4G phải đạt đượ ốc độc t 100Mbit/giây khi di chuy n tể ốc độ cao và tốc độ1Gbit/giây đố ới v i nh ng thi t b c nh ữ ế ị ố đị

Do chu n 5G xu t hiẩ ấ ện sau 4G nên nó được mong đợi còn có tốc độ nhanh hơn nhiều chu n k t n i 4G hi n t i ẩ ế ố ệ ạ

độ ph ủ sóng như 4G hiệ ạn t i

Hình 1 -3: Cách th c ho ứ ạ ộ t đ ng c a m ng 5G trong th nghi ủ ạ ử ệ m t ạ i Nh t Bản ậ

Thay vì nh ng trữ ạm cơ sở trên mặt đất đang được s d ng b i m ng 2G, 3G ử ụ ở ạ

và 4G, có th 5G s s d ng các tr m HAPS (High Altitude Stratospheric Platform ể ẽ ử ụ ạStations), được biết như là những chi c máy bay c nh cao trung bình 20 km ế ố đị ở độ

so v i mớ ặt đất Chúng hoạt động như vệ tinh và thay th ế các ăng ten để giúp đường truy n tín hi u c a m ng không dây mề ệ ủ ạ ới được thẳng và vùng ph sóng r ng, ủ ộ ổn định hơn, không bị ạ h n ch b i các thi t k ki n trúc cao t ng ế ở ế ế ế ầ

1.3.3 Tiêu chu n m ng 5G ẩ ạ [12]

i cùng, Liên minh Vi n thông Qu c t

mạng 5G Theo đó, tổng công su t download cho mấ ột cell 5G đơn phải đạt được ít

nhất 20 Gbps Để so sánh, tốc độ ữ ệu đỉ d li nh cho các cell LTE hi n t i ch kho ng 1 ệ ạ ỉ ảGbps

Chuẩn 5G s p tắ ới cũng sẽ ph i h ả ỗtrợ được cho 1 tri u thi t b k t n i trên mệ ế ị ế ố ỗi kilomet vuông, và tiêu chu n này s ẩ ẽ đòi hỏi các nhà m ng phạ ải có băng tần tr ng ít ố

nh t 100 MHz, và có th m r ng t i 1 GHz khi c n ấ ể ở ộ ớ ầ

Các yêu cầu này đế ừ ựn t d thảo thông báo v v tiêu chu n kề ề ẩ ỹ thuật cho giao

di n vô tuy n IMT-ệ ế 2020 (hay là 5G), được công b vào ố thời gian qua v a qua Tài ừ

liệu k ỹthuật này ch là d ả ởỉ ựth o ời điểth m hi n tệ ại, nhưng nó cho thấy một ý nghĩa quan tr ng, ọ dường như nó sẽ được ch p nh n và hoàn thiấ ậ ện vào tháng Mười Một năm nay, để ắt đầ b u công vi c xây d ng h t ng 5G ệ ự ạ ầ

Dưới đây là mộ ốt s tiêu chu n k thu t n i b t c a h th ng m ng m i này: ẩ ỹ ậ ổ ậ ủ ệ ố ạ ớ

• Tố c đ ộ d ữ liệ u đ ỉnh 5G

Các tr m phát sóng phạ ải đáp ứng tốc độ ố t i thi u cho t i xu ng là 20 Gbps và ể ả ốtải lên là 10 Gbps Đây là tổng lượng băng thông có th ể được x lý b i mộử ở t cell đơn

V lý thuyề ết, người dùng băng thông rộng không dây c nh có th ố đị ể đạt đến

g n m c tầ ứ ốc độ này v i 5G, n u h có m t k t n i point- -point dành riêng Trên ớ ế ọ ộ ế ố to

thự ế, dung lược t ng 20 Gbps này s ẽ được phân chia cho các người dùng trong phạm

vi ph sóng củ ủa cell đó

• Mậ t đ ộ kết nối 5G

Các tr m phát sóng 5G ph i h cho ít nh t m t tri u thi t b k t n i trong ạ ả ỗtrợ ấ ộ ệ ế ị ế ố

m i kilomet vuông Con s này nghe có v lỗ ố ẻ ớn, nhưng phầ ớn l n trong s này là các ốthiế ịt b Internet of Things (IoT) chứ không ch ế ị ủa cá nhân ngườỉ thi t b c i dùng Khi

mọi đèn giao thông, bãi đậu xe, và phương tiện đều có k t nế ối mạng, b n s ạ ẽthấy mật

