Nghiên cứu phương pháp đánh giá chất lượng mạng 4g bằng mô phỏng

Một chương trình ví dụ là để tạo thành một chùm tia UE dự kiến bằng cách sử dụng các anten truyền của các cell 1, 2 và 3, trong đó mỗi cell truyền cùng một dữ liệu đến UE dự kiến và tín

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

KIỀU VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MẠNG 4G BẰNG MÔ PHỎNG

NỘI DUNG

Lời cam đoan……… I Lời cảm ơn………II TÓM TẮT……… III NỘI DUNG……… V DANH MỤC HÌNH……… VII DANH MỤC BẢNG………VIII DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT……… IX

CHƯƠNG 1……… 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G………. 1

1.1 Lịch sử phát triển mạng thông tin di động 1

1.2 Các hệ thống mạng cận 4G và 4G……… 2

1.3 Thành phần của mạng 4G……… 5

1.3.1 Phương pháp truy nhập……… 6

1.3.2 Ứng dụng IPv6……… 7

1.3.3 Anten……… 8

1.3.4 SDR……… 9

1.4 Tình hình triển khai mạng 4G……… 10

1.5 Kết luận……… 12

CHƯƠNG 2……… 13

PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG…… 13

2.1 Phương pháp truy nhập mạng 4G……… 13

2.1.1 Phương pháp truy nhập OFDMA……… 13

2.1.2 Phương pháp truy nhập SC-FDMA……… 20

2.1.3 Phương pháp truy nhập MC-MC-CDMA……… 25

2.1.4 Phương pháp truy nhập MIMO SC-FDMA……… 28

2.2 Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin di động trong kênh………… 33

nhiễu cộng Gauss……… 33

2.2.1 Đối với phương pháp truy nhập SC-FDMA 33

2.2.2 Đối với phương pháp truy nhập MC-MC-CDMA 35

2.3 Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin di động trong kênh………… 35

có fading và nhiễu cộng Gauss bằng phương pháp truyền thống………… 35

2.4 Đánh giá chất lượng của hệ thống……… 40

2.5 Kết luận 42

CHƯƠNG 3……… 43

ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP BẰNG MÔ PHỎNG…… 43

3.1 Môi trường mô phỏng……… 43

3.2 Đánh giá theo các trạng thái thuê bao di động……… 56

3.3 Đánh giá phương pháp truy nhập với các mức điều chế khác nhau……59

3.4 Đánh giá các phương pháp truy nhập khác nhau với cùng một mức… 62

điều chế……… 62

3.5 Kết luận……… 64

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ……… 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 66

PHỤ LỤC……… 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 - Con đường tiến hóa của công nghệ di động……… 1

Hình 1.2 - Truyền dẫn đa điểm phối hợp……… 5

Hình 1.3 - Sơ đồ khối của nhóm SC-FDMA trong tuyến lên LTE-Advanced………… 7

Hình 1.4 - Chương trình chuyển đổi thích ứng MIMO……… 8

Hình 1.5 - Các mô hình MIMO trong LTE-Advanced……… 9

Hình 2.1 - Kết quả thực hiện FFT với các đầu vào khác nhau……… 14

Hình 2.2 - Duy trì tính trực giao của các sóng mang con……… 14

Hình 2.3 - Hệ thống máy phát và thu của OFDMA……… 15

Hình 2.4 - Tạo ra khoảng bảo vệ cho ký tự OFDM……… 16

Hình 2.5 - Tham chiếu các ký tự trãi trên các sóng mang con OFDMA……… 16

Hình 2.6 – Các chòm sao điều chế LTE……… 18

Hình 2.7 – Cấu trúc frame loại 1……… 19

Hình 2.8 – Cấu trúc frame loại 2……… 19

Hình 2.9 - Khối nguồn tài nguyên vật lý cho tuyến xuống……… 20

Hình 2.10 - Sơ đồ cơ bản máy phát của SC-FDMA……… 21

Hình 2.11 - Sơ đồ cơ bản máy thu của SC-FDMA……… 21

Hình 2.12 – Ánh xạ sóng mang con theo phân bố đều……… 23

Hình 2.13 – Ánh xạ sóng mang con kế cận nhau……… 23

Hình 2.14 - Các phương pháp phân bố sóng mang con cho đa người dùng………… 24

Hình 2.15 – Cấu trúc sub-frame cơ bản trong miền thời gian……… 24

Hình 2.16 - Mô hình hệ thống máy phát và thu của Multicode CDMA……… 26

Hình 2.17 - Hệ thống máy phát của MC-CDMA……… 28

Hình 2.18 - Hệ thống máy phát tín hiệu của MC-MC-CDMA……… 29

Hình 2.19 - Mô tả một kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu……… 30

Hình 2.20 - Hệ thống máy phát và thu của MIMO SC-FDMA……… 32

Hình 2.21 – Đáp ứng tần số của mẫu tín hiệu……… 36

Hình 2.22 – Kết quả tính xác suất lỗi……… 39

Hình 2.23 - Pb trung bình trong kênh fading rayleigh và nhiễu cộng AWGN……… 42

Hình 3.1- Giao diện MATLAB 7.10.0 (R2010a)……… 43

Hình 3.2 - Hệ thống máy phát và thu của SC-FDMA……… 56

Hình 3.3- Đánh giá chất lượng SC-FDMA theo các trạng thái thuê bao………… 58

Hình 3.4 - Đánh giá chất lượng SC-FDMA theo các trạng thái thuê bao………… 58

Hình 3.5 - Đánh giá chất lượng SC-FDMA theo các mức điều chế khác nhau……… 60

Hình 3.6 – Hệ thống máy phát tín hiệu của MC-MC-CDMA……… 61

Hình 3.7 – Đánh giá chất lượng SC-FDMA và MC-MC-CDMA với M = 16……… 62

Hình 3.8 - Đánh giá chất lượng SC-FDMA và MC-MC-CDMA với M =64……… 63

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Tốc độ dữ liệu của LTE……… 3

Bảng 1.2 - Tốc độ dữ liệu của WiMAX……… 3

Bảng 1.3 - Tốc độ dữ liệu của LTE-Advanced………5

Bảng 1.4 - Thể hiện các phương pháp truy nhập của các hệ thống……… 6

Bảng 2.1 - Các tham số điều chế cho OFDMA……… 17

Bảng 2.2 - Khối nguồn tài nguyên vật lý cho các băng thông khác nhau……… 20

Bảng 2.3 - Các tham số điều chế cho SC-FDMA……… 25

Bảng 3.1 - Các tham số mô phỏng theo các trạng thái thuê bao……… 57

Bảng 3.2 - Các tham số mô phỏng theo các kiểu điều chế……… 59

Bảng 3.3 – Các tham số mô phỏng MC-MC-CDMA……… 62

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1G First Generation

2G Second Generation

3G Third Generation

3GPP 3rd Generation Partnership Project

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

CDMA Code Division Multiple Access

DFT Discrete Fourier Transform

EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution

FFT Fast Fourier Transform

FDMA Frequency Division Multiple Access

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile Communication

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ITU International Telecommunication Union

ITU-R ITU Radiocommunication Sector

ISI Inter Symbol Interference

IMT-ADVANCED International Mobile Telecommunications-Advanced LFDMA Localized Frequency Division Multiple Access

LTE Long Term Evolution

MC MC CDMA Multicode Multicarrier Code Devision Multiple Access MIMO Multiple-Input Multiple-Output

NAT Network Address Translation

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PAPR Peak to Average Power Ratio

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SDMA Space-Division Multiple Access

SNR Signal to Noise Ratio

TDMA Time Division Multiple Access

UE User Equipment

UMB Ultra Mobile Broadband

UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems

WCDMA Wireless Code Division Multiple Access

WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

1.1 Lịch sử phát triển mạng thông tin di động

Trong khoảng vài chục năm trở lại đây, với sự phát triển của Internet cũng như các công nghệ không dây đã có ảnh hưởng rất lớn đến cuộc sống của con người trên toàn thế giới Hai nhân tố này đã làm thay đổi cách con người liên lạc với nhau, cách

họ làm việc, cách họ hưởng thụ cuộc sống thông qua các loại hình giải trí mới

Với sự ra đời của mạng thông tin di động, chúng ta đã chứng kiến sự tăng vọt

về nhu cầu dịch vụ không dây và di động Chúng ta đã và đang chứng kiến sự phát triển đến chóng mặt của mạng không dây: năm 2002 đánh dấu thời điểm lịch sử của mạng viễn thông với số thuê bao di động vượt số thuê bao cố định Theo ITU, tháng 9 năm 2005, số thuê bao di động trên thế giới đã vượt con số 2 tỷ Theo thống kê của GSA (Global mobile Suppliers Association) gần đây, con số này đã vượt 3 tỷ Tuy nhiên, lịch sử của mạng tế bào còn rất ngắn Nó mới trải qua 3 thế hệ và ở nhiều quốc gia nó vẫn còn đang ở thế hệ thứ 2

