CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn là TS Lâm Hồng Thạch Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hội An, ngày 05 tháng 05 năm

2014

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Khoa học và công nghệ Trường Đại học Phan Châu Trinh, những người đã dạy dỗ, trang bị cho em những kíến thức bổ ích trong bốn năm học vừa qua

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo Lâm Hồng Thạch, người

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực tập và làm đồ án

Em xin chân thành cảm ơn !

Hội An, ngày 10 tháng 04 năm 2014

MỤC LỤC MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

MỤC LỤC iii xii

MỤC LỤC iii iii xii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii iii xii

LỜI MỞ ĐẦU 1 iii xii

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VIỆT NAM 1 iii xii

1.1 Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động 1 iii xii

1.2 Công nghệ thông tin di động tương lai 6 iii xii

Hình 1.1 Năng lực của các hệ thống 3G mở rộng 8 iii xii

Hình 1.2 Mạng tương lai thống nhất, bao gồm nhiều hệ thống truy nhập đan xen nhau 9 iii xii

Hình 1.3 Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến 11 iii xii

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống 4G 15 iii xii

Hình 1.5 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop 16 iii xii

Chương 2 MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 20 iii xii

2.1 Quá trình mã hóa và nguyên lý 20 iii xii

Hình 2.1 Quá trình mã hóa trong hệ thống truyền thông số 21 iii xii

2.2 Vai trò của mã hóa 22 iii xii

2.3 Các phương pháp mã hóa kênh trong hệ thống 3G 23 iii xii

Hình 2.2 Mã hóa khối 24 iii xii

Hình 2.3 Bộ mã có tính hệ thống và không hệ thống 25 iii xii

Hình 2.4 Bộ mã hóa xoắn tỷ lệ 1/3 27 iii xiii

Hình 2.5 Bộ mã hóa Turbo 30 iv xiii

Hình 2.6 Bộ giải mã Turbo 31 iv xiii

Hình 2.7 Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO 38 iv xiii

2.6 Kết luận chương 40 iv xiii

3.1 Phương pháp mã hóa không gian - thời gian 41 iv xiii

Hình 3.1 Một mô hình hệ thống băng tần gốc 42 iv xiii

Hình 3.2 Sơ đồ mã lưới 48 iv xiii

Hình 3.3 Bộ mã lưới k=1, K=3 và n=2 48 iv xiii

Hình 3.4 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 và n=2 49 iv xiii

Hình 3.5 Sơ đồ khối của bộ mã hóa STTC 51 iv xiii

Hình 3.6 Đường biên giữa tiêu chuẩn TSC và tiêu chuẩn vết 56 iv xiii

Hình 3.7 Bộ mã hóa STTC với 4-PSK 56 iv xiii

Hình 3.8 Đặc tính FER của hệ thống BPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 60 iv xiii

Hình 3.9 Đặc tính FER của hệ thống QPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 61 iv xiii

Hình 3.11 Sơ đồ khối của bộ mã hóa ST Alamouti 64 iv xiii

Hình 3.14 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti với 2 và 1 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 73 iv xiii

Hình 3.15 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti vơi 2 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 76 iv xiii

Hình 3.17 Đặc tính mã STBC, STBC+TCM, STTC sử dụng mã 4 và 8 trạng 78 iv xiii

thái với 2 anten phát, 3 anten thu (IEEE, 2001) 78 iv xiv

DANH MỤC HÌNH VẼ viii xiv

LỜI MỞ ĐẦU 1 xiv

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VIỆT NAM 1 xiv

1.1 Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động 1 xiv

1.2 Công nghệ thông tin di động tương lai 6 xiv

Hình 1.1 Năng lực của các hệ thống 3G mở rộng 8 xiv

Hình 1.2 Mạng tương lai thống nhất, bao gồm nhiều hệ thống truy nhập đan xen nhau 9 xiv

Hình 1.3 Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến 11 xiv

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống 4G 15 xiv

Hình 1.5 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop 16 xiv

Chương 2 MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 20 xiv

2.1 Quá trình mã hóa và nguyên lý 20 xiv

Hình 2.1 Quá trình mã hóa trong hệ thống truyền thông số 21 xiv

2.2 Vai trò của mã hóa 22 xiv

2.3 Các phương pháp mã hóa kênh trong hệ thống 3G 23 xiv

Hình 2.2 Mã hóa khối 24 xiv

Hình 2.3 Bộ mã có tính hệ thống và không hệ thống 25 xiv

Hình 2.4 Bộ mã hóa xoắn tỷ lệ 1/3 27 xiv

Hình 2.5 Bộ mã hóa Turbo 30 xiv

Hình 3.4 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 và n=2 49 xv

Hình 3.5 Sơ đồ khối của bộ mã hóa STTC 51 xv

Hình 3.6 Đường biên giữa tiêu chuẩn TSC và tiêu chuẩn vết 56 xv

Hình 3.11 Sơ đồ khối của bộ mã hóa ST Alamouti 64 xv

Hình 3.14 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti với 2 và 1 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 73 xv

Hình 3.15 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti vơi 2 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 76 xv

Hình 3.17 Đặc tính mã STBC, STBC+TCM, STTC sử dụng mã 4 và 8 trạng 78 xv thái với 2 anten phát, 3 anten thu (IEEE, 2001) 78 xv

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VIỆT NAM 1

1.1 Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động 1

1.2 Công nghệ thông tin di động tương lai 6

Hình 1.5 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop 16

Chương 2 MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 20

2.1 Quá trình mã hóa và nguyên lý 20

Hình 2.1 Quá trình mã hóa trong hệ thống truyền thông số 21

2.2 Vai trò của mã hóa 22

2.3 Các phương pháp mã hóa kênh trong hệ thống 3G 23

Hình 2.2 Mã hóa khối 24

Hình 2.3 Bộ mã có tính hệ thống và không hệ thống 25

Hình 2.4 Bộ mã hóa xoắn tỷ lệ 1/3 27

Hình 2.5 Bộ mã hóa Turbo 30

Hình 3.4 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 và n=2 49

Hình 3.5 Sơ đồ khối của bộ mã hóa STTC 51

Hình 3.6 Đường biên giữa tiêu chuẩn TSC và tiêu chuẩn vết 56

Hình 3.11 Sơ đồ khối của bộ mã hóa ST Alamouti 64

Hình 3.14 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti với 2 và 1 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 73