độ ế ố k t n i này c n thiầ ết như thế nào

• Tố c đ ộ di chuy n trong 5G ể

-Advanced, các tr m phát sóng 5G có th h

truy c p m ng cho m i th di chuyậ ạ ọ ứ ển trên đường, v i tớ ốc độ ừ 0 km/h cho đế t n

“phương tiệ ố n t c đ cao t i 500 km/h” ộ ớ

Trong khi, v i nh ng khu v c mớ ữ ự ật độ dân cư dày đặc như đô thị hay trong nhà

s không ph i lo l ng gì v vẽ ả ắ ề ấn đề tốc độ nhưng với các khu v c ngo i ô, vi c h , ự ạ ệ ỗtrợ cho người dùng di chuy n v i tể ớ ốc độ cao là r t c n thi t ấ ầ ế

• Hiệu qu ả năng lượng c a 5G ủ

Theo b n mô t thông s k ả ả ố ỹthuật, giao di n vô tuy n 5G có m c tiêu th ệ ế ứ ụ năng lượng hi u qu ệ ả khi đang tải, nhưng khi không sử d ng, mụ ức năng lượng tiêu th ụ cũng

tụt về chế độ năng lượ ng th p m t cách nhanh chóng ấ ộ

Để làm được vi c này, b kiệ ộ ểm soát độ trễ s ẽ được thi t l p mế ậ ở ức độ lý tưởng chỉ 10ms – nghĩa là một thi t b 5G s chuy n t ng thái tế ị ẽ ể ừtrạ ốc độcao sang trạng thái

ti t ế kiệm năng lượng ch ỉtrong 10ms

• Độ ễ ủ tr c a 5G

Trong những trường hợp lý tưởng, mạng lưới 5G s ẽ mang đến cho người dùng

độ ễ ối đa chỉ tr t 4ms, thấp hơn hẳn so v i m c 20ms trong các cell LTE Thông s ớ ứ ố5G cũng cho phép độ ễ ấp hơn nữ tr th a, ch 1ms cho vi c truyỉ ệ ền tin độ ễ ấ tr th p siêu

ổn định

• Hiệu suất băng tần 5G

Thông s này cho biố ết, có bao nhiêu bit được truy n qua không khí trên mề ỗi hertz băng tần Tiêu chu n c a 5G r t g n LTE-Advanced, vẩ ủ ấ ầ ới 30 bit/Hz cho đường

t i xuả ống và 15 bit/Hz cho đường t i lên Các con s ả ố này đang giả định trong c u hình ấMIMO 8x4 (8 ăng tên phát tín hiệu và 4 ăng ten nhận tín hi u) ệ

• Tố c đ ộ d u 5G trong th gi i th c ữ liệ ế ớ ự

i cùng, cho dù công su

Cuố ất đỉnh c a mủ ỗi cell 5G đến 20 Gbps, bản đặc điểm

k thu t ch ỹ ậ ỉ thiế ậ ốc đột l p t download c a mủ ỗi người dùng là 100 Mbps và tốc độupload 50 Mbps Con s này gố ần tương tự ớ ốc độ ạ v i t b n có th ể đạt được v i mớ ạng LTE-Advanced, tuy nhiên v i m ng 5G, có v b n s ớ ạ ẻ ạ ẽ luôn đạt được tố ộc đ này, thay

vì ch vào mỉ ột ngày đẹp trời như trước

D ựthảo thông s kố ỹ thuật 5G cũng thiế ật l p việc tăng tính ổn định (ví d các ụgói tin hầu như luôn tới được tr m phát sóng trong 1ms) và th i gian b ạ ờ ị gián đoạn khi

di chuy n gi a các cell 5G s ể ữ ẽ chỉ là 0ms t c là k t n i luôn là t c th i, không b – ứ ế ố ứ ờ ị

ngắt quãng

Bước ti p theo c a d ế ủ ựthảo này, đó là làm thế nào để bi n các thông s kế ố ỹ thuật trên thành công ngh ệthực Làm th ế nào đạt được tốc độ d ữliệu đỉnh 20 Gbps? Nh ng ữblock băng tần nào s ẽthực s s d ng 5G? Rự ử ụ ất khó đạt được 100 MHz băng tần trống

ở ức dướ m i 2,5 GHz, nhưng điều này l i d ạ ễ dàng đạt đượ ởc trên 6 GHz? Li u m t ệ ậ