Trong mạng thông tin di động, mỗi một thập kỷ chứng kiến một thế hệ mạng mới Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm 80 Đó là thế hệ điện thoại di động tương tự Thế hệ thứ 2G bắt đầu nổi lên từ những năm đầu của thập kỷ 90 Thế hệ thứ 2G là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ cả thoại và dữ liệu Thế hệ thứ

3 bắt đầu từ năm 2001 ở Nhật, đặc trưng bởi dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao Hệ thống cận 4G, nền tảng cho thế hệ thứ 4G Con đường phát triển của các công nghệ mạng thông tin di động được thể hiện ở hình 1.1 dưới đây[16]

Hình 1.1- Con đường tiến hóa của công nghệ di động[7]

Thế hệ 1G:

Đây là hệ thống truyền tín hiệu tương tự Sử dụng phương pháp truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:

 Phương pháp truy nhập: FDMA

 Dịch vụ đơn thuần là thoại

 Chuẩn: WCDMA (UMTS)

 Phương pháp truy nhập: CDMA

xuống và 50 Mbit/s cho tuyến lên nếu sử dụng một kênh 20 MHz và nhiều hơn thế nữa nếu sử dụng MIMO

Dịch vụ LTE công bố đầu tiên của thế giới được khai trương ở hai thủ đô Scandinavian là Stockholm (hệ thống Ericsson) và Oslo ( hệ thống Huawei) vào ngày

14 tháng 12 năm 2009 và mang nhãn hiệu 4G Các thiết bị đầu cuối người dùng được sản xuất bởi Samsung Hiện nay, hai dịch vụ LTE công bố ở Mỹ được cung cấp bởi MetroPCS và Verizon Wireless AT & T cũng có dịch vụ LTE trong kế hoạch triển khai từ giữa năm 2011 đến cuối năm 2013, Sprint Nextel đã bắt đầu xem xét để chuyển đổi từ WiMax sang LTE trong tương lai gần

Ở Hàn Quốc, SK Telecom và LG U+ đã cho phép truy nhập dịch vụ LTE kể từ ngày 1 tháng 7 năm 2011 cho các thiết bị dữ liệu, dự kiến triển khai toàn quốc vào năm 2012

LTE Tốc độ đỉnh cho tuyến xuống 100 Mbit/s Tốc độ đỉnh cho tuyến lên 50 Mbit/s Bảng 1.1- Tốc độ dữ liệu của LTE[15]

 Mobile WiMAX (IEEE 802.16e): di động WiMAX (IEEE 802.16e-2005) là chuẩn truy nhập di động không dây băng thông rộng (còn được gọi là WiBro tại Hàn Quốc), đôi khi mang nhãn hiệu 4G và cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh là 128 Mbit/s cho tuyến xuống và 56 Mbit/s cho tuyến lên trên các kênh rộng 20 MHz Thương mại dịch

vụ di động WiMAX đầu tiên của thế giới được mở bởi KT tại Seoul, Hàn Quốc vào ngày 30 tháng 6 năm 2006 Sprint Nextel đã bắt đầu sử dụng di động WiMAX, tính đến ngày 29 tháng 9 năm 2008 mang nhãn hiệu như một mạng "4G", mặc dù phiên bản hiện tại không đáp ứng các yêu cầu IMT Advance trên các hệ thống 4G Tại Nga, Belarus và Nicaragua truy nhập internet băng thông rộng WiMax được cung cấp bởi một công ty Scartel của Nga và cũng là thương hiệu 4G

WiMAX Tốc độ đỉnh cho tuyến xuống 128 Mbit/s Tốc độ đỉnh cho tuyến lên 56 Mbit/s

Bảng 1.2 - Tốc độ dữ liệu của WiMAX[15]

 UMB (formerly EV-DO Rev C): là tên thương hiệu cho một dữ án 4G đã dừng trong nhóm chuẩn 3GPP2 để cải tiến chuẩn điện thoại di động thế hệ thứ ba CDMA

2000 cho các ứng dụng và các yêu cầu thế hệ tiếp theo Vào tháng 11 năm 2008,

Qualcomm, nhà tài trợ chính thức của UMB, tuyên bố kết thúc sự phát triển của công nghệ này, thay vì ưu chuộng LTE Mục tiêu là để đạt được tốc độ dữ liệu trên 275 Mbit/s cho luồng xuống và 75 Mbit/s cho luồng lên

 Flash-OFDM : ở giai đoạn đầu của hệ thống Flash-OFDM đã được dự kiến sẽ được tiếp tục phát triển thành một chuẩn 4G

 Các hệ thống iBurst và MBWA (IEEE 802.20): hệ thống iBurst (hoặc SDMA- High Capacity Spatial Division Multiple Access) là giai đoạn đầu xem như là một ứng cử tiền 4G Sau đó nó được phát triển thêm thành hệ thống di động truy nhập không dây băng thông rộng (MBWA), còn được gọi là IEEE 802.20

HC-Các hệ thống mạng 4G:

 IEEE 802.16m hoặc WirelessMAN-Advanced: là sự tiến hóa của chuẩn 802.16e đang được phát triển, với mục tiêu thực hiện đầy đủ các tiêu chuẩn IMT-Advanced với tốc độ 1 Gbit/s cho người dùng cố định và 100 Mbit/s cho người dùng

di động

 LTE-Advanced: là một ứng cử cho chuẩn IMT-Advanced, nó được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP và gửi đến ITU-T vào mùa thu năm 2009, và dự kiến sẽ được phát hành vào năm 2012 Mục tiêu của LTE Advanced là để đạt được và vượt các yêu cầu của ITU LTE-Advanced là một cải tiến cần thiết cho LTE Nó không phải là một công nghệ mới nhưng có cải tiến hơn mạng LTE hiện có Điều này làm cải thiện hiệu quả chi phí cho nhà cung cấp LTE và sau đó nâng cấp lên LTE-Advanced tương tự như các nâng cấp từ WCDMA lên HSPA (High Speed Packet Access) LTE và LTE-Advanced cũng thực hiện bổ sung phổ và ghép kênh để cho phép nó đạt được tốc độ

dữ liệu cao hơn

Truyền dẫn đa điểm phối hợp: đa điểm phối hợp truyền nhận là một công nghệ ứng cử xem xét cho LTE-Advanced như một công cụ để cải tiến độ che phủ của các tốc độ dữ liệu cao, thông qua các cell cạnh và tăng thông lượng hệ thống Nó được chứng minh hiệu quả quang phổ có thể được cải thiện với nhiều công nghệ anten (4 hoặc nhiều anten hơn) bằng cách sử dụng các phương pháp phối hợp can nhiễu không gian

Do đó, các phương pháp đa truy nhập, tăng cường kênh truyền dẫn bằng kỹ thuật nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) và sự phối hợp rộng rãi trong các trang web di động được gọi là đa điểm phối hợp truyền nhận được chấp nhận như là kỹ thuật chính của LTE-Advanced Kỹ thuật đa điểm phối hợp cải thiện tín hiệu nhận được của thiết bị đầu cuối người dùng Cả dịch vụ và các cell lân cận được sử dụng bằng cách giảm nhiễu đồng kênh từ các cell lân cận Điều đó thể hiện được sự phối

hợp năng động giữa các điểm truyền dẫn cách biệt về mặt địa lý ở các điểm tuyến xuống và tiếp nhận tại các điểm phân cách trong tuyến lên

Cơ chế này, cải tiến độ che phủ của các tốc độ dữ liệu cao và sẽ tăng tốc độ bit

hệ thống Ứng dụng của phối hợp truyền tải đa điểm minh họa trong hình 1.2 ở dưới (cho một kịch bản truyền dẫn tuyến xuống) Một chương trình ví dụ là để tạo thành một chùm tia UE dự kiến bằng cách sử dụng các anten truyền của các cell 1, 2 và 3, trong đó mỗi cell truyền cùng một dữ liệu đến UE dự kiến và tín hiệu tham chiếu UE

cụ thể được sử dụng để hỗ trợ của giải điều chế tại UE

Hình 1.2 - Truyền dẫn đa điểm phối hợp[2]

Phát hành 10 của LTE dự kiến sẽ đạt được tốc độ LTE-Advanced Phát hành 8 hiện tại hỗ trợ tốc độ download lên đến 300 Mbit/s mà vẫn còn thấp so chuẩn IMT-Advanced

LTE-Advanced Tốc độ đỉnh cho tuyến xuống 1 Gbit/s Tốc độ đỉnh cho tuyến lên 500 Mbit/s

Bảng 1.3 - Tốc độ dữ liệu của LTE-Advanced[15]

1.3 Thành phần của mạng 4G

Các thành phần công nghệ được quan tâm trong hệ thống LTE-Advanced như: phương pháp truy nhập, ứng dụng IPV6, anten và SDR