Hình 3.15 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti vơi 2 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 76

Hình 3.17 Đặc tính mã STBC, STBC+TCM, STTC sử dụng mã 4 và 8 trạng 78 thái với 2 anten phát, 3 anten thu (IEEE, 2001) 78

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

3G Third generation Thế hệ thứ 3

A

B

C

D

E

F

LLR Log-likelihood ratio Tỷ lệ đoạn cực đại

M

MC-CDMA MultiCarrier Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã điều chế đa sóng mang

estimator

Khả năng giống nhất

Mã xoắn kết nối song song

Q

modulation

Điều chế biên độ cầu phương

S

SCBC Serial concatenated block coder Mã khối theo thứ tự nối tiếp

convolutional coder

Mã xoắn theo thứ tự nối tiếp

T

U

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỤC LỤC iii

MỤC LỤC iii iii

DANH MỤC HÌNH VẼ xii iii

MỤC LỤC iii xii iii

MỤC LỤC iii iii xii iii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii iii xii iii

LỜI MỞ ĐẦU 1 iii xii iii

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VIỆT NAM 1 iii xii iii

1.1 Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động 1 iii xii iii

1.2 Công nghệ thông tin di động tương lai 6 iii xii iii

Hình 1.1 Năng lực của các hệ thống 3G mở rộng 8 iii xii iii

Hình 1.2 Mạng tương lai thống nhất, bao gồm nhiều hệ thống truy nhập đan xen nhau 9 iii xii iii

Hình 1.3 Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến 11 iii xii iii

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống 4G 15 iii xii iii

Hình 1.5 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop 16 iii xii iii

Chương 2 MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 20 iii xii iii

2.1 Quá trình mã hóa và nguyên lý 20 iii xii iii

Hình 2.1 Quá trình mã hóa trong hệ thống truyền thông số 21 iii xii iii

2.2 Vai trò của mã hóa 22 iii xii iii

2.3 Các phương pháp mã hóa kênh trong hệ thống 3G 23 iii xii iii

Hình 2.2 Mã hóa khối 24 iii xii iv

Hình 2.3 Bộ mã có tính hệ thống và không hệ thống 25 iii xii iv

Hình 2.4 Bộ mã hóa xoắn tỷ lệ 1/3 27 iii xiii iv

Hình 2.5 Bộ mã hóa Turbo 30 iv xiii iv

Hình 2.6 Bộ giải mã Turbo 31 iv xiii iv

Hình 2.7 Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO 38 iv xiii iv

2.6 Kết luận chương 40 iv xiii iv

3.1 Phương pháp mã hóa không gian - thời gian 41 iv xiii iv

Hình 3.1 Một mô hình hệ thống băng tần gốc 42 iv xiii iv

Hình 3.2 Sơ đồ mã lưới 48 iv xiii iv

Hình 3.3 Bộ mã lưới k=1, K=3 và n=2 48 iv xiii iv

Hình 3.4 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 và n=2 49 iv xiii iv

Hình 3.5 Sơ đồ khối của bộ mã hóa STTC 51 iv xiii iv

Hình 3.6 Đường biên giữa tiêu chuẩn TSC và tiêu chuẩn vết 56 iv xiii iv

Hình 3.7 Bộ mã hóa STTC với 4-PSK 56 iv xiii iv

Hình 3.8 Đặc tính FER của hệ thống BPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 60 iv xiii iv

Hình 3.9 Đặc tính FER của hệ thống QPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 61 iv xiii iv

Hình 3.11 Sơ đồ khối của bộ mã hóa ST Alamouti 64 iv xiii iv

Hình 3.14 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti với 2 và 1 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 73 iv xiii iv

Hình 3.15 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti vơi 2 và 2 anten thu trên

kênh fading Rayleigh chậm 76 iv xiii v

Hình 3.17 Đặc tính mã STBC, STBC+TCM, STTC sử dụng mã 4 và 8 trạng 78 iv xiii v

thái với 2 anten phát, 3 anten thu (IEEE, 2001) 78 iv xiv v

DANH MỤC HÌNH VẼ viii xiv v

LỜI MỞ ĐẦU 1 xiv v

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VIỆT NAM 1 xiv v

1.1 Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động 1 xiv v

1.2 Công nghệ thông tin di động tương lai 6 xiv v

Hình 1.1 Năng lực của các hệ thống 3G mở rộng 8 xiv v

Hình 1.2 Mạng tương lai thống nhất, bao gồm nhiều hệ thống truy nhập đan xen nhau 9 xiv v

Hình 1.3 Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến 11 xiv v

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống 4G 15 xiv v

Hình 1.5 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop 16 xiv v

Chương 2 MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 20 xiv v

2.1 Quá trình mã hóa và nguyên lý 20 xiv v

Hình 2.1 Quá trình mã hóa trong hệ thống truyền thông số 21 xiv v

2.2 Vai trò của mã hóa 22 xiv v

2.3 Các phương pháp mã hóa kênh trong hệ thống 3G 23 xiv v

Hình 2.2 Mã hóa khối 24 xiv v

Hình 2.3 Bộ mã có tính hệ thống và không hệ thống 25 xiv vi

Hình 2.4 Bộ mã hóa xoắn tỷ lệ 1/3 27 xiv vi

Hình 2.5 Bộ mã hóa Turbo 30 xiv vi

Hình 2.6 Bộ giải mã Turbo 31 xv vi

Hình 2.7 Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO 38 xv vi

2.6 Kết luận chương 40 xv vi

3.1 Phương pháp mã hóa không gian - thời gian 41 xv vi

Hình 3.1 Một mô hình hệ thống băng tần gốc 42 xv vi

Hình 3.2 Sơ đồ mã lưới 48 xv vi

Hình 3.3 Bộ mã lưới k=1, K=3 và n=2 48 xv vi

Hình 3.4 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 và n=2 49 xv vi

Hình 3.5 Sơ đồ khối của bộ mã hóa STTC 51 xv vi

Hình 3.6 Đường biên giữa tiêu chuẩn TSC và tiêu chuẩn vết 56 xv vi

Hình 3.7 Bộ mã hóa STTC với 4-PSK 56 xv vi

Hình 3.8 Đặc tính FER của hệ thống BPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 60 xv vi