độ ế ố k t n i có ảnh hưởng đến các thông s khác hay không? ố

Chúng ta s ẽchỉ có câu tr l i cho nhả ờ ững điều trên trong vài năm tới, khi các nhà vi n thông và các nhà s n xuễ ả ất chip bắ ầt đ u phát tri n công ngh 5G.ể ệ

n t t câu tr l i chính th c v i gian tri n khai m ng 5G, t

thế ậ v n hội Olympic mùa đông 2018 tại Hàn Quốc và sau đó triển khai đồng b t i ộ ạtrên m t s ộ ố nước vào năm 2020 Và ph n ti p theo s ầ ế ẽchỉ rõ nh ng ng dữ ứ ụng được

k v ng trong c ng ngh 5G ỳ ọ ộ ệ

1.3.4 Những ứ ng dụng được ỳ ọng k v trong công ngh 5G [12] ệ

V i nhớ ững bước ti n dài v m t công ngh mế ề ặ ệ ới, đặc bi t là sệ ự ra đ i c a hàng ờ ủloạt các công ngh m i ệ ớ thông minh, xu hướng công nghi p 4.0 và k t n i v n v t ệ ế ố ạ ậ

(Internet of Things - IoT), th i c a th h mờ ủ ế ệ ạng 5G đang mở ra b i các hãng công ởngh l n trên th ệ ớ ếgiới.

M t s hãng công ngh thông tin d kiộ ố ệ ự ến, đến năm 2019 sẽ có th nghi m và ử ệtriển khai th các công ngh 5G trên th c t Giử ệ ự ế ữa năm 2019 sẽ có các nhà mạng đầu tiên cung cấp d ch vụ 5G ị

Theo các chuyên gia hãng Qualcomm, 5G s phẽ ục ụ các ết ố v k n i

“luôn luôn ẵ sàng”; góp phầ ả s n n c i thiện di động băng r ng và ph c v s bùng n ộ ụ ụ ự ổcủa IoT Hãng này ước tính vào năm 2020 sẽ có 20 t thi t b IoT trên th tr ng ỷ ế ị ị ườĐiều này đòi hỏ ầi c n có m t gi i pháp mộ ả ới để đáp ứng được nhu c u k t n i c a s ầ ế ố ủ ốlượng kh ng l các thi t bị ổ ồ ế

Ngoài ra, v i các d ch v n n t ng, cớ ị ụ ề ả ốt lõi như cứu hỏa, máy bay không người lái khi bay qua các vùng nguy hi m s ể ẽ đòi hỏi nh ng k t n i tữ ế ố ốc độ cao được đảm

b o và ả ổn định, khác so v i vi c k t n i các thi t b ớ ệ ế ố ế ị thông thường Có r t nhiấ ều lĩnh

v c có th ự ể ứng d ng gi i pháp k t nụ ả ế ối 5G như an ninh công cộng, nông nghi p thông ệminh để ế ti t ki m chi phí s n xu t, s dệ ả ấ ử ụng năng lượng hi u qu , k t nệ ả ế ối phương tiện, thành phố thông minh hơn

Báo cáo di độ ớ ấ ủa Ericsson đã khẳng đị ệ 5G đang phát tri n nhanh chóng và s t n a t ể ẽ đạ ử ỉ thuê bao vào năm 2022 Sự phát tri n này s ể ẽmang l i nhạ ững cơ hội m i r t khác bi t cho con ớ ấ ệ người, doanh nghi p và xã h i trong ệ ộtương lai

rõ nh ng k v ng c i v i th Các chuyên gia Ericsson đã chỉ ữ ỳ ọ ủa người dùng đố ớ ế

h mệ ạng 5G Theo đó, với 5G, người dùng s i nghi m truy cẽtrả ệ ập băng thông rộng

t i nh ng khu v c có mạ ữ ự ật độ người dùng cao như các buổi hòa nh c, s ki n th ạ ự ệ ểthao

và l h i, loễ ộ ại bỏ các vấn đề ề dung lượng, độ v nhiễu và độtin cậy

Khách hàng sử ụ ẽ được tận hưở ộ phim 4K đượ ả ề

vòng vài giây mà không c n k t n i Wi-ầ ế ố Fi, trong khi các chương trình truyền hình và

s ki n th thao tr c ti p s mang l i tr i nghi m th c t o, giự ệ ể ự ế ẽ ạ ả ệ ự ế ả ống như bạn đang có

m t tr c ti p tặ ự ế ại nơi diễn ra s kiự ện 5G cũng sẽ tối đa hóa chất lượng tr i nghi m vả ệ ới

k t n i c trong nhà và ngoài trế ố ả ời, đồng th i cung c p k t nờ ấ ế ối băng thông rộng có chất lượng cao ngay c ả trong các điều kiện khó khăn về ạ m ng