1.3.1 Phương pháp truy nhập

Các phương pháp truy nhập của LTE-Advanced/IMT-Advanced được chỉ ra trong bảng 1.4 ở dưới

WCDMA (UMTS)

HSPA HSDPA/

Phát hành 5/6

Phát hành 7

Bảng 1.4 - Thể hiện các phương pháp truy nhập của các hệ thống[17]

Phương pháp truy nhập OFDMA được sử dụng cho tuyến xuống của các hệ thống LTE-Advanced Trong khi đó, phương pháp truy nhập SC-FDMA được tăng cường sử dụng cho tuyến lên của hệ thống LTE-Avanced SC-FDMA là một công nghệ mạnh mẽ, nó kết hợp nhiều phần OFDM với tốc độ công suất đỉnh trung bình thấp của một hệ thống đơn sóng mang Hình 1.3 ở dưới cho thấy một sơ đồ khối tăng cường xử lý đa truy nhập tuyến lên (nhóm SC-FDMA) Nó là một khối vận chuyển cho mỗi dự kiến thành phần sóng mang Mỗi khối vận chuyển được ánh xạ đến một đơn thành phần sóng mang và một UE có thể dự kiến trên nhiều thành phần sóng mang đồng thời bằng cách sử dụng tập các sóng mang

Hình 1.3 - Sơ đồ khối của nhóm SC-FDMA trong tuyến lên LTE-Advanced[7] Ngoài các phương pháp truy nhập của LTE-Advanced ở trên, còn có các

phương pháp truy nhập khác như: MIMO OFDM, MIMO OFDMA và MIMO FDMA, MC-MC-CDMA

SC-1.3.2 Ứng dụng IPv6

Không giống như mạng thông tin di động 3G là dựa trên hai cơ sở hạ tầng bao gồm các node mạng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tương ứng, thì ở mạng thông tin di động 4G chỉ dựa trên chuyển mạch gói Điều này đòi hỏi độ trễ truyền dữ liệu thấp

Trước thời điểm mà mạng thông tin di động 4G triển khai, việc xử lý của địa chỉ IPv4 đã cạn kiệt và được dự kiến sẽ đến giai đoạn cuối cùng của nó Vì vậy, trong bối cảnh mạng thông tin di động 4G đang phát triển, thì việc hỗ trợ IPv6 là điều cần thiết để cho phép hỗ trợ một số lượng lớn các thiết bị không dây Bằng cách tăng số lượng địa chỉ IP IPv6 loại bỏ sự cần thiết của dịch địa chỉ mạng (NAT), một phương pháp chia sẻ giới hạn số lượng địa chỉ giữa các nhóm lớn hơn của các thiết bị, mặc dù NAT vẫn được yêu cầu để giao tiếp với các thiết bị mà có sẵn trên các mạng IPv4

Tính đến tháng 6 năm 2009, Verizon đã được đăng tải chi tiết các thông số kỹ thuật mà đòi hỏi bất kỳ thiết bị 4G nào trên mạng của nó đều được hỗ trợ địa chỉ

IPv6[15]

1.3.3 Anten

Hiệu suất của truyền thông vô tuyến phụ thuộc vào hệ thống anten, mà được gọi

là anten thông minh Gần đây, nhiều công nghệ anten đang nổi lên để đạt được mục tiêu của các hệ thống thông tin di động 4G như tốc độ cao, độ tin cậy cao và các thông tin liên lạc tầm xa Trong đó, ghép kênh không gian là một công nghệ liên quan đến việc triển khai nhiều anten tại máy phát và nhiều anten tại máy thu Công nghệ này được gọi là MIMO (như là một nhánh của anten thông minh)[15]

MIMO là một kỹ thuật chính cho bất kỳ hệ thống thông tin di động nào mà đề cập đến việc sử dụng nhiều anten tại các bên phát và thu Các trạm và các thiết bị đầu cuối được trang bị với nhiều thành phần anten dự định được sử dụng trong việc truyền

và tiếp nhận cho khả năng MIMO có sẵn ở cả tuyến xuống và tuyến lên Các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo sẽ phải cung cấp một số lượng lớn người dùng với các tốc độ truyền dữ liệu rất cao và MIMO là một công cụ rất hữu ích đối với việc tăng hiệu quả phổ của truyền tải không dây

MIMO cải tiến được xem là một trong những khía cạnh chính của các hệ thống LTE-Advanced mà cho phép hệ thống đáp ứng các yêu cầu tốc độ được thiết lập bởi ITU-R Đa số các công nghệ MIMO đã được giới thiệu trong LTE, dự kiến sẽ tiếp tục đóng vai trò cơ bản trong LTE-Advanced, cụ thể là chùm tia, ghép kênh không gian và

sự đa dạng không gian Tuy nhiên, cải thiện hơn nữa về công suất đỉnh, thông lượng cell trung bình, cell cạnh cần đạt được để tăng chất lượng[2]

Khái niệm MIMO cải tiến được hình thành như là một khung công việc đa chế

độ thích ứng mà trong đó nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn và phủ sóng rộng hơn được cung cấp bằng cách lựa chọn chương trình MIMO phù hợp theo thiết bị hệ thống hiện tại Chiến lược thích ứng được chọn lựa dựa trên các phép đo kênh khác nhau mà được tập trung tại trạm cơ sở thông qua một cơ chế phản hồi tốc độ thấp Ngoài ra, LTE-Advanced sẽ cho phép các công nghệ MIMO đã đề cập ở trên được kết hợp với bất kỳ điều gì được biết như là mở rộng hoặc cải tiến Hình 1.4 ở dưới thể hiện ý tưởng đằng sau khái niệm này

Hình 1.4 – Chương trình chuyển đổi thích ứng MIMO[2]

Hình 1.5 minh họa các chế độ hoạt động chính của MIMO Hơn nữa, một trong

số chúng là một trong số các mục tiêu cải tiến đang được theo đuổi bởi LTE-Avanced

Hình 1.5 - Các mô hình MIMO trong LTE-Advanced[2]

 MIMO một người dùng (SU-MIMO): các kỹ thuật ghép kênh không gian và sự

đa dạng truyền có thể được chọn lựa cho truyền kết hợp với chùm tia Tính năng này cùng với MIMO bậc cao hơn (ví dụ như tăng số lượng cổng anten) có thể làm tăng tốc

độ dữ liệu đỉnh người dùng

 MIMO đa người dùng (MU-MIMO): nhấn mạnh vị trí MU-MIMO vì nó cung cấp hiệu suất tốt nhất Tính linh hoạt của SDMA được tăng lên bằng cách cho phép một số lượng luồng khác nhau để tiếp cận từng người dùng để tăng tốc độ dữ liệu cell trung bình SU-MIMO và MU-MIMO tạo ra những gì được gọi là single-site MIMO

 MIMO phối hợp: thông lượng cell cạnh người dùng là thúc đẩy mạnh mẽ bằng cách sử dụng phối hợp trong việc truyền và nhận của các tín hiệu giữa các trạm cơ sở khác nhau, mà còn giúp giảm nhiễu liên cell Những kỹ thuật này, được gọi là phối hợp đa điểm truyền và nhận, là một tập hợp các công nghệ chính

Vì vậy MIMO có lẽ là tính năng quan trọng nhất của LTE-Advanced để cải thiện tốc độ bit dữ liệu và hiệu quả quang phổ LTE-Advanced mở rộng khả năng MIMO và hiện tại hỗ trợ tám anten tuyến xuống và bốn anten tuyến lên mà trong khi

đó LTE hỗ trợ tối đa bốn anten tuyến xuống và một anten tuyến lên

1.3.4 SDR

SDR là một trong những hình thức kiến trúc không dây mở (OWA) Vì mạng thông tin di động 4G là một tập các tiêu chuẩn không dây, nên hình thức cuối cùng của một thiết bị 4G sẽ tạo thành các tiêu chuẩn khác nhau Điều này có thể nhận ra được một cách hiệu quả bằng cách sử dụng công nghệ SDR, mà được phân loại theo khu vực phủ sóng vô tuyến[15]

Đặc tính hàng đầu được kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối ABC (Always Best Connected - Luôn được kết nối tốt nhất) Để thỏa mãn được điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn hợp, bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau, kết nối, tích hợp trên nền toàn IP Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công nghệ (multi-technology), đa chức năng (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau Do vậy, thiết bị di động sẽ sử dụng giải pháp SDR (Software Defined Radio) để có thể tự cấu hình nhiều loại thiết bị vô tuyến khác nhau thông qua một phần cứng duy nhất[19]

1.4 Tình hình triển khai mạng 4G

Tình hình triển khai, thử nghiệm công nghệ 4G trên thế giới:

Tại Mỹ: Ngày 9 tháng 8 năm 2006, Công ty Sprint Nextel đã công bố kế hoạch phát triển và triển khai mạng 4G đầu tiên, sử dụng tiêu chuẩn công nghệ WiMAX di động IEEE 802.16e - 2005 và lập kế hoạch phủ sóng tới 100 triệu người sử dụng trong năm 2008 Sprint Nextel sẽ hợp tác với Intel, Motorola và Samsung phát triển một cơ

sở hạ tầng mạng trên toàn nước Mỹ cũng như các chipset hỗ trợ mạng WiMAX di động dùng cho các thiết bị điện toán, giải trí đa phương tiện cầm tay và các thiết bị điện tử tiêu dùng mà có thể sử dụng các dịch vụ băng thông rộng không dây tiên tiến Một số hãng máy tính như Acer, Lenovo, Asus, Matsushita đã thông báo kế hoạch dùng chip Centrino WiMAX của Intel cho các thiết bị

Trung Quốc: Việc Thượng Hải triển khai thử nghiệm 4G có thể coi là một bước

“nhảy cóc” của Trung Quốc, bởi hiện tại nước này vẫn chưa khai thác mạng 3G vì nhiều lý do Dự án triển khai thí điểm 4G tại Thượng Hải tốn kém khoảng 150 triệu NDT (khoảng 19 triệu USD) và được Chính phủ Trung Quốc tuyên bố là “thành phố 4G đầu tiên trên thế giới”

Hàn Quốc: Hệ thống truyền phát dữ liệu mạng không dây 4G vừa được công bố

và biểu diễn tại Triển lãm thương mại quốc tế ở Seoul Được phát triển bởi Viện Nghiên cứu điện tử và viễn thông Hàn Quốc (ETRI), hệ thống này - trong thời gian triển lãm - cho phép truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 100 Mb/s đối với các thiết bị đang đứng yên Kể cả khi bạn đang di chuyển với vận tốc lên tới 120 km/h, hệ thống vẫn cho phép truyền và nhận dữ liệu một cách liền mạch, không hề bị đứt đoạn Cuộc thử nghiệm của ETRI được tiến hành chỉ 1 ngày sau khi NTT DoCoMo tuyên bố đã đạt được tốc độ truyền gói dữ liệu real-time lên tới 1 Gb/s đối với các thiết bị đang di chuyển ở vận tốc 20 km/h

Nhật Bản: NTT DoCoMo đã thử nghiệm 4G và đạt được tốc độ truyền dữ liệu

là 100 Mb/s đối với đường truyền uplink (đường truyền từ trạm thu mặt đất đến vệ tinh) và 20 Mb/s đối với đường truyền downlink (đường truyền từ vệ tinh xuống một trong các trạm thu mặt đất) Hãng sẽ tiếp tục tiến hành thử nghiệm thực tế nhằm mục

đích phát triển chuẩn toàn cầu 4G Nhật Bản hy vọng các dịch vụ 4G sẽ được thương mại hóa ở nước này vào năm 2010[19]

Tình hình triển khai, thử nghiệm công nghệ 4G tại Việt Nam:

Với sự phát triển không ngừng của mạng thông tin vô tuyến hiện nay, việc chuyển sang mạng 4G trong thời gian tới là hoàn toàn có thể Hệ thống di động 4G tập trung vào việc tích hợp các công nghệ không dây hiện tại như GSM, LAN vô tuyến và Bluetooth Khác hẳn với 3G chỉ tập trung vào việc phát triển các chuẩn mới và phần cứng, hệ thống 4G sẽ hỗ trợ các dịch vụ thông minh và mang tính chất cá nhân, cung cấp hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao Tuy nhiên, việc chuyển từ các hệ thống hiện nay sang 4G sẽ gặp phải những thách thức rất lớn, liên quan tới các vấn đề như trạm di động, hệ thống mạng và dịch vụ[19]

Quý III/2010, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp 5 giấy phép cho thử nghiệm công nghệ 4G cho các doanh nghiệp VNPT, CMC, FPT, VTC và Viettel Theo đó các doanh nghiệp sẽ thử nghiệm công nghệ 4G trong thời hạn một năm và có thể kéo dài trong thời gian hai năm để đánh giá công nghệ và nhu cầu của người sử dụng tại Việt Nam[18]

Mới đây, Viettel đã chính thức công bố chương trình triển khai xây dựng thử nghiệm mạng 4G theo công nghệ LTE (Long Term Evolution) trên địa bàn Hà Nội

Ngay sau đó, thị trường cũng nhận được thông tin từ CMC cho hay, doanh nghiệp này đã đạt được thoả thuận với VTC trong việc chia sẻ hạ tầng và sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số 4G Như vậy, hai doanh nghiệp CMC và VTC sẽ cùng tiến hành thử nghiệm công nghệ 4G Giải pháp vô tuyến và các ứng dụng mà công ty thành viên của CMC có thể cung cấp cùng sự hợp tác với các doanh nghiệp có thế mạnh về nội dung như VTC sẽ là yếu tố đảm bảo thành công của 4G

Đi đầu trong việc triển khai cung cấp thử nghiệm dịch vụ công nghệ 4G tại Việt Nam là Tập đoàn VNPT/VDC Ngay từ giữa tháng 10, những trạm phát sóng công nghệ LTE đầu tiên tại Việt Nam đã được lắp đặt VNPT đã chính thức triển khai giai đoạn 1 thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE tại khu vực

Hà Nội Giai đoạn 2 của Dự án dự kiến sẽ được triển khi tại Tp.Hồ Chí Minh

Khi cung cấp thử nghiệm LTE, trước mắt, VDC sẽ tận dùng mọi dịch vụ online hiện có của bản thân doanh nghiệp và của các nhà cung cấp dịch vụ trên cơ sở hợp tác

và được hỗ trợ từ họ Thời gian tới, VDC sẽ chủ động phát triển những dịch vụ nội dung số, các tiện ích mới đáp ứng nhu cầu của khách hàng

1.5 Kết luận

Trãi qua khoảng vài chục năm lại đây mà công nghệ truyền thông không dây phát triển đến chóng mặt từ thế hệ 1G đến thế hệ 3G, song song với với vấn đề này thì nhu cầu của con người sử dụng các dịch vụ của mạng truyền thông không dây cũng phát triển không ngừng Mặc dù mạng thông tin di động 3G ra đời đã cung cấp các dịch vụ sử dụng cho con người phong phú hơn và cải thiện được tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với thế hệ trước đó Nhưng nhu cầu thõa mãn của con người ngày càng cao

và số lượng thuê bao cũng tăng lên, thì mạng thông tin khó mà tránh khỏi những hạn chế Trước bối cảnh đó, thì có rất nhiều hệ thống mạng thông tin di động phát triển lên

hệ thống thông tin di động 4G như: 3GPP LTE, mobile WiMAX (IEEE 802.11 e), UMB (formerly EV-DO Rev C), Flash-OFDM và Các hệ thống iBurst and MBWA

(IEEE 802.20) Trước tình hình đó, tổ chức ITU cũng đưa ra hàng loạt các yêu cầu và tiêu chuẩn 4G để định hướng phát triển Hiện tại, có hai hướng chủ yếu mà thế giới

đang chú ý để phát triển lên mạng 4G là 3GPP LTE và WiMAX Tuy nhiên trước những lợi thế của 3GPP LTE (dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có của nó,…) thì nhiều nước chọn lựa theo hướng này để phát triển lên mạng thông tin di động 4G Hiện tại, LTE

đã được phát triển và triển khai thử nghiệm ở nhiều nơi trên thế giới cũng như ở Việt Nam, để đưa vào ứng dụng rộng rãi trong tương lai gần đây Mục tiêu của hệ thống mạng thông tin di động 4G là nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, thoại dựa trên nền IP và các dịch vụ đa phương tiện Để thực hiện được điều này, thì nhiều thành phần mới được bổ sung vào mạng thông tin di động 4G như: phương pháp truy nhập mạng (OFDMA, SC-FDMA, MIMO OFDM, MIMO SC-FDMA và MC-MC-CDMA …), kỹ thuật đa anten (hệ thống một người dùng và hệ thống đa người dùng), mở rộng từ địa chỉ IPV4 lên IPV6 và kiến trúc SDR Trước tình hình phát triển mạng thông tin di động song song với nhu cầu con người cũng như những hạn chế của các hệ thống mạng trước đó, thì việc nghiên cứu, phát triển và triển khai các hệ thống thông tin di động 4G là vấn đề cần thiết của thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng hiện nay Vậy có thể nói rằng, chương 1 định hướng cho việc phân tích các giải pháp truy nhập

và đánh giá chất lượng mạng đi theo hướng ứng dụng OFDMA, SC-FDMA, MIMO SC-FDMA, MC-MC-CDMA trình bày chi tiết ở chương 2