Hình 3.9 Đặc tính FER của hệ thống QPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 61 xv vi

Hình 3.11 Sơ đồ khối của bộ mã hóa ST Alamouti 64 xv vi

Hình 3.14 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti với 2 và 1 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 73 xv vi

Hình 3.15 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti vơi 2 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 76 xv vi

Hình 3.17 Đặc tính mã STBC, STBC+TCM, STTC sử dụng mã 4 và 8 trạng 78 xv

vii

thái với 2 anten phát, 3 anten thu (IEEE, 2001) 78 xv vii

LỜI MỞ ĐẦU 1 vii

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VIỆT NAM 1 vii

1.1 Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động 1 vii

1.2 Công nghệ thông tin di động tương lai 6 vii

Hình 1.1 Năng lực của các hệ thống 3G mở rộng 8 vii

Hình 1.2 Mạng tương lai thống nhất, bao gồm nhiều hệ thống truy nhập đan xen nhau 9 vii

Hình 1.3 Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến 11 vii

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống 4G 15 vii

Hình 1.5 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop 16 vii

Chương 2 MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 20 vii

2.1 Quá trình mã hóa và nguyên lý 20 vii

Hình 2.1 Quá trình mã hóa trong hệ thống truyền thông số 21 vii

2.2 Vai trò của mã hóa 22 vii

2.3 Các phương pháp mã hóa kênh trong hệ thống 3G 23 vii

Hình 2.2 Mã hóa khối 24 vii

Hình 2.3 Bộ mã có tính hệ thống và không hệ thống 25 vii

Hình 2.4 Bộ mã hóa xoắn tỷ lệ 1/3 27 vii

Hình 2.5 Bộ mã hóa Turbo 30 vii

Hình 2.6 Bộ giải mã Turbo 31 viii

Hình 2.7 Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO 38 viii

2.6 Kết luận chương 40 viii

3.1 Phương pháp mã hóa không gian - thời gian 41 viii

Hình 3.1 Một mô hình hệ thống băng tần gốc 42 viii

Hình 3.2 Sơ đồ mã lưới 48 viii

Hình 3.3 Bộ mã lưới k=1, K=3 và n=2 48 viii

Hình 3.4 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 và n=2 49 viii

Hình 3.5 Sơ đồ khối của bộ mã hóa STTC 51 viii

Hình 3.6 Đường biên giữa tiêu chuẩn TSC và tiêu chuẩn vết 56 viii

Hình 3.7 Bộ mã hóa STTC với 4-PSK 56 viii

Hình 3.8 Đặc tính FER của hệ thống BPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 60 viii

Hình 3.9 Đặc tính FER của hệ thống QPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 61 viii

Hình 3.11 Sơ đồ khối của bộ mã hóa ST Alamouti 64 viii

Hình 3.14 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti với 2 và 1 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 73 viii

Hình 3.15 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti vơi 2 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 76 viii

Hình 3.17 Đặc tính mã STBC, STBC+TCM, STTC sử dụng mã 4 và 8 trạng 78viii thái với 2 anten phát, 3 anten thu (IEEE, 2001) 78 viii

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VIỆT NAM 1

1.1 Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động 1

1.2 Công nghệ thông tin di động tương lai 6

Hình 1.1 Năng lực của các hệ thống 3G mở rộng 8

Hình 1.2 Mạng tương lai thống nhất, bao gồm nhiều hệ thống truy nhập đan xen nhau 9

Hình 1.3 Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến 11

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống 4G 15

Hình 1.5 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop 16

Chương 2 MÃ HÓA KÊNH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 20

2.1 Quá trình mã hóa và nguyên lý 20

Hình 2.1 Quá trình mã hóa trong hệ thống truyền thông số 21

2.2 Vai trò của mã hóa 22

2.3 Các phương pháp mã hóa kênh trong hệ thống 3G 23

Hình 2.2 Mã hóa khối 24

Hình 2.3 Bộ mã có tính hệ thống và không hệ thống 25

Hình 2.4 Bộ mã hóa xoắn tỷ lệ 1/3 27

Hình 2.5 Bộ mã hóa Turbo 30

Hình 2.6 Bộ giải mã Turbo 31

Hình 2.7 Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO 38

2.6 Kết luận chương 40

3.1 Phương pháp mã hóa không gian - thời gian 41

Hình 3.1 Một mô hình hệ thống băng tần gốc 42

Hình 3.2 Sơ đồ mã lưới 48

Hình 3.3 Bộ mã lưới k=1, K=3 và n=2 48

Hình 3.4 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 và n=2 49

Hình 3.5 Sơ đồ khối của bộ mã hóa STTC 51

Hình 3.6 Đường biên giữa tiêu chuẩn TSC và tiêu chuẩn vết 56

Hình 3.7 Bộ mã hóa STTC với 4-PSK 56

Hình 3.8 Đặc tính FER của hệ thống BPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 60

Hình 3.9 Đặc tính FER của hệ thống QPSK Alamouti với 1 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 61

Hình 3.11 Sơ đồ khối của bộ mã hóa ST Alamouti 64

Hình 3.14 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti với 2 và 1 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 73

Hình 3.15 Đặc tính BER của hệ thống BPSK Alamouti vơi 2 và 2 anten thu trên kênh fading Rayleigh chậm 76

Hình 3.17 Đặc tính mã STBC, STBC+TCM, STTC sử dụng mã 4 và 8 trạng 78

thái với 2 anten phát, 3 anten thu (IEEE, 2001) 78

LỜI MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài: Các hệ thống thông tin di động đang bùng nổ cả

trên thế giới và cả ở Việt Nam.Trước yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng thông tin di động về chất lượng và tính đa dạng của dịch vụ và đặc biệt là các dịch vụ truyền

dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện,việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu hướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp Viễn Thông di động Mạng thông tin di động thế hệ

ba ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó.Tuy nhiên, mạng di động này cũng có một số nhược điểm như: Tốc độ truyền

dữ liệu lớn nhất là 2Mbps, vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc download các file dữ liệu lớn,…chưa đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng

Trong bối cảnh đó người ta đã chuyển hướng sang nghiên cứu hệ thống thông tin di động mới có tên gọi là 4G Nghiên cứu về mã hoá kênh là đề tài quan trọng và có

ý nghĩa nhất là trong thời kỳ các hệ thống viễn thông đang tiến đến 4G Sự ra đời của

hệ thống này mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ âm thanh

số Việc phát triển công nghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dich vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụng download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode, và công nghệ mã hoá media chất lượng cao trên nền các mạng di động

2.Tình hình nghiên cứu: Hiện nay Viettel đã đưa vào sử dụng GPRS để đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ dữ liệu ngày càng cao của các thuê bao Các dịch vụ chủ yếu của GPRS như: WAP, truy nhập Internet có hai phương thức là truy nhập gián tiếp và truy nhập trực tiếp, dịch vụ nhắn tin đa phương tiện, video, xem các đoạn phim tải về, xem video trực tuyến Ngoài ra còn có dịch vụ thương mại điện tử di động, dịch

vụ ngân hàng, quảng cáo trên điện thoại di động…do giá cước còn cao nên các loại bao

có thuê nhập trung bình và cao

3.Mục đích nghiên cứu: Mục đích của việc mã hóa kênh là nhằm chuẩn bị các

luồng dữ liệu sao cho với những lỗi xảy ra trong quá trình truyền, các máy thu chắc chắn có thể phát hiện ra và chuẩn hóa lại được.Công việc này được thực hiện hoàn toàn thông qua quá trình tính toán sữ liệu dự phòn từ các luồng dữ liệu.Trong khi mã hóa nguồn hướng tới loại bỏ các dữ liệu dư thừa, thì mã hóa kênh làm tăng tổng dung lượng dữ liệu để sự truyền dẫn đáng tin cậy hơn và cải thiện chất lương dịch vụ Công nghệ truyền thông di động thế hệ thứ 4 là thực hiện truyền thông vô tuyến ở tốc độ cao bằng với tốc độ trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang hiện tại Tuy các hệ thống truyền thông di động 4G được dự đoán sẽ được áp dụng trong tương lai, nhưng các công nghệ tiền thân và các dịch vụ của nó hiện đã được giới thiệu Với việc tích hợp Internet và các ứng dụng đa truyền thông trong các hệ thống viễn thông thế hệ 4G, yêu cầu về các dịch vụ truyền thông tốc độ cao băng rộng ngày càng tăng Nhưng vì phổ tần số sẵn có bị giới hạn nên để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn thì chỉ còn cách nghiên cứu và đưa ra những kỹ thuật xử lý tín hiệu mới, hiệu quả hơn

4 Nhiệm vụ nghiên cứu: Những nghiên cứu gần đây về lý thuyết thông tin đã

cho thấy rằng các kênh vô tuyến có dung lượng lớn có thể đạt được trong hệ thống

MIMO (multiple-input multiple-output) Kênh MIMO được xây dựng với nhiều anten phần tử ở cả hướng phát lẫn hướng thu Mã không gian-thời gian (space-time coding)

là một tập hợp các kỹ thuật sắp xếp tín hiệu thực tế nhằm đạt được mục đích là tiến đến

gần giới hạn dung lượng lý thuyết của các kênh MIMO Nền tảng của mã hóa không gian-thời gian được đặt ra bởi Tarokh, Seshadri và Calderbank vào năm 1998 sự kết hợp giữa mã hóa không gian-thời gian và xử lý tín hiệu MIMO đã sớm trở thành một phạm vi nghiên cứu sôi nổi nhất trong truyền thông vô tuyến Lúc này, nhiệm vụ chính của nghiên cứu là triệt nhiễu tại máy thu.

5 Phương pháp nghiên cứu: Mã hóa không gian thời gian dựa vào mối quan hệ

tương quan giữa các tín hiệu được phát ở cả 2 miền không gian và thời gian Bằng phương pháp này, ta sẽ đạt được đồng thời độ lợi phân tập và độ lợi mã hóa, cũng có nghĩa là đạt được hiệu quả phổ tần cao Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc thiết kế mối quan hệ phụ thuộc không gian-thời gian ở tín hiệu phát với mong muốn đạt được độ lợi phân tập và độ lợi mã hóa cao Nhưng gần đây, các nghiên cứu lại chuyển sang hướng tín hiệu chỉ được mã hóa trong miền thời gian và được phát bởi nhiều anten độc lập

6 Kết quả đạt được của đề tài : là nền tảng đế so sánh với các mã hóa kênh đã

sử dụng trong thông tin di động 3G để thấy được những ưu điểm nổi bật, tính cấp thiết của quá trình hướng tới hệ thống thông tin di động 4G, cho một nền công nghệ kỹ thuật phát triển và đang ngày một đi lên không ngừng

7 Nội dung đề tài: Nội dung đề tài bao gồm 3 chương :

- Chương 1: Sự phát triển của hệ thống thông tin di động của Việt Nam

- Chương 2: Mã hóa kênh trong thông tin di động

- Chương 3: Các phương pháp mã hóa kênh đề xuất sử dụng trong 4G

Xin chân thành cảm ơn !