Không ch vỉ ậy, 5G còn giúp tương tác con người máy móc, giúp con người - tiếp c n IoT d ậ ễ dàng hơn 5G cũng cho phép kiểm soát t xa các máy móc h ng n ng; ừ ạ ặ

t ừ đó mở ra nh ng kh ữ ả năng mới như nâng cao hi u su t và h ệ ấ ạ thấp chi phí, r i ro ủtrong những môi trường nguy hi m, đ c h ể ộ ại

Công ngh 5G s m rệ ẽ ở ộng cơ hội và mô hình kinh doanh thông qua chức năng giám sát, theo dõi và t ng hóa trên quy mô l n T nh ng nông trự độ ớ ừ ữ ại và cánh đồng được k t n i cho t i nh ng thành ph và tòa nhà thông minh, 5G góp ph n h th p ế ố ớ ữ ố ầ ạ ấchi phí, nâng cao hi u su t và cung c p d u th i gian th c theo nh ng cách thệ ấ ấ ữliệ ờ ự ữ ức

V i cánh tay robot bi t c m nh n c ớ ế ả ậ ử chỉ có th ể được ứng d ng trong nhiụ ều công vi c khác nhau, bao g m c ph u thu t t xa, x lý tai n n giao thông và các ệ ồ ả ẫ ậ ừ ử ạtình huống mà s có mự ặt của con người có th là không an toànể

Ngoài ra, vi c chuyệ ển đổi hướng tới 5G đồng nghĩa với vi c công ngh truyệ ệ ền thông máy móc trên quy mô l n s cho phép các thành ph , h ớ ẽ ố ệthống giao thông và

cơ sở ạ h t ng giao thông truy n d ầ ề ữliệu theo th i gian thờ ực, để nâng cao hi u qu bệ ả ảo trì và hoạt động Đây là một trong nh ng y u t quan tr ng cho phát tri n giao thông ữ ế ố ọ ểthông minh

1.4 Kết luận chương

Nếu như mạng di động th h u tiên (1G) ch ế ệ đầ ỉ đơn thuần cung c p d ch v ấ ị ụthoại; m ng 2G cung c p d ch v ạ ấ ị ụthoại và nh n tin; m ng 3G cung c p d ch v ắ ạ ấ ị ụthoại + nh n tin + d u; m ng 4G cung c p các dắ ữliệ ạ ấ ịch vụ 3G v i tớ ốc độ cao hơn, thì sự ra

đờ ủi c a th h m ng 5G s cho phép tri n khai các d ch v tiên tiế ệ ạ ẽ ể ị ụ ến cho người dân,

t kh ừ ả năng truy cập v i chớ ất lượng tốt hơn tới d ch v y t , h ị ụ ế ệthống giao thông thông minh (bao g m c xe ô tô t ồ ả ự lái) và điều khi n máy móc t xa M ng 5G s là s k ể ừ ạ ẽ ự ếthừ ủa 4G nhưng ở ộ ầm vóc cao hơn hẳa c m t t n v t c đ ề ố ộ cũng như các yêu cầu kh t ắkhe Và một điểm không th b qua trong công ngh truy n thông tể ỏ ệ ề ốc độ cao là k ỹthuật Beamforming, cho sóng phát theo một hướng c nh s làm gi m t l l i bít ố đị ẽ ả ỷ ệ ỗ

giữa trạm phát và người dùng

CHƯƠNG 2 H TH NG MIMO-OFDM Ệ Ố

2.1 Giới thiệu chương

-OFDM là k thu t dùng nhi - -ten thu, chia dòng

d ữliệu ban đầu thành nhi u dòng d ề ữliệu con theo m t thuộ ật toán cho trước Các dòng

d ữliệu này được th c hi n ghép kênh phân chia theo t n s ự ệ ầ ốtrực giao, trước khi được đưa đến ăng ten tương ứ- ng và truyền đi Phía thu cũng sẽ nhận được dòng d ữliệu này

t nhiừ ều ăng-ten và s d ng các thu t toán thích hử ụ ậ ợp để t ng h p l i dòng d ổ ợ ạ ữliệu ban đầu

T c là, ứ MIMO-OFDM là h ệthống k t hế ợp ưu điểm c a h ủ ệ thống nhi u ề ăng tên thu ph v i k át ớ ỹ thuật OFDM đ tăng tốể c độ, dung lượng h ệthống cũng như giảm nhi u, giễ ảm kích thước c a máy phát và máy thu t ủ ừ đó giúp tăng hiệu su t c a h ấ ủ ệthống Đây là một gi i pháp tri n v ng cho h ả ể ọ ệthống thông tin vô tuyến Trong chương này chúng ta s ẽ đi vào tìm ể hi u v h ề ệ thống MIMO, các d ng c u hình, các k ạ ấ ỹthuật phân t p c a nó, h ậ ủ ệthống MIMO-OFDM và mô hình toán học của nó