2.1.1 Phương pháp truy nhập OFDMA

OFDMA là một loại ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) mà trong đó băng tần số được chia thành nhiều tần số sóng mang con trực giao Đầu tiên, dữ liệu được chuyển đổi thành các luồng bit song song, sau đó nó được điều chế trên mỗi sóng mang con bằng cách sử dụng các chương trình điều chế thông thường OFDMA cho phép tốc độ dữ liệu thấp từ nhiều người dùng, có độ trễ ngắn hơn và không đổi Nó có tính linh hoạt trong việc triển khai trên các băng tần số khác nhau bằng cách sửa đổi một ít cho giao diện không gian Ảnh hưởng của fading đa đường được giảm bằng cách sử dụng OFDMA bởi vì dữ liệu của người dùng được điều chế trên vài tần số trực giao chứ không phải là tần số cố định cho toàn bộ thời gian kết nối Ngoài ra, OFDMA không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chia sẻ dung lượng băng thông có sẵn mà còn làm tăng dung lượng cho mỗi người dùng bởi vì sử dụng vài tần số[6]

Thực tế việc thực hiện của hệ thống OFDMA là dựa trên công nghệ kỹ thuật số

và cụ thể hơn thế nữa là sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và biến đổi ngược Fourier rời rạc (IDFT) để chuyển đổi qua lại giữa biểu diễn miền tần số và miền thời gian Kết quả tín hiệu của các dạng sóng đầu vào khác nhau đến khối biến đổi Fourier nhanh (FFT) được thể hiện trong hình 2.1 ở dưới[6]

Hình 2.1 - Kết quả thực hiện FFT với các đầu vào khác nhau[6]

Việc thực hiện FFT là để chuyển đổi tín hiệu biểu diễn trong miền thời gian sang biểu diễn trong miền tần số Biến đổi ngược Fourier nhanh (IFFT) sẽ thực hiện theo hướng ngược lại Đối với dạng sóng hình sin, đầu ra của việc thực hiện FFT sẽ có một đỉnh tại tần số tương ứng và zero cho những vị trí đầu ra khác Nếu đầu vào là một sóng hình vuông, thì đầu ra miền tần số gồm các đỉnh tại nhiều tần số cũng như một sóng chứa vài tần số bao phủ

Xung đầu vào của FFT sẽ có một đỉnh trên tất cả các tần số Khi sóng hình vuông có một khoảng thời gian T, thì sẽ có một đỉnh cao hơn tại tần số 1/T tương ứng với tần số cơ bản của dạng sóng và một đỉnh thấp hơn tại các đường sin lẻ của tần số

Hình 2.2 - Duy trì tính trực giao của các sóng mang con[6]

Điểm lấy mẫu cho một sóng mang con

Giá trị 0 cho các sóng mang con khác Tổng băng thông truyền

Cho tần số tương ứng của dạng sóng đầu vào

Tần số cơ bản

Sơ đồ cơ bản hệ thống máy phát và thu của OFDMA được thể hiện hình 2.3 ở dưới

Các bit vào

tần số tổng băng thông vô tuyến (ví dụ: 20 MHz)

Các bit thu được

Hình 2.3- Hệ thống máy phát và thu của OFDMA[6]

Tại hệ thống máy phát của OFDMA, sử dụng khối IFFT để tạo ra các tín hiệu Nguồn dữ liệu cung cấp đi qua bộ điều chế, nơi mà các chương trình điều chế thích ứng (QPSK, 16QAM, 64QAM) được áp dụng Chuỗi đa mức của các ký hiệu điều chế này, được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và tiếp tục đi vào khối IFFT Thực hiện IFFT để chuyển đổi các ký hiệu dữ liệu phức này về miền thời gian và tạo ra các

ký hiệu OFDM Một băng bảo vệ CP được sử dụng để chèn giữa các ký hiệu OFDMA nhằm tránh nhiễu liên ký hiệu (ISI) Khoảng bảo vệ CP này được chèn vào mỗi ký hiệu bằng cách sao chép phần cuối của ký hiệu và chèn vào phần đầu của ký hiệu, như minh họa trong hình 2.4 ở dưới

Bộ điều chế

Bộ chuyển

từ nối tiếp sang song song Máy phát

Bộ chuyển

từ nối tiếp sang song song

FFT

Bộ giải điều chế

Bộ cân bằng Máy thu

Khi chèn thêm CP, thì thời gian của CP phải lớn hơn thời gian phản hồi lại của xung kênh hoặc trãi trễ Có như thế thì ảnh hưởng của các ký hiệu trước đó có thể tránh được nhiễu liên ký hiệu bằng cách loại bỏ khoảng bảo vệ CP tại máy thu

Khoảng bảo vệ CP

Cyclic prefix

Phần sao chép của ký hiệu (symbol)

Khoảng thời gian ký hiệu OFDM Hình 2.4 - Tạo ra khoảng bảo vệ cho ký hiệu OFDM[6]

Trong khi máy thu không đối phó với nhiễu liên ký hiệu, thì nó vẫn phải đối phó với tác động kênh cho các sóng mang con riêng biệt mà có tần số phụ thuộc vào

sự thay đổi pha và biên độ Sự ước lượng kênh này, được thực hiện bằng cách chèn thêm các ký hiệu tham chiếu, hay còn gọi là ký hiệu hoa tiêu Với vị trí thích hợp của các ký hiệu này, trong cả miền thời gian và miền tần số thì máy thu có thể thêm ảnh hưởng của kênh truyền đến các sóng mang con khác nhau từ ký hiệu tham chiếu miền tần số và miền thời gian này Ví dụ trong hình 2.5 ở dưới [6]

Các tín hiệu tham chiếu

Hình 2.5 - Tham chiếu các ký hiệu trãi trên các sóng mang con OFDMA[6] Một giải pháp cụ thể cho máy thu là thực hiện cân bằng miền tần số, mà cơ bản

là tác động kênh trở lại cho mỗi sóng mang con Cân bằng miền tần số trong OFDMA chỉ đơn giản là nhân mỗi sóng mang con (với các phép nhân có giá trị phức tạp) dựa trên sự phản hồi tần số ước lượng kênh (điều chỉnh pha và biên độ mỗi sóng mang con

đã trãi qua trước đó) của kênh

Các sóng mang

con/miền tần số

Ký hiệu OFDM/miền thời gian

Tại máy thu, đầu tiên loại bỏ khoảng bảo vệ CP và sau đó các sóng mang con được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và đi vào khối FFT Tại giai đoạn FFT, thực hiện chuyển đổi các ký hiệu OFDM trong miền thời gian về lại miền tần số, sau

đó thực hiện cân bằng thông qua bộ cân bằng, rồi đem đi giải điều chế và ta thu được nguồn dữ liệu ban đầu

Các tham số điều chế: các tham số điều chế cho các băng thông truyền khác

nhau ở tuyến xuống được thể hiện trong bảng 2.1 ở dưới

3.84 MHz

7.68 MHz (2x3.84 MHz)

15.36 MHz (4x3.84 MHz)

23.04 MHz

30.72 MHz

(4.69/9) x

6, (5.21/10)

x 1

(4.69/18)

x 6, (5.21/10)

x 1

(4.69/36)

x 6 (5.21/40)

x 1

(4.69/72)

x 6 (5.21/80)

x 1

(4.69/108)

x 6 (5.21/120)

x 1

(4.69/144)

x 6 (5.21/160)

x 1

Mở rộng 16.67/32 16.67/64 16.67/128 16.67/256 16.67/512 16.67/1024

Bảng 2.1 - Các tham số điều chế cho OFDMA[11]

Các kiểu điểu chế QAM:

Điều chế QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ và điều chế số theo pha tín hiệu Dữ liệu được chuyển giao bởi điều chế hai tín hiệu sóng mang riêng biệt (hình sin và hình cosin) mà pha ra là 900 Nó sử dụng các loại pha khác nhau: 4QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM và 256QAM Mỗi trạng thái ký hiệu của QAM định nghĩa một pha và biên độ cụ thể Bằng cách tăng số mức, thì hiệu quả của việc tăng QAM cùng với tăng tính phức tạp QAM làm tăng hiệu quả truyền của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách sử dụng cả pha và biên độ cùng với nhau Điều này, càng dễ

bị nhiễu bởi vì ký hiệu của nó là rất gần với mỗi ký hiệu khác, do đó làm tăng tỷ lệ

nhiễu Nó cũng có vấn đề với tính tuyến tính của hệ thống bởi vì việc sử dụng biên độ

và pha cùng một lúc trong khi trong trường hợp tần số và pha không cần bộ khuếch đại tuyến tính

Điều chế thích nghi:

Điều chế thích nghi là một công nghệ thông minh được sử dụng để chọn kiểu

điều chế thích hợp cho kênh nếu nó bị ảnh hưởng bởi fading, nhiễu và biến thể LTE

có lợi thế lớn của kiểu điều chế này, nếu điều kiện tín hiệu trở nên xấu, nó sẽ chuyển

từ kiểu điều chế này đến kiểu điều chế khác phù hợp nhất cho tín hiệu Nếu kiểu điều chế thay đổi thì số lượng độ lệch trong thông lượng và hiệu quả phổ cũng thay đổi 64QAM có thông lượng cao so với BPSK và QPSK Điều quan trọng là sử dụng chương trình điều chế cao hơn để đạt được hiệu quả quang phổ cao và thông lượng truyền tải cao Trong khi đó, các chương trình điều chế thấp hơn ít dễ bị nhiễu và can nhiễu trong kênh [4] Các kiểu điều chế thể hiện ở hình 2.6 ở dưới

Hình 2.6 – Các chòm sao điều chế LTE[6]

Trong trường hợp QPSK (4QAM), có bốn trạng thái ký hiệu và mỗi ký hiệu truyền hai bit thông tin Trong trường hợp16QAM, có 16 trạng thái ký hiệu và mỗi ký hiệu mang 4 bit thông tin Còn trong trường hợp 64QAM, có 64 trạng thái ký hiệu và mỗi ký hiệu mang 6 bit thông tin

Cấu trúc Frame chung:

 Ts là đơn vị thời gian cơ bản của LTE Các trường miền thời gian thường được định nghĩa trong điều kiện của Ts Ts được định nghĩa là Ts = 1/(15000 x 2048) giây hoặc khoảng 32.6 nano giây

 Việc truyền tuyến lên và tuyến xuống được tổ chức thành các khung thời gian

Tf = 307200 Ts

 Một frame có thời gian 10ms, mỗi frame được chia thành 10 subframes Mỗi subframe chia thành 2 slot, mỗi slot có thời gian là 0.5 ms Trong miền thời gian, một slot có đúng một khối nguồn dài

 Có hai loại frame được định nghĩa cho LTE: loại 1 (hình 2.7), sử dụng trong chế độ song công phân chia tần số (FDD) và loại 2 (hình 2.8), sử dụng trong chế độ song công phân chia thời gian (TDD)

Frame loại 1 bao gồm 20 slots với mỗi slot có thời gian là 0.5ms

Frame loại 2 gồm hai nữa frame Phụ thuộc vào giai đoạn chuyển đổi, ít nhất một trong số nữa frame bao gồm một subframe cụ thể mang theo ba trường thông tin chuyển đổi: khe thời gian Pilot cho tuyến xuống (DwPTs), thời gian bảo vệ (GP) và khe thời gian Pilot cho tuyến lên (UpPTS) Nếu thời gian chuyển đổi là 5ms, thì thông tin chuyển đổi xảy ra trong cả hai nữa frame, đầu tiên trong một subframe và sáu subframe còn lại Các subframe 0 và 5, DwPTS là luôn luôn dành cho truyền tuyến xuống UpPTS và subframe trực tiếp theo sau UpPTS là dành riêng cho truyền tuyến lên Các subframe khác có thể dành cho cả tuyến xuống và tuyến lên [8]

7 ký hiêu = một khối nguồn = 1 slot

Hình 2.7 – Cấu trúc frame loại 1[13]

Hình 2.8 – Cấu trúc frame loại 2[13]

Khối nguồn vật lý tuyến xuống (PRB):

Ở tuyến xuống, các sóng mang con được chia thành các khối nguồn tài nguyên Điều này cho phép hệ thống phân chia các sóng mang con ra thành nhiều phần nhỏ, mà không pha trộn dữ liệu qua tổng số sóng mang con cho một băng thông Khối tài nguyên này bao gồm 12 sóng mang con cho một khe thời gian là 0.5ms Cấu trúc của PRB được đưa ra trong hình 2.9 ở dưới

Hình 2.9 - Khối nguồn tài nguyên vật lý cho tuyến xuống[10]

Có sự khác nhau về số khối nguồn cho tín hiệu các băng thông khác nhau trong LTE như trong bảng 2.2 ở dưới

Băng thông (MHz) 1.4 3 5 10 15 20 Băng thông sóng mang con (kHz) 15

Băng thông (kHz) khối nguồn vật lý (PRB) 180

Số khối nguồn 6 15 25 50 75 100 Bảng 2.2 - Khối nguồn tài nguyên vật lý cho các băng thông khác nhau[10]

2.1.2 Phương pháp truy nhập SC-FDMA

SC-FDMA là phương pháp đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang, nó sử dụng điều chế đơn sóng mang và cân bằng miền tần số, là một kỹ thuật có hiệu suất

tương tự OFDMA và cơ bản có cùng tính phức tạp một cách tổng thể như hệ thống đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA) Một lợi thế nổi bật hơn OFDMA là tín hiệu SC-FDMA có công suất đỉnh trung bình (PAPR) thấp hơn bởi vì cấu trúc đơn sóng mang vốn có của nó SC-FDMA đã thu hút sự chú ý lớn như là một sự thay thế hấp dẫn đối với OFDMA, đặc biệt là trong truyền thông tuyến lên[2] Sơ đồ khối cơ bản máy phát của SC-FDMA được thể hiện hình 2.10 ở dưới Nó có bổ sung thêm N-điểm DFT so với OFDMA Đầu vào của máy phát là một luồng ký hiệu được điều chế

Hình 2.10 - Sơ đồ cơ bản máy phát của SC-FDMA[10]

Tại máy phát SC-FDMA, dữ liệu được ánh xạ thành chùm sao tín hiệu theo kiểu điều chế QPSK, 16QAM hoặc 64QAM, phụ thuộc vào các điều kiện tương tự như kênh trong OFDMA Trong khi đó, các ký hiệu QPSK hoặc QAM không trực tiếp điều chế các sóng mang con mà các ký hiệu này đi qua một bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song theo sau bởi khối DFT, mà biểu diễn các ký hiệu QPSK hoặc QAM trong miền tần số rời rạc Dạng xung được theo sau bởi thành phần DFT, nhưng nó là tùy chọn và đôi khi cần đến dạng tín hiệu đầu ra từ DFT Nếu dạng xung là hoạt động thì trong tín hiệu hiện thời, mở rộng băng thông xảy ra Các ký hiệu Fourier rời rạc từ đầu

ra của khối DFT, sau đó được ánh xạ lên các sóng mang con trong khối ánh xạ sóng mang con Sau khi ánh xạ các sóng mang con điều chế miền tần số này, đi qua khối IDFT là để chuyển đổi về lại miền thời gian Phần còn lại của hoạt động máy phát tương tự như là OFDMA

Sơ đồ cơ bản máy thu thể hiện như hình 2.11 ở dưới Nó gần như tương tự OFDMA nhưng có thêm N điểm IDFT

Hình 2.11 - Sơ đồ cơ bản máy thu của SC-FDMA[10]

N-điểm DFT

Ánh

xạ sóng mang con

M-điểm

CP

P/S S/P

Bộ chuyển đổi D/A

Giải ánh

xạ sóng mang con

Bộ Chuyển đổi A/D

N-điểm IDFT

Phát

hiện

P/

S

Tại máy thu SC-FDMA minh họa trong hình 2.11 ở trên Nó gần giống như OFDMA nhưng có bổ sung thêm các khối gồm: giải ánh xạ sóng mang con, IDFT và tùy chọn dạng bộ lọc Bộ lọc này tương ứng với dạng phổ sử dụng ở máy phát Việc giải ánh xạ sóng mang con của M sóng mang con ánh xạ kết quả trả về là N tín hiệu rời rạc Cuối cùng, thực hiện IDFT N điểm để chuyển đổi tín hiệu SC-FDMA thành chòm sao tín hiệu

Vẫn giống như OFDMA thực hiện chèn khoảng bảo vệ là để tránh nhiễu liên ký hiệu (ISI) giữa một khối các ký hiệu và do đó vẫn có nhiễu liên ký hiệu giữa các khoảng bảo vệ CP Vì thế tại máy thu sẽ chạy bộ cân bằng cho một khối các ký hiệu đến khi CP đạt được mà ngăn chặn việc truyền xa hơn nữa của nhiễu liên ký hiệu, là

để bù đắp lại sự biến đổi kênh, loại bỏ ảnh hưởng của fading

Ánh xạ sóng mang con:

Việc ánh xạ các sóng mang con đóng vai trò quan trọng trong hệ thống máy phát của SC-FDMA Nó ánh xạ mỗi trong số N điểm DFT đầu ra lên một đơn sóng mang con ra khỏi M sóng mang con Trong đó M là tổng số sóng mang con của băng thông có sẵn Việc ánh xạ sóng mang con được thực hiện bằng hai phương pháp: ánh

xạ sóng mang con kế cận nhau (LFDMA) và ánh xạ sóng mang con theo phân bố đều (DFDMA) Các ký hiệu điều chế trong chế độ LFDMA được gán cho M sóng mang con kế cận nhau Trong khi ở chế độ DFDMA, thì các ký hiệu được phân bố cách đều nhau trên kênh băng thông, thể hiện như hình 2.12 và hình 2.13 tương ứng ở dưới