Chương 1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

VIỆT NAM

1.1 Giới thiệu về các hệ thống thông tin di động

1.1.1 Mạng thông tin đầu tiên 1G

Hệ thống thông tin di động 1G hay còn gọi là sự khởi đầu giản đơn 1G là chữ viết tắt của công nghệ điện thoại không dây thế hệ đầu tiên (1st Generation) Nó là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm đầu thập niên 80 Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động

Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng mạng 1G cũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng

ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng

ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom

2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia

1.1.2 Mạng thông tin di động thế hệ 2G

1.1.2.1 Công nghệ sử dụng

Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn

so với thế hệ đầu tiên Với công nghệ GSM , nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991

Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là

sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS Theo đó, các tin hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn

Những công nghệ 2G được chia làm hai dòng chuẩn : TDMA (Time – Divison Mutiple Access : Đa truy cập phân chia theo thời gian), và CDMA ( Code Divison Multple Access : Đa truy cập phân chia theo mã), tùy thuộc vào hình thức ghép kênh được sử dụng

Các chuẩn công nghệ chủ yếu của 2G bao gồm:

- GSM (thuộc TDMA) có nguồn gốc từ châu Âu, nhưng đã được sử dụng trên tất cả các quốc gia ở 6 lục địa Ngày nay, công nghệ GSM vẫn còn được sử dụng với 80% điện thoại di động trên thế giới

- IS-95 còn được gọi là aka cdmaOne (thuộc CDMA, thường được gọi ngắn gọn

là CDMA tại Mỹ) được sử dụng chủ yếu là châu Mỹ và một số vùng ở châu Á Ngày nay, những thuê bao sử dụng chuẩn này chiếm khoảng 17% trên toàn thế giới Hiện tại,

ở các nước Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc có rất nhiều nhà cung cấp mạng CDMA chuyển sang cung cấp mạng GSM

- PDC (thuộc TDMA) là mạng tư nhân,tại Japan

- IS-136 aka D-AMPS (thuộc TDMA thường được gọi tắt là TDMA tại Mỹ) đã từng là mạng lớn nhất trên thị trường Mỹ nay đã chuyển sang GSM

- iDEN (nền tảng TDMA) sử dụng bởi Nextel tại Hoa Kỳ và Telus Mobility tại Canada

1.1.2.2 Đặc tính của mạng

Ở công nghệ 2G tín hiệu kĩ thuật số được sử dụng để trao đổi giữa điện thoại và các tháp phát sóng, làm tăng hiệu quả trên 2 phương diện chính :

- Thứ nhất, dữ liệu số của giọng nói có thể được nén và ghép kênh hiệu quả hơn

so với mã hóa Analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều cuộc gọi cùng được mã hóa trên một dải băng tần

- Thứ hai, hệ thống kĩ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ điện thoại Nhờ vậy, có thể thiết kế điện thoại 2G nhỏ gọn hơn; đồng thời giảm chi phí đầu tư những tháp phát sóng

Hơn nữa, mạng 2G trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một

số dịch vụ dữ liệu như Email và SMS Đồng thời, mức độ bảo mật cá nhân cũng cao hơn so với 1G

Tuy nhiên, hệ thống mạng 2G cũng có những nhược điểm, ví dụ, ở những nơi dân

cư thưa thớt, sóng kĩ thuật số yếu có thể không tới được các tháp phát sóng Tại những địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộc gọi sẽ bị giảm đáng kể

1.1.3 Mạng thông tin di động thế hệ 2.5G

1.1.3.1 Công nghệ sử dụng

2,5G chính là bước đệm giữa 2G với 3G trong công nghệ điện thoại không dây Chữ số 2.5G chính là biểu tượng cho việc mạng 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh hệ thống chuyển mạch theo kênh truyền thống Nó không được định nghĩa chính thức bởi bất kỳ nhà mạng hay tổ chức nào và chỉ mang mục đích duy nhất

là tiếp thị công nghệ mới theo mạng 2G

1.1.3.2 Đặc tính của mạng

Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA Và tiến bộ duy nhất

chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lưu chuyển dữ liệu được dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM Bên cạnh đó, một vài giao thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (bởi vì chúng dùng một tốc độ truyền dữ liệu chung là 144 kbit/s), nhưng vẫn được xem như là dịch vụ 2.5G (hoặc là nghe có vẻ phức tạp hơn là 2.75G) bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự.

* EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), hay còn gọi là EGPRS, là một công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS - cho phép truyền dự liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kbit/s dành cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm, 144kbit/s cho người dùng di chuyển với tốc độ cao Trên đường tiến đến 3G, EDGE được biết đến như là công nghệ 2.75G Thực tế bên cạnh điều chế GMSK, EDGE dùng phương thức điều chế 8-PSK để tăng tốc độ dữ liệu truyền Chính vì thế, để triển khai EDGE, các nhà cung cấp mạng phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng như là thiết bị di động

sự phát triển

Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU) Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới, nhưng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt:

- UMTS (W-CDMA)

* UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dụng GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu

và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam) UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE

* FOMA, thực hiện bởi công ty viễn thông NTT DoCoMo Nhật Bản năm 2001, được coi như là một dịch vụ thương mại 3G đầu tiên Tuy là dựa trên công nghệ W-CDMA, nhưng công nghệ này vẫn không tương thích với UMTS (mặc dù có các bước tiếp hiện thời để thay đổi lại tình thế này)

- CDMA 2000

* Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 Các đề xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập với 3GPP Và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-DO và 1xEV-DV

này đã được chấp nhận bởi ITU

KDDI của Nhận Bản, dưới thương hiệu AU với hơn 20 triệu thuê bao 3G Kể từ năm

2003, KDDI đã nâng cấp từ mạng CDMA2000-1x lên mạng CDMA2000-1xEV-DO với tốc độ dữ liệu tới 2.4 Mbit/s Năm 2006, AU nâng cấp mạng lên tốc độ 3.6 Mbit/s

SK Telecom của Hàn Quốc đã đưa ra dịch vụ CDMA2000-1x đầu tiên năm 2000, và sau đó là mạng 1xEV-DO vào tháng 2 năm 2002

- TD-SCDMA

Chuẩn được ít được biết đến hơn là TD-SCDMA, được phát triển riêng tại Trung Quốc bởi công ty Datang và Siemens

- Wideband CDMA

Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbit/s và 2 Mbit/s Giao thức này được dùng trong một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbit/s Khi nó dùng trong một mạng cục bộ LAN, tốc độ tối đa chỉ là 1,8 Mbit/s Chuẩn này cũng được công nhận bởi ITU.