Trước khi đi vào tìm hiểu h th ng MIMO-OFDM chúng ta s ệ ố ẽ đi tìm hiểu

nh ng n i dung sau: ữ ộ

• V k ề ỹ thuật OFDM, s ẽ được t hi u m c 2.2 nhìm ể ở ụ ư dưới đây

• V h ề ệthống MIMO, s tìm ẽ được hi u m 2.3 ể ở ục như dưới đây

2.2 K thu t OFDM ỹ ậ

2.1.1 Gi i thiớ ệ u kỹ thu t OFDM ậ

Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu v k thu t ghép kênh phân chia theo ề ỹ ậ

t n s ầ ố trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là k thuỹ ật điều ch ế đa sóng mang đượ ử ục s d ng r ng rãi trong các ng d ng vô tuy n l n h u ộ ứ ụ ế ẫ ữtuy n K ế ỹthuật này cho phép truy n d u tề ữliệ ốc độ cao và s dử ụng băng thông một cách hi u qu ệ ả Đặc bi t nhi u chu n mệ ề ẩ ạng không dây như WIFI, LTE,… đã ứng d ng ụ

k ỹthuật OFDM như một phương tiện để phát tri n m nh mể ạ ẽ thông tin di động tốc độcao trong thời gian qua

OFDM là m t k ộ ỹthuật truy n d n m i và có nhiề ẫ ớ ều ưu điểm so v i k ớ ỹ thuật truy n th ng Trong h ề ố ệthống thông tin di d ng, y u t kênh truy n ộ ế ố ề ảnh hưởng r t lấ ớn đến chất lượng h ệthống cho dù s d ng k thu t truy n dử ụ ỹ ậ ề ẫn nào đi nữa Trong chương này s trình bày t ng quan v ẽ ổ ề OFDM và các đặc tính kênh truyền để thấy được các

ưu nhược điểm của nó cũng như các yế ố ảnh hưởng đếu t n ch t lư ng h th ng ấ ợ ệ ố2.2.2 Nguyên lý cơ bả n của OFDM

• Khái niệm

K ỹthuật ghép kênh phân chia theo t n s ầ ốtrực giao OFDM là k thuỹ ật điều ch ế

đa sóng mang, trong đó các ký tự d ữliệu được điều ch ế song song cách đều nhau trên các sóng mang ph Các sóng mang ph này có s phân chia t n s t i thi u c n thiụ ụ ự ầ ố ố ể ầ ết

để duy trì tính trực giao tương ứng v i d ng sóng trong mi n th i gian, còn ph tín ớ ạ ề ờ ổ

hiệu tương ứng v i các sóng mang ph khác nhau ch ng l n trong mi n t n s S ớ ụ ồ ấ ề ầ ố ựchồng l n ph tín hi u làm cho h th ng OFDM có hi u su t s d ng ph ấ ổ ệ ệ ố ệ ấ ử ụ ổ cao hơn nhi u so v i các k thuề ớ ỹ ật điều ch ế thông thường Ngoài ra OFDM còn có một đặc điểm n i b t là kh ổ ậ ả năng chống l i fading l a ch n t n s cao b ng cách s d ng kênh ạ ự ọ ầ ố ằ ử ụtruy n fading ph ng và cho phép lu ng thông tin tề ẳ ồ ốc độ cao được truy n song song ề

v i tớ ốc độ thấp trên các kênh băng hẹp Ngoài ra, OFDM còn là m t k thuộ ỹ ật đơn

giản được áp d ng r t hi u qu kh c ph c hiụ ấ ệ ả để ắ ụ ện tượng nhi u liên ký t (ISI) trong ễ ự

vi c trãi tr ệ ễ fading đa đường b ng cách s d ng kho ng b o v t i v trí bằ ử ụ ả ả ệ ạ ị ắt đầu mỗi chuỗi ký tự

M t tín hi u OFDM gộ ệ ồm mộ ố lượt s ng l n các sóng mang có kho ng cách t n ớ ả ầ

s rố ất gần nhau, do đó khi điều ch ếcác tín hiệu chúng s ẽchồng l n lên nhau Vì v y, ấ ậcác máy thu ph i nhả ận được toàn b tín hi u và giộ ệ ải điều ch chúng chính xác So vế ới các kỹ thuật trước đây như FDM, các tín hiệu ph i tách bi t nhau khi truyả ệ ền đi đểmáy thu có th tách r i chúng b ng b l c và khoể ờ ằ ộ ọ ảng băng bảo v gi a chúng Tuy ệ ữ

nhiên, v i nh ng cái ti n c a k ớ ữ ế ủ ỹthuật OFDM thì máy thu vẫn thu được tín hi u mà ệkhông b nhi u m c dù ph c a sóng mang ch ng l n lên nhau nh vào tính tr c giao ị ễ ặ ổ ủ ồ ấ ờ ựcác sóng mang con