Ở máy phát SC-FDMA, IDFT gán biên độ zero cho các sóng mang con không

bị chiếm đóng trong cả hai chế độ của việc ánh xạ sóng mang con IFDMA là hiệu quả hơn trong SC-FDMA, mà trong máy phát có thể điều chế tín hiệu trong miền thời gian

mà không sử dụng DFT và IDFT Nếu Q = M x N cho chế độ phân bố với khoảng cách đều nhau giữa các sóng mang con thì nó được gọi là IFDMA Trong đó, M là số sóng mang con, Q là số lượng người dùng và N là số lượng sóng mang con cấp phát cho mỗi người dùng Trong việc ánh xạ phân bố đều thì N tín hiệu tần số rời rạc được ánh

xạ với khoảng cách giữa các sóng mang con một cách đồng nhất, trong khi việc ánh xạ phân bố kế cận nhau thì N tín hiệu tần số rời rạc được ánh xạ lên trên N sóng mang con liên tiếp, như thể hiện trong hình 2.12 và hình 2.13 tương ứng

Hình 2.12 – Ánh xạ sóng mang con theo phân bố đều[10]

Hình 2.13 – Ánh xạ sóng mang con kế cận nhau[10]

Ví dụ về các phương pháp phân bố sóng mang con cho đa người dùng: số người dùng (Q) là 3, số sóng mang con (M) là 12 và kích thước khối dữ liệu (N) là 4, thể hiện như trong hình 2.14 ở dưới

Bổ sung 0

Bổ sung 0

Bổ sung 0

Bổ sung 0

Các sóng mang con Các sóng mang con Chế độ phân bố đều nhau Chế độ phân bố kế cận nhau

Hình 2.14 - Các phương pháp phân bố sóng mang con cho đa người dùng[8]

Cấu trúc sub-frame sử dụng trong SC-FDMA:

Đơn vị cơ bản của việc truyền dữ liệu là một sub-frame Hình 2.15 ở dưới thể hiện cấu trúc sub-frame cơ bản trong miền thời gian

Hình 2.15 – Cấu trúc sub-frame cơ bản trong miền thời gian[8]

Một sub-frame có khoảng 0.5 ms bao gồm 6 khối dài (LB) và 2 khối (SB) CP được thêm vào trước mỗi khối Các khối dài được sử dụng để điều khiển và/ hoặc truyền dữ liệu, các khối ngắn được sử dụng để tham chiếu các tín hiệu cho kết hợp giải điều chế và/hoặc điều khiển truyền dữ liệu Cả hai chế độ ánh xạ dữ liệu sóng mang con sử dụng cùng cấu trúc sub-frame localized và distributed

User1

User2

User3

Các tham số điều chế SC-FDMA:

Kích thước SB (s/

số sóng mang chiếm đóng/ Kích thước FFT)

Khoảng CP (s/ số sóng mang)

20 0.5 66.67/1200/2048 33.33/600/1024

(4.13/127) hoặc (4.39/135)

15 0.5 66.67/900/1536 33.33/450/768

(4.12/95) hoặc (4.47/103)

5 0.5 66.67/600/1024 33.33/300/512

(4.1/63) Hoặc (4.62/71)

5 0.5 66.67/300/512 33.33/150/256

(4.04/31) hoặc (5.08/39)

2.5 0.5 66.67/150/256 33.33/75/128

(3.91/15) hoặc (5.99/23)

1.25 0.5 66.67/75/128 33.33/38/64

(3.65/7) hoặc (7.81/15) Bảng 2.3 - Các tham số điều chế cho SC-FDMA[8]

Cũng sử dụng các kiểu điều chế QAM và điều chế thích nghi, trong ứng dụng FDD, sử dụng cấu trúc frame chung và các khối nguồn vật lý tuyến xuống (PRBs) giống như OFDMA

2.1.4 Phương pháp truy nhập MC-MC-CDMA

Phương pháp truy nhập MC-MC-CDMA là sự kết hợp của hai phương pháp truy nhập Multi-Code CDMA và Multi-Carrier CDMA (MC-CDMA) nhằm cung cấp các loại tốc độ dữ liệu khác nhau được truyền đi trên nhiều sóng mang con (đó là sự kết hợp lợi thế của Multi-Code CDMA và MC-CDMA)

Phương pháp truy nhập Multi-code CDMA:

Hệ thống Multi-Code CDMA đã được đề xuất để hỗ trợ các tốc độ khác nhau Trong lược đồ này, mỗi người dùng có một tập gồm M mã được gọi là tập chuỗi mã

Hệ thống này là một sự điều chế M-ary mà trong đó một chuỗi mã biểu diễn một chuỗi

gồm log2M bit Kích thước của tập chuỗi phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu yêu cầu Trong trường hợp bình thường, kích thước tập là 2, tức là có hai chuỗi trong tập, một chuỗi được biểu diễn là „0‟ và một chuỗi khác được biểu diễn là „1‟ Khi tốc độ dữ liệu được tạo ra gấp L lần tốc độ dữ liệu cơ bản, thì tập chuỗi được tạo ra có kích thước là 2L và mỗi chuỗi gồm L bit được ánh xạ đến một trong số 2L chuỗi mã Sơ đồ khối hệ thống máy phát và thu của Multi-Code CDMA được thể hiện trong hình 2.16 ở dưới

Hệ thống máy phát Multi-Code CDMA

Ký hiệu dữ liệu M-ary

cos(ct) Uk(n)

b‟k

b‟(k)

Hình 2.16 - Mô hình hệ thống máy phát và thu của Multi-Code CDMA[1]

Xem xét hệ thống với K người dùng (0  k < K) Mỗi người dùng được gán một tập gồm M chuỗi mã có độ dài N là:

Khối chọn lọc m (1  m  M)

Gm(-n)

GM(-n)

Khối quyết định

   

F(k)  k | 1   (2.1) Với những điều này, các ký hiệu dữ liệu M-ary b{k} được truyền với tốc độ 1/T Tập chuỗi của mỗi người dùng được thực hiện như là một phép nhân giữa một chuỗi xác định người dùng Uk(n) và một tập chuỗi thông tin G[m](n), 1  m  M (chip)

  S   m n G  m n U  n m M

F k  k   k | 1   (2.2) Các chuỗi được điều chế bằng tín hiệu sóng mang h(t) Một cách đơn giản, giả

Tc

t rect Tc t

k k

k



1 0

(2.4) Người dùng k truyền ký tự b(k) tại thời điểm t = lT Tín hiệu của người dùng k

Tại hệ thống máy thu, một băng các bộ lọc phối hợp được sử dụng để phát hiện

ký hiệu được truyền Đầu tiên, chuỗi mã thu được nhân với chip của chuỗi người dùng

và kết quả được tương quan với mỗi trong số M chuỗi mã có thể Chuỗi mã mà cho sự tương quan tối đa, sau đó được ánh xạ trở lại thành ký hiệu M-ary

Phương pháp truy nhập Multi-Carrier CDMA:

Có một số cách tương đương mô tả hệ thống MC-CDMA MC-CDMA có thể được xem xét như là một hình thức của trãi phổ với trãi rộng trong miền tần số mà mã được cố định theo thời gian nhưng có tần số sóng mang con khác nhau

Một cách khác để mô tả MC-CDMA là: DS-CDMA theo sau bởi khối biến đổi ngược Fourier nhanh (IFFT) MC-CDMA cũng có thể được xem như là ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) với một phép tính ma trận trực giao được thực hiện trên các bit của người dùng Cũng như mỗi bit được truyền đồng thời trên nhiều sóng

mang con, MC-CDMA là một hình thức của sự đa dạng tần số Mỗi sóng mang con có một pha bù đắp không đổi là hình thức mã cho những người dùng riêng biệt

Sơ đồ khối hệ thống phát và thu của MC- CDMA được thể hiện trong hình 2.17 ở dưới

Ck(t) Ck1 Cos(2f1t)

Ck1 Ck2

Ck2 Cos(2f2t)

Ckp Cos(2fpt)

Hình 2.17 - Hệ thống máy phát của MC-CDMA[1]

Xem xét hệ thống MC-CDMA với K người dùng (0  k  K) Tín hiệu truyền cho người dùng thứ k được mô tả bởi phương trình như sau:

 t E b   n u t nTc  n  t

n

P p k k

Trong đó: Ek biểu diễn năng lượng ký hiệu cho người dùng thứ k

bk[n] là bit dữ liệu của người dùng k tại thời điểm n

ck,p là chuỗi trãi rộng chip cho người dùng k trên sóng mang con p

p là tần số góc của sóng mang con p

T là khoảng thời gian ký tự

uT(t) là dạng sóng hình chữ nhật trong suốt thời gian T được dùng

để cô lập các ký tự kế tiếp

Hệ thống máy phát của MC-CDMA được mô tả trong hình 2.17 ở trên Mỗi chip được sao chép lên P nhánh và nhân với chip tương ứng của mã trãi xác định người dùng Sau đó, mỗi nhánh điều chế một sóng mang con và các sóng mang con điều chế được cộng lại cùng với nhau và truyền đi