1.1.4.2 Đặc tính của mạng

Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video thường được miêu tả như là lá cờ đầu Giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu

về bản quyền tần số được bỏ qua do phát triển hạ tâng cơ sở IT quốc gia được đặt lên làm vấn đề ưu tiên nhất Và cũng chính Nhật Bản là nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại một cách rộng rãi, tiên phong bởi nhà mạng NTT DoCoMo Tính đến năm 2005, khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê bao 3G, và mạng 2G đang dần dần đi vào lãng quên trong tiềm thức công nghệ tại Nhật Bản

1.2 Công nghệ thông tin di động tương lai

4G là công nghệ đa phương tiện di động của tương lai Đây là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ 4, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng tới 1-1,5 GB/s NTT Docomo xem 4G như sự mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao Mạng điện thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc độ tải là 384 Kbit/s và truyền dữ liệu lên với tốc độ 129 Kbit/s NTT DoCoMo cũng hy vọng trong vòng 2010 - 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh .Quan điểm này được xem

như là một “quan điểm tuyến tính”, trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100 MB/s Với cách nhìn nhận này, 4G sẽ chính là mạng 3G LTE, UMB hay WiMAX 802.16m.

1.2.1 Hướng đến hệ thống 4G

Các giả thiết về tốc độ dữ liệu là mục đích cho sự nghiên cứu và khảo sát trên các công nghệ cơ sở cần thiết để thực hiện viễn cảnh đó Yêu cầu kỹ thuật hệ thống và thiết

kế tương lai sẽ dựa vào các kết quả của sự nghiên cứu và khảo sát này Do yêu cầu tốc

độ dữ liệu cao, phổ tần bổ sung sẽ cần cho các khả năng mới của hệ thống IMT-2000

mở rộng Các mục tiêu về tốc độ dữ liệu cho thấy sự tiến bộ trong công nghệ và các giá trị này được mong đợi sẽ đạt được bởi tiến độ của công nghệ trong khoảng thời gian nghiên cứu và phát triển khả năng mới của các hệ thống IMT-2000 mở rộng

Cùng với sự phát triển trong tương lai của IMT-2000 và các hệ thống IMT-2000

mở rộng Sẽ có một mối quan hệ ngày càng tăng giữa việc truy nhập vô tuyến và các hệ thống thông tin liên lạc, ví dụ như mạng WPAN, LAN, quảng bá số và truy nhập không dây cố định Dựa vào các yêu cầu về dịch vụ đã được vạch ra, dự tính lưu lượng

và công nghệ truy nhập vô tuyến, ITU-R làm việc trên cấu trúc hệ thống tiềm năng, tương ứng từ hình 1.1 đến hình 1.3 Trong trường hợp này, tính lưu động chậm sẽ được tính bằng tốc độ đi bộ ( ≈ 3km/h), tính lưu động trung bình tương ứng với tốc độ

xe ôtô trong thành phố (≈ 50-60km/h), lưu động nhanh tương ứng với tốc độ trên đường cao tốc hoặc xe lửa tốc độ cao ( ≈ 60km/h đến 250km/h hoặc hơn nữa)

Độ lưu động về cơ bản cũng liên quan đến kích thước cell trong hệ thống tế bào, cũng như khả năng của hệ thống Nói chung, kích thước cell trong một hệ thống tế bào phải lớn hơn một độ lưu động cao nào đó để giảm tải chuyển giao trong mạng

Hình 1.1 Năng lực của các hệ thống 3G mở rộng.

Hình 1.2 Mạng tương lai thống nhất, bao gồm nhiều hệ thống truy nhập đan xen

nhau

Từ viễn cảnh của ngày hôm nay, ITU-R sẽ bắt đầu chuẩn hóa hệ thống, với các băng tần đã được xác định và bước đầu triển khai các hệ thống IMT-2000 mở rộng sau năm 2010 Hệ thống truy nhập tương lai sẽ bao gồm những công nghệ truy nhập mở rộng và sẵn có Ngoài ra, các công nghệ truy nhập vô tuyến mới sẽ đạt được tốc độ dữ liệu cao cho truy nhập không dây có tính lưu động thấp và cho trường hợp tế bào với tính lưu động cao Yêu cầu tốc độ dữ liệu cho trường hợp tế bào là một thách thức lớn của viễn cảnh công nghệ cùng với phổ tần tương lai sẽ được sử dụng

1.2.2 Tìm hiểu sơ lược về hệ thống 4G

Việc tiến đến hệ thống thông tin di động 4G được đặt ra để giải quyết các vấn đề vẫn còn tồn tại ở hệ thống 3G và cũng để cung cấp khả năng đáp ứng rộng cho các dịch

vụ mới, từ thoại chất lượng cao đến truyền hình độ phân giải cao, cho đến các kênh vô tuyến tốc độ dữ liệu cao Thuật ngữ 4G được sử dụng với một ý nghĩa rộng bao gồm các loại khác nhau của hệ thống truyền thông truy nhập vô tuyến băng rộng, không chỉ riêng hệ thống điện thoại tế bào Một trong các thuật ngữ cũng được dùng để miêu tả

4G đó là MAGIC – đa truyền thông di động (Mobile multimedia), mọi lúc mọi nơi (Anytime anywhere), hỗ trợ lưu động toàn cầu (Global mobility support), giải pháp vô tuyến tích hợp (Integrated wireless solution), và dịch vụ thuê bao cá nhân (Customized personal service) Hệ thống 4G không chỉ sẽ hỗ trợ các dịch vụ di động thế hệ sau mà còn hỗ trợ cho các mạng vô tuyến cố định.

1.2.3 Mục tiêu thiết kế hệ thống thông tin 4G

1.2.4.1 Thông tin băng rộng

Từ trước đến nay, lưu lượng trên mạng thông tin di động vẫn chủ yếu là lưu lượng thoại Hệ thống thế hệ 2G, hệ thống tế bào số cá nhân PDC (Personal Digital Cellular)

đã giới thiệu các dịch vụ I-mode Những dịch vụ đang được phổ biến hiện nay như: truy cập Internet, thương mại điện tử, e-mail Những dịch vụ này chủ yếu là thông tin

dữ liệu dựa trên văn bản qua mạng tế bào Hệ thống IMT-2000 đề xuất những dịch vụ tốc độ cao từ 64 đến 384 kbit/s, và tỷ lệ lưu lượng số liệu trên thoại tăng lên Tuy nhiên, sự phát triển mạnh của các dịch vụ băng rộng như ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), các hệ thống truy nhập cáp quang, các mạng LAN cơ quan, gia đình

đã làm tăng nhu cầu sử dụng các dịch vụ tương đồng của mạng thông tin di động

1.2.4.2 Chi phí thấp

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

Hình 1.3 Những vấn đề kỹ thuật liên quan đến công nghệ vô tuyến

1.2.4.3 Vùng phủ sóng rộng

Một trong những đặc tính của thông tin di động là có mặt khắp mọi nơi mọi lúc Những khả năng này cũng là một tiêu chí quan trọng cho sự phát triển của thông tin di động trong tương lai Khi một hệ thống mới đầu tiên được giới thiệu thì nói chung rất khó khăn trong việc cung cấp một vùng phủ sóng rộng như mạng hiện có, và khách hàng sẽ không mua các thiết bị đầu cuối mới nếu họ bị giới hạn vùng phủ sóng

1.2.4.4 Dịch vụ đa dạng và dễ sử dụng

Đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và rất khác nhau Trong tương lai, chúng ta hy vọng có thể nâng cao phẩm chất và chức năng hệ thống để có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ, không chỉ là các dịch vụ thoại truyền thống mà còn truyền

các thông tin liên quan đến tất cả năm giác quan của con người Và thuê bao phải dễ dàng sử dụng các dịch vụ này (dễ dàng cài đặt, dễ dàng kết nối, …).

1.2.4.5 Tốc độ truyền dẫn

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

Mục tiêu thiết kế hệ thống để đáp những yêu cầu trên đây Coi thông tin dữ liệu

và video là dịch vụ chính, hệ thống 4G phải cung cấp tốc độ truyền dẫn cao hơn với dung lượng lớn hơn (cả về số lượng thuê bao là lưu lượng) IMT-2000

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

từ 10 đến 100 Mbit/s, và tốc độ của mạng ADSL cũng đạt được 2-3 Mbit/s Mục tiêu thiết kế hệ thống thông tin di động là đạt tốc độ xấp xỉ 100 Mbit/s đối với môi trường ngoài trời và cỡ Gbit/s với môi trường trong nhà Sẽ không có chỗ cho mạng thông tin

di động thế hệ mới nếu không có tốc độ lớn hơn ít nhất 10 lần tốc độ hiện tại của

IMT-2000 Để đảm thông tin thời gian thực giữa các thiết bị đầu cuối với nhau thì hệ thống mới cần phải giảm thời gian trễ truyền dẫn xuống dưới 50 ms Giả sử rằng các dịch vụ trong tương lai sẽ dựa trên truyền dẫn IP (Internet Protocol), hiệu quả truyền dẫn gói IP qua mạng vô tuyến cũng cần phải tính đến Hệ thống mới bên cạnh việc nâng cao dung lượng truyễn dẫn phải đảm bảo được việc giảm chi phí Chi phí tính trên 1 bít truyền dẫn phải giảm xuống bằng 1/10 hoặc 1/100 mức chi phí hiện tại bằng cách giảm chi phí thiết bị hạ tầng, chi phí hoạt động và chi phí xây dựng Mục tiêu thiết kế được đề cập trên đây tập trung vào những dịch vụ có phẩm chất tốt hơn các dịch vụ hiện tại, và dễ dàng sử dụng Điều mà những nhà đi tiên phong trong thị trường dịch vụ 4G cần phải

lưu ý là khả năng tích hợp hệ thống LAN không dây trong nhà với hệ thống hữu tuyến

và thực hiện triển khai các dịch vụ mới trong thời gian ngắn

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

Vấn đề kỹ thuật cần thiết đối với mạng thông tin di động thế hệ 4G để đáp ứng những yêu cầu được nêu ra ở phần trên được trình bày trên hình 1.7

1.2.5.1 Dung lượng lớn và tốc độ truyền dẫn cao

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

Đối với thông tin dữ liệu, chúng ta sẽ cần hệ thống truy nhập vô tuyến có thể truyền dẫn gói tin hiệu quả Tầm quan trọng của việc phủ sóng trong nhà đã thúc đẩy các công nghệ phải phát triển theo hướng có thể sử dụng cho cả môi trường truyền sóng trong nhà và ngoài trời Để có được những băng tần rộng cho truyền dẫn tốc độ cao và đáp ứng nhu cầu lưu lượng thoại đang tăng cao, chúng ta phải quan tâm đến các băng tần mới, và phát triển các phần tử mạng cần thiết như các bộ khuếch đại, các bộ lọc và tính toán suy hao truyền sóng cho những băng tần này Cùng với đó việc nghiên cứu phát triển các giải pháp sử dụng hiệu quả tài nguyên phổ tần hạn chế cũng rất cần thiết

1.2.5.3 Kết nối mạng dựa trên công nghệ IP

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

đề về vùng phủ sóng là phải đảm bảo các thiết bị đầu cuối mới phải hỗ trợ để hoạt động

trên cả hệ thống cũ và hệ thống mới Mặt khác, chúng ta phải tính đến khả năng roaming quốc tế, một thiết bị đầu cuối phải được hỗ trợ để hoạt động trên nhiều hệ

thống nhờ sử dụng công nghệ SDR (Softwave Defined Radio) Với công nghệ này, thiết

bị đầu cuối có thể hoạt động trên nhiều băng tần khác nhau của các quốc gia và khu vực khác nhau Hơn nữa, mạng thông tin di động trong tương lai phải tích hợp với nhiều phương thức truy nhập khác nhau, với rất nhiều loại cell có các khả năng kết nối liên mạng dựa trên công nghệ IP Chính vì vậy, kết nối liên mạng và chuyển giao giữa các hệ thống truy nhập là một yêu cầu cần thiết ngoài yêu cầu về khả năng chuyển giao

và roaming nội bộ và giữa hai mạng thông tin di động với nhau

1.2.5.4 Cấu hình hệ thống dựa trên IP

Hệ thống 4G phải được cấu hình để kết nối với mạng IP, truyền dẫn hiệu quả các gói IP, cùng tồn tại với các hệ thống truy nhập khác, linh hoạt khi đưa vào khai thác, có khả năng mở rộng khi cần, … Các mạng IP cũng có thể kết nối dễ dàng hoặc phù hợp với các hệ thống truy nhập vô tuyến khác hơn các hệ thống 4G Điểm truy nhập vô

tuyến 4G (4G-AP-4G Access Point) sẽ được kết nối với một bộ định tuyến truy nhập

AR (Access Router) như trên Hình 1.4 4G-AP có các chức năng điều khiển truyền dẫn

vô tuyến, chuyển giao, … cho phép các thiết bị di động liên lạc với nhau dựa trên IP Các 4G-AP sẽ được đặt tương ứng với các cell của chúng Khi một thiết bị di động di chuyển giữa các cell, việc chuyển giao sẽ được thực hiện bằng chuyển mạch đơn giản giữa các điểm truy nhập và các vùng vô tuyến nếu hai điểm 4G-AP kết nối với cùng một AR Nếu hai điểm 4G-AP thuộc hai AR khác nhau thì định tuyến truyền dẫn gói tin trong mạng IP phải thay đổi tức thì Liêt kết hoạt động giữa chuyển mạch 4G-IP và định tuyến mạng IP đóng một vai trò rất quan trọng đối với quá trình chuyển giao Đối với chuyển giao giữa một 4G-AP và một AP của hệ thống khác, thiết bị di động phải

có chức năng truy nhập cả hai mạng Chuyển giao sẽ được thực hiện bằng việc theo dõi

và so sánh giữa các hệ thống khác nhau để lựa chọn được một hệ thống phù hợp

Hình 1.4 Cấu hình hệ thống 4G 1.2.5.5 Phân loại và cấu hình cell theo môi trường truyền dẫn

Hệ thống 4G có cell ở ngoài trời, trong nhà, trong phương tiện di chuyển, như trên Hình 3 Những cell ngoài trời có vùng phủ sóng rộng, cho phép các thiết bị đầu cuối đang di chuyển với tốc độ cao trao đổi thông tin với tốc độ cao Vùng phủ trong nhà được thực hiện bởi các indoor AP Các Indoor AP được thiết kế không chỉ giúp trao đổi thông tin tốc độ cao và hoạt động đơn giản mà còn đáp ứng những yêu cầu của một mạng LAN vô tuyến tương lai

Ngoài ra, các cell trong phương tiện giao thông di chuyển như xe buýt, tầu hoả (được gọi là các cell/mạng di động) được phục vụ bởi một bộ định tuyến di động MR

(Mobile Router) MR có chức năng chuyển tiếp tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu

cuối trên phương tiện, nên những thiết bị đầu cuối này không liên lạc trực tiếp với trạm

gốc như thông thường Cấu hình này được thiết kế để đạt được hiệu quả về công suất phát của thiết bị đầu cuối, tốc độ truyền dẫn, độ lớn của tín hiện điều khiển Kết nối multi-hop đa chặng, một phương pháp hiệu quả để mở rộng kích thước cell sẽ được nghiên cứu như là một cách để giải quyết vấn để các “điểm chết” gây ra bởi hiệu ứng

“bóng” Truyền dẫn dữ liệu qua trạm chuyển tiếp được thực hiện ngay cả khi bị giới hạn về công suất phát của thiết bị đầu cuối và suy hao truyền sóng lớn

1.2.5.6 Thông tin đa phương tiện

Cấu hình hệ thống 4G cho phép truyền dẫn với tốc độ cao, hoạt động liên kết với các mạng IP trong khi vẫn phải đảm bảo được QoS của truyền dẫn gói

Hình 1.5 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop

1.2.5 Công nghệ cho 4G

Tiếp theo mạng thông tin di động (TTDĐ) thế hệ thứ 3 (3G - 3 rd Generation),

Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đang hướng tới một chuẩn cho mạng di động

tế bào mới thế hệ thứ 4 (4G - 4 th Generation) 4G có những tính năng vượt trội

như: Cho phép thoại dựa trên nền IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các mạng di động hiện nay… Theo tính toán, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 100 Mb/s, thậm chí lên tới 1 Gb/s trong các điều kiện tĩnh.

Hình 1.6 Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào

3 công nghệ dưới đây được xem là các công nghệ tiền 4G, đó là các công nghệ làm sở cứ để xây dựng nên chuẩn 4G trong tương lai

 LTE (Long-Term Evolution)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng TTDĐ tế bào thế hệ thứ ba 3G UMTS 3GPP

châu á, châu âu và Bắc Mỹ đã bắt đầu chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G

là LTE

LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM (Global System for Mobile

Communications), vì thế nó dễ dàng thay thế và triển khai cho nhiều nhà cung cấp dịch

vụ Nhưng khác với GSM, LTE sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số

trực giao (OFDM) - truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách phân chia thành các sóng mang con trực giao LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz cho tới 20 MHz Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (về lý thuyết) của LTE có thể đạt tới 250 Mb/s khi độ rộng băng tần là 20 MHz LTE khác với các công nghệ tiền 4G khác như WiMAX II ở chỗ, nó chỉ sử dụng OFDM ở hướng lên, còn ở hướng xuống nó sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang để nâng cao hiệu quả trong việc điều khiển công suất và nâng cao thời gian sử dụng pin cho thiết bị đầu cuối của khách hàng

 UMB (Ultra Mobile Broadband)

Generation Partnership Project 2) được thành lập và phát triển bởi các tổ chức viễn

thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel-Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless Thành viên của 3GPP2, Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng chú tâm

cả vào việc phát triển LTE

UMB dựa trên CDMA (Code Division Multiple Access) có thể hoạt động ở băng

tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số UMB được đề xuất với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mb/s cho luồng xuống và 75 Mb/s cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Công nghệ này sẽ cung cấp kết nối thông qua các sóng mang dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

 IEEE 802.16m (WiMAX II)

IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả cố định

(IEEE 802.16-2004) và di động (IEEE 802.16e-2005) IEEE 802.16m (hay còn gọi là

WiMAX II) được phát triển từ chuẩn IEEE 802.16e, là công nghệ duy nhất trong các