Ngoài ra, t l công suỷ ệ ất đỉnh trên công su t trung bình (PAPR) c a tín hiấ ủ ệu

c a h ủ ệ thống đa sóng mang như OFDM là khá l n, yêu cớ ầu độ khuếch đạ ổi t ng của

b ộRF ở đầ u ra c a máy phát phủ ải đáp ứng được công suất đỉnh trong khi công suất

đỉnh trung bình r t th p H n ch công suấ ấ ạ ế ất đỉnh là một phương pháp để kh c ph c ắ ụtrong m t s h ộ ố ệ thống Tuy nhiên, vi c này gây méo tín hi u và làm cho lệ ệ ỗi cao hơn

Để ả gi m l i, h th ng ph i s d ng các kỗ ệ ố ả ử ụ ỹ thuậ ử ỗi để nâng cao cht s a l ất lượng Việc

s d ng biử ụ ến đổi IDFT trong điều ch và phép biế ến đổi DFT trong giải điều ch cế ủa

k ỹ thuật OFDM cũng làm tăng tốc độ ử x lý tín hi u máy phát và máy thu Ngày ệ ởnay, thay vì s dử ụng IDFT/DFT người ta s dử ụng IFFT/FFT để ả gi m bớt độ ph c tự ạp

của hệ thống

• S ự trực giao

c giao là thu t ng c

Trự ậ ữ đề ập đến m i quan h chính xác v m t toán h c giố ệ ề ặ ọ ữa các t n s sóng mang c a h ầ ố ủ ệthống OFDM Nói v ề FDM, các sóng thường đặt cách nhau m t kho ng cách d i tộ ả ả ần để tín hi u không b can nhi u và có th thu chúng ệ ị ễ ể

b ng các b ằ ộ điều ch và b lế ộ ọc thông thường Vì v y kho ng b o v gi a các sóng ậ ả ả ệ ữmang cần được d ữliệu trước và vi c s d ng kho ng b o v này làm gi m hi u qu ệ ử ụ ả ả ệ ả ệ ả

s d ng ph cử ụ ổ ủa hệ thống Còn v k ề ỹthuật OFDM, các sóng mang được sắp x p sao ếcho các d i biên c a chúng che ph lên nhau mà máy thu v n có th ả ủ ủ ẫ ể thu được chính xác tính các tín hi u không có can nhi u giệ ễ ữa các sóng mang Muốn đạt được điều này thì các sóng mang ph i tr c giao v i nhau v m t toán hả ự ớ ề ặ ọc OFDM đạt đượ ực s trực giao b ng cách c p phát cho m i ngu n thông tin m t s sóng mang nhằ ấ ỗ ồ ộ ố ất định khác nhau Tín hi u OFDM là t ng t t c các sóng hình sin này M i sóng mang có ệ ổ ấ ả ỗ

m t chu k sao cho b ng m t s nguyên l n th i gian c n thiộ ỳ ằ ộ ố ầ ờ ầ ết để truy n m t ký hi u ề ộ ệ

V m t toán h c ta có t p hề ặ ọ ậ ợp các hàm được g i là tr c giao n u thõa mãn ọ ự ế

bi u thể ức sau:

Xét hàm thõa mãn tính trực giao được s d ng trong k ử ụ ỹthuật OFDM Các d ng sóng hình sin và cosin có giá tr trung bình trên m t chu k b ng 0 và thõa ạ ị ộ ỳ ằmãn tính trực giao các sóng nên được sử ụ d ng làm sóng mang ph ụ trong điều ch tín ế

hi u Xét tính tr c giao cệ ự ủa hai dạng sóng sin sau:

Ta lấy tích phân của hai sóng ên khotr ảng th i gian chu k c a nó, ta ờ ỳ ủ được:

T trên, n u hai sóng sin có cùng t n s thì d ng hừ ế ầ ố ạ ợp thành luôn dương, thì

dẫn đến giá tr trung bình luôn khác 0 ị

Tính tr c giao c a các sóng mang con th hi n ự ủ ể ệ ở chỗ ạ, t i mỗi đỉnh c a sóng ủmang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác b ng 0 ằ

Hình 2-2: Ph sóng mang con OFDM ổ

2.2.3 Sơ đồ khối OFDM

Xét h ệ thống OFDM s dử ụng phương pháp điều ch ế biên độ ầu phương c

MQAM

• Xét kh i máy phát OFDM ố

Hình 2- 3: Sơ đồ khố i máy phát OFDM

- Dòng dữ liệu đầu vào với tố ộc đ cao được mã hóa thông qua b Encoder ộ

- Có thể được ắs p x p theo m t trình t h n h p b ng b xen k (Interleaving) ế ộ ự ỗ ợ ằ ộ ẽ(không đưa vào hình trên, và được mô t trong xem t i m c 2.2.3 ph n “Kh i ả ạ ụ ầ ốxen kẽ”)

- Sau đó các dòng bit trên các nhánh s ẽ được điều ch s (trong mô ph ng ế ố ỏchúng ta sẽ ử ụ s d ng b ộQAM, và xem tại m c 2.2.3 ph n “Kh i i u ế”) ụ ầ ố đ ề ch

- Chèn Pilot để phục vụ ước lượng kênh

- Dòng dữ liệ u ti p tế ục được đưa vào bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P)

- Sau đó đưa vào bộ IFFT để chuyển đổi dữ liệ ừ miề ầ ố u t n t n s sang mi n thề ời gian (xem t i m c 2.2.3 ph nạ ụ ầ “Khối IFFT/FFT ”)

- Chèn ti n t lề ố ặp CP để ả gi m nhi u liên ký t (ISI) và nhi u xuyên kênh (xem ễ ự ễ

t i m c 2.2.3 ph n ạ ụ ầ “Tiề ố ặn t l p (CP) ”)

- D u ti p t c chuy n t ữliệ ế ụ ể ừsong song thành nố ếi ti p thông qua b (P/S) ộ

- D ữliệu được điều ch ếcao tần, khuếch đại công suất và phát đi thông qua ăng-ten (không đưa vào hình trên)

• Xét kh i máy thu OFDM ố

Khối máy thu là một quá trình ngược c a khối máy phát ủ

Hình 2-4: S ơ đồ khố i máy thu OFDM

- T i máy thu, tín hiạ ệu thu được chuy n xu ng t n s ể ố ầ ốthấp và được đưa qua bộADC thành tín hiệ ờ ạu r i r c (không đưa vào hình trên)

- Tiề ố ặp (CP) đượn t l c loại bỏ và chuy n t n i ti p sang song song (xem t i ể ừ ố ế ạ

Trong MIMO-OFDM, để kh c ph c l i chùm xu t hiắ ụ ỗ ấ ện trong thông tin đa sóng mang

do fading, người ta k t h p mã hóa v i k thu t xen k K thu t xen k chuyế ợ ớ ỹ ậ ẽ ỹ ậ ẽ ển đổi

l i chùm thành l i ngỗ ỗ ẫu nhiên để ộ b mã hóa kênh có th ểkhắc phục dễ dàng

Hình 2-5: K ỹ thuậ t xen k ẽ

• Khố i đi ều ch ế

Tín hiệu sau khi được mã hóa và xen r sẽ ẽ được điều ch s máy phát và giế ố ở ải điều ch máy thu Viế ở ệc điều ch s cho phép truy n d li u tế ố ề ữ ệ ốc độ cao hơn, khảnăng chống nhi u tễ ốt hơn, chống được ảnh hưởng c a suy hao kênh truy n và có tính ủ ề

b o mả ậ ốt hơn Vớt t i k ỹthuật điều ch nhi u mế ề ức như M QAM trong điề- u ch s cho ế ố

tốc độ bit cao hơn nhiều so với điều ch ế tương tự ở cùng băng thông

u ch c s d ng tùy vào vi c dung hòa gi a yêu c u t

truy n d n và chề ẫ ất lượng truy n d n ề ẫ

Hình 2 -6: 4- QAM Hình 2 -7: 16- QAM

Khi s dử ụng điều ch QAM, s có lế ẽ ần lượt bit được đưa đến đầu vào

và sau khi ánh x thì s là m t trong M v trí trong m t ph ng ph c Khi giạ ẽ ộ ị ặ ẳ ứ ải điều chế,

ta chỉ ầ c n biết vị trí tọa độ trong mặt phẳng ph c thì ta sứ ẽ ết đượ bi c bit đó là bit nào

• Khối IFFT/FFT

Trong k ỹthuật OFDM, d ữliệu được truy n song song nh r t nhi u sóng mang ề ờ ấ ềcon C ụthể là m i kênh con c n m t b ỗ ầ ộ ộ điều ch và giế ải điều ch , m t máy phát sóng ế ộsin Vì v y khi s ậ ố lượng kênh con khá l n thì cách làm trên không hi u quớ ệ ả Để ải giquy t vế ấn đề này người ta s d ng biử ụ ến đổi IDFT/DFT để ạo sóng sin, điề t u ch và ế

giải điều ch trên mế ỗi kênh con Để giảm độ ph c t p, c ng k nh trong h ứ ạ ồ ề ệ thống, thuật toán IFFT/FFT được sử ụ d ng làm cho phép biến đổi nhanh hơn

• Tiề ố ặn t l p (CP)

n t l p là m thu t x tín hi u trong OFDM nh m h n ch n m

thấp nh ảnh hưởất ng c a nhi u liên ký t , nhiủ ễ ự ễu liên kênh đến tín hiệu OFDM, đảm

b o yêu c u v tính tr c giao c a các sóng mang phả ầ ề ự ủ ụ Để thực hi n k thu t này, ệ ỹ ậtrong quá trình x lý, tín hiử ệu OFDM đượ ặ ạc l p l i có chu k và ph n l p lỳ ầ ặ ại ở phía trước m i ký t ỗ ự OFDM được s dử ụng như khoảng th i gian b o v gi a các k t ờ ả ệ ữ ỹ ựphát k nhau Vì v y sau khi chèn thêm kho ng b o v , th i gian truy n m t ký t ề ậ ả ả ệ ờ ề ộ ự( ) lúc này bao g m kho ng th i gian b o v (ồ ả ờ ả ệ và th i gian truy n thông tin có ờ ềích TFFT (cũng chính là khoảng th i gian b ờ ộ IFFT/FFT phát đi một ký t ) ự

T l cỉ ệ ủa khoảng b o v ả ệ và th i gian kho ng ký t h u ích ờ ả ự ữ b h n ch ị ạ ế

nhằm đảm bảo hi u suệ ất sử ụ d ng dải tần và nó còn ph thu c vào t ng lo i hình ng ụ ộ ừ ạ ứ

d ng khác nhau N u t l ụ ế ỷ ệ đó lớn t c là ứ tăng làm giảm hi u su t h ệ ấ ệ thống Tuy nhiên nó ph i b ng ho c lả ằ ặ ớn hơn giá trị trả ễ ực đại i tr c nh m duy trì tính trằ ực giao gi a gi a các sóng mang con và lo i b nhi u ICI, ISI ữ ữ ạ ỏ ễ Ở đây, giá tr i tr c c trị ả ễ ự

đại mlà ột thông s xu t hi n khi t hiố ấ ệ ín ệu truy n trong không gian ch u nh h ng ề ị ả ưở

c a hi n t ng a ủ ệ ượ đ đường, t c là tín hi u u ứ ệ th đượ ạ ộ thuc t i b không chỉ đế ừ đườ n t ng

tr c p mà còn n t c ự tiế đế ừ cá đường ph n x khác nhau, và c hi u này n b ả ạ cá tín ệ đế ộthu t i các th i ạ ờ điểm khác nhau Giá ị trả tr i tr c c i ễ ự đạ được xác nh kho ng đị là ả

th i gian chênh lờ ệch ớ l n nh t gi a th i ấ ữ ờ điểm tín hi u ệ thu qua đường tr c ti p và ự ế

th i i m tín hi u thu ờ đ ể ệ được qua đường ph n x ả ạ

Ngoài khái ni m ti n t l p ệ ề ố ặ còn có khái ni m h u t l p cệ ậ ố ặ yclic post x H u fi ậ

t cố ũng ươ t ng t ự như ề ti n t , m t kho ng b t u c a hi u l y IFFT ố ộ ả ắ đầ ủ tín ệ ấ được sao

ch và a phía ép đư ra sau c a tín hi u Thêm vào h u t ng có th ủ ệ ậ ố cũ ể chống được nhi u ISI và ễ ICI nh ng ư thường ch c n s d ng ti n t là ỉ ầ ử ụ ề ố được vì nó làm gi m hi u ả ệ

su t ng ông N u ấ bă th ế chỉ ử ụ s d ng ti n t l p thì chi u ề ố ặ ề dài ủ c a nó ph i l n h i ả ớ ơn trả

tr l n nh Còn n u s d ng c ti n t và h u t l p thì t ng ễ ớ ất ế ử ụ ả ề ố ậ ố ặ ổ chiều dài c a chúng ủ

phải lớn h n tr i l n nh t c a kênh uyơ độ ả trễ ớ ấ ủ tr ền