Có một số lợi thế của việc sử dụng MC-CDMA Một trong số đó là giảm thiểu hiện tượng đa đường Có sự xây dựng và loại bỏ can nhiễu tại máy thu do hiện tượng

đa đường Sự loại bỏ can nhiễu gây ra null trong công suất tín hiệu thu được Đối với việc truyền băng thông hẹp, nếu tần số phản hồi lại null xảy ra tại tín hiệu tần số thì toàn bộ các tín hiệu có thể bị mất Tuy nhiên, trong các tín hiệu băng thông rộng, thì kết quả phổ công suất tín hiệu mất mát ít Ngoài ra, nếu băng thông truyền dẫn được

chia thành nhiều sóng mang con, thì phổ null không có khả năng xảy ra ở tất cả các tần

số sóng mang con Một ưu điểm khác của MC-CDMA được đơn giản sự cân bằng trong miền tần số

Phương pháp truy nhập MC-MC-CDMA:

Sơ đồ mô hình hệ thống máy phát của MC-MC-CDMA được thể hiện thông qua hình 2.18 ở dưới

Ký hiệu dữ liệu M-ary

Hình 2.18 - Hệ thống máy phát tín hiệu của MC-MC-CDMA[1]

Tại hệ thống máy phát MC-MC-CDMA, một ký hiệu M-ary lựa chọn một trong

số M chuỗi mã để truyền Mỗi chip của chuỗi mã được sao chép lên P nhánh Mỗi chip của chuỗi xác định người dùng sau đó được nhân với nhánh tương ứng, tức là chip thứ

p của chuỗi xác định người dùng được nhân với nhánh thứ p của bộ sao chép Mỗi trong số các nhánh này, sau đó điều chế một trong số P sóng mang con trực giao và các kết quả được cộng lại Quá trình này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng biến đổi ngược Fourier nhanh (IFFT) có kích thước p để thay thế cho việc nhân sóng mang con và cộng lại

Tại hệ máy thống thu, FFT kích thước p được áp dụng cho đầu vào và đầu ra của FFT sau đó không trãi rộng để tạo ra mỗi chip của chuỗi mã thu được Phát hiện sau đó tiếp tục sử dụng một băng các bộ lọc phối hợp được mô tả cho hệ thống Multi-Code CDMA Việc sử dụng lược đồ đa sóng mang này cung cấp tính đa dạng tần số cho việc truyền đa đường

Việc sử dụng chương trình đa sóng mang này cung cấp sự đa dạng tần số để giảm nhẹ đa đường

Bộ sao chép

Khối chọn lọc m (1  m  M)

2.1.4 MIMO SC-FDMA:

Kênh MIMO: xem xét một kênh MIMO băng thông hẹp Một kênh MIMO

băng thông hẹp điểm-điểm với Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa trong hình 2.19 ở dưới Chúng tôi có thể biểu diễn như một hệ thống MIMO bởi mô hình thời gian rời rạc dưới đây

H =

𝑕11 … 𝑕1𝑁𝑡

⋮ ⋱ ⋮

𝑕𝑁𝑟1 … 𝑕𝑁𝑟𝑁𝑡 Hình 2.19 - Mô tả một kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu[8]

n là nhiễu Gauss phức trung bình zero cấp N r x 1; H là ma trận phức N r x N t của độ lợi kênh hij biểu diễn độ lợi từ anten phát thứ j đến anten thu thứ i Theo định lý phân tách giá trị (SVD), ma trận kênh H có thể được phân tách như sau:

H = UDV H (2.9)

Trong đó: U là ma trận không phân chia, V là ma trận không phân chia, D là ma trận đường chéo không âm cấp N r x N t , và () H là một hoạt động Hermitian (chuyển liên hợp) Thực thể đường chéo của D là các root vuông góc không âm của giá trị riêng

HH H , các cột của U là các vector riêng của HH H , và các cột của V là các vector riêng của H H H

Từ (5.1) và (5.2), có viết lại như sau:

Nhân U H cho cả hai bên của (5.3), nó trở thành:

U H y = U H U DV H x + U H n (2.11) = 1

U H y = DV H x + U H n Lấy: 𝑦 = U H y , 𝑥 = V H x và 𝑛 = U H n thì

𝑦 = D𝑥 + 𝑛 (2.12)

Trong đó 𝑛 có cùng các thuộc tính thống kê như n vì U là ma trận không phân chia Vì thế 𝑛 nhiễu Gaussian phức trung bình zero

Chúng ta có thể thấy từ (2.12), việc truyền MIMO có thể được phân tách ra

thành m đường truyền song song độc lập với m = min(N t , N r), mà đó là cơ sở cho độ lợi ghép kênh không gian

Cho một kênh MIMO băng thông rộng, toàn bộ băng có thể được chia nhỏ thành các băng con hoặc các sóng mang con Sau đó, kênh MIMO cho mỗi sóng mang con trở thành một kênh MIMO băng thông hẹp Lấy toàn bộ băng được chia nhỏ thành

M sóng mang con, sau đó cho sóng mang con

Trong đó: X k là vector tín hiệu truyền cấp N t x 1, Y k là vector tín hiệu nhận cấp

N r x 1, Nk là nhiễu Gauss phức trung bình Zero cấp Nr x 1, và Hk là ma trận phức cấp

Nr x Nt của độ lợi kênh Hij,k biểu diễn độ lợi từ anten truyền thứ j đến an ten thu thứ i Tương tự với kênh MIMO băng thông hẹp, Hk có thể được phân chia thành UkDkVHk

và (2.13) có thể được giải thích là:

𝑌 k = D k𝑋 k + 𝑁 k (2.14) Trong đó: 𝑌 k = U k H Y k , 𝑋 k = V k H X k và 𝑁 = Uk H N k

Chúng ta có thể ghép các kỹ thuật MIMO vào trong SC-FDMA cũng tương tự như MIMO-OFDM, sơ đồ hệ thống ghép kênh MIMO SC-FDMA được thể hiện như hình 2.20 ở dưới

Hình 2.20 - Hệ thống phát và thu của MIMO SC-FDMA[8]

N-Ánh

xạ sóng mang con

điểm IDFT

điểm DFT

N-Ánh

xạ sóng mang con

điểm IDFT

Loại

bỏ

CP

Bộ chuyển đổi A/D

S/

P

điểm DFT

M-Giải ánh xạ sóng mang con

điểm IDFT

N-P/S Phát

S/

P

điểm DFT

M-Giải ánh xạ sóng mang con

điểm IDFT

N-P/S Phát

hiện

2.2 Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin động trong kênh nhiễu cộng Gauss 2.2.1 Đối với phương pháp SC-FDMA

Phương pháp tính xác suất lỗi đối với điều chế MQAM[4]:

 Trường hợp MPAM:

MPAM có biên độ Ai = (2i -1 – M)d; i = 1, 2, , M; d là khoảng cách giữa hai điểm tín hiệu kề cận Cứ mỗi M – 2 điểm của chùm sao có hai điểm kề cận gần nhất có khoảng cách 2d Xác suất phạm phải một lỗi khi gửi một điểm nằm phía trong của chùm sao là xác suất để nhiễu lớn hơn d, nghĩa là Ps (si) = P(|M| > d), i = 2, …, M – 1 Đối với các điểm nằm phía ngoài của chùm sao chỉ có một điểm kế cận gần nhất, như vậy xuất hiện một lỗi nếu nhiễu lớn hơn d chỉ theo một hướng sao cho Ps(si) = P(M > d) = 0.5P(|M| > d), i = 1, M Như vậy xác suất lỗi trung bình của một ký hiệu là:

𝐸 s = 𝑀1 𝐴𝑖2 = 1

𝑀 (2𝑖 − 1 − 𝑀)2𝑑2 =1

3 𝑀2− 1 𝑑2

𝑀 𝑖=1

Giả sử trong trường hợp MQAM này có chùm sao tín hiệu hình vuông cở M =

22 Hệ thống này có thể coi là hai hệ thống MPAM có các chùm sao tín hiệu cở L phát qua các thành phần tín hiệu trùng pha và vuông pha, mỗi thành phần có 1/2 năng lượng của hệ thống MQAM ban đầu Các điểm của chùm sao trong các nhánh trùng pha và vuông pha lấy các giá trị Ai = (2i – 1 – L)d, i = 1, 2, M Xác suất lỗi ký hiệu đối với mỗi nhánh của hệ thống MQAM thõa mãn biểu thức (2.17) Bằng cách thay L

= 𝑀 và s bằng năng lượng trung bình trên một ký hiệu trong chùm sao MQAM: