Công nghệ SDR trong truyền thông di động trên thế giới

MS Mobile Station Thiết bị đầu cuối di động MSC Mobile Switching Centrer Trung tâm chuyển mạch di động OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số tr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN NGỌC BA

ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ SDR TRONG TRUYỀN THÔNG

DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS TS NGUYỄN THÚC HẢI

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1G First Generation mobile phone system Hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 1 2G Second Generation mobile phone system (GSM, IS-95) Hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 2 3G Third Generation mobile phone system Hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 3 3GPP Third Generation Global Partnership Project Dự án hội nhập toàn cầu thế hệ 3 3GPP2 Third Generation Global Partnership Project 2 Dự án hội nhập toàn cầu thế hệ 3 4G Generation mobile phone system Hệ thống điện thoại di động thế hệ

thứ 4 ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao không đối xứng

AM Amplitude Modulation Điều biên

AMPS Advaced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại tiên tiến ASIC Application-Specific Integrated

ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng

Bps Bits per second Bit trên giây

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Transmission Station Trạm phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh

CORBA Common Object Request Broker Architecture

DAB Digital Audio Broadcasting Truyền thanh số quảng bá

DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier

DRM Digital Radio Mondiale Hệ thống phát thanh số đường dài DS-

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

DVB-C Digital Video Broadcasting – Cable Truyền hình số quảng bá cáp

DVB-S Digital Video Broadcasting – Satellite Truyền hình số quảng bá vệ tinh DVB-T Digital Video Broadcasting -Terrestrial Truyền hình số quảng bá mặt đất EBNR Energy per Bit to Noise Ratio Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp âm EDGE Enhanced Data Rate for Global

Evolution

Tốc độ dữ liệu cao cho sự phát triển toàn cầu

EVDO Evolution Data Only Phát triển chỉ với dữ liệu

FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FDM A Frequency Division Multiplexing

Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

FIR Finite Impulse Response (digital

FM Frequency Modulation Điều tần

FPGA Field Programmable Gate Array Mảng logic có thể lập trình

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần

GPP General Purpose Processor Bộ xử lý chung

GPRS Generic Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System for Mobile communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu HDR Hardware Defined Radio Phần cứng định nghĩa vô tuyến HLR Home Location Rigister Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

IF Intermediate Frequency Trung tần

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh ngược Fourier

Telecommunication 2000 Thông tin di động toàn cầu 2000

IP Intenet Protocol Giao thức Internet

ITU International Telecommunication

LNA Low Noise Amplifier

LO Local Oscillator Bộ tạo giao động nội

MAC Medium Access Controller Điều khiển truy nhập môi trường MIMO Multiple input multiple output Hệ thống đa anten phát/thu

MIPS Millions of Instructions per

MS Mobile Station Thiết bị đầu cuối di động

MSC Mobile Switching Centrer Trung tâm chuyển mạch di động OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất

PLMN Public Land Mobile Network Mạng truy nhập mặt đất công cộng PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên vuông góc

QOS Quality Of Service Chất lượng phục vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

SAP ServiceAccessPoints Điểm truy nhập dịch vụ

SCA Software Communications Architecture Kiến trúc truyền thông phần mềm SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa phần mềm SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SISO Single Input Single Output Hệ thống một anten phát/thu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

SODA A High-Performance DSP Architecture for SDR Kiến trúc DSP hiệu năng cao cho SDR SOFDMA Scalable OFDMA Tính mềm dẻo OFDM

SSB Single Side Band Điều chế đơn biên

TCO Total cost of ownership Tổng chi phí

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống thông tin di động cho tất cả moi người UTRA UMTS Terrestrial RadioAccess Truy nhập vô tuyến mặt đất

VLR Visitor Location Rigister Bộ ghi định vị tạm trú

VoIP Voice Over Internet Protocol Truyền thoại qua giao thức Internet W-

CDMA Wide-band Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt không dây

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi Tất cả các tài liệu tham khảo của các tác giả được sử dụng một cách hợp pháp Các kết quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ một luận văn nào khác

Tác giả luận văn:

Nguyễn Ngọc Ba

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua, thông tin di động đạt được những thành tựu to lớn và ngày càng mang lại dịch vụ hoàn hảo hơn cho người sử dụng Để có được tốc độ truy cập như hiện nay chúng ta đã từng bước thay đổi và cải tiến kỹ thuật, các công nghệ mới được áp dụng OFDM, MIMO và đặc biệt là Software Defined Radio (SDR) Công nghệ SDR (Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm) sử dụng một nền tảng phần cứng thống nhất để cung cấp các tiêu chuẩn thông tin, các lược đồ điều chế và tần số khác nhau thông qua các mô đun phần mềm Nó hỗ trợ việc triển khai các hệ thống thông tin vô tuyến đa băng tần và đa tiêu chuẩn Với kỹ thuật SDR, các nhà khai thác di động có thể nâng cấp hệ thống mạng đến phiên bản mới nhất mà không cần thay đổi phần cứng, làm giảm tổng chi phí TCO Những dịch vụ mới được cung cấp cho các tầng lớp người sử dụng khác nhau trên nền một hạ tầng phần cứng chung Do đó, triển khai SDR sẽ giúp các nhà khai thác chuyển từ “nhà cung cấp mạng” thành “nhà cung cấp dịch vụ”, từ đó tạo ra các nguồn doanh thu mới Ngoài ra, thiết bị SDR còn giúp cải thiện thời gian đưa sản phẩm ra thương mại và làm giảm đáng kể rủi ro đầu tư của nhà khai thác

SDR còn mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng đầu cuối Nó cho phép khách hàng có thể thay đổi và truy nhập các tính năng cũng như các dịch vụ mới đa dạng dễ dàng Các thuê bao có thể sử dụng đầu cuối SDR để chuyển vùng dễ dàng giữa các nhà khai thác và tận hưởng sự di động thực sự Kỹ thuật SDR làm tăng vòng đời của việc đầu tư thiết bị đầu cuối và đảm bảo không lỗi thời

Với những ưu điểm lớn như vậy, SDR hiện đang là một công nghệ phát triển nhanh và phổ biến trong ngành công nghiệp thông tin vô tuyến thương mại Thông qua nâng cấp phần mềm, các thiết bị có thể thực hiện các tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau gồm GSM, WCDMA/HSPA, CDMA2000 1X EV-DO và WiMAX Đây cũng

là lý do em chọn đề tài nghiên cứu “Công nghệ SDR trong truyền thông di động

thế hệ mới”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Công nghệ SDR sử dụng một nền tảng phần cứng thống nhất để cung cấp các tiêu chuẩn thông tin, các lược đồ điều chế và tần số khác nhau thông qua các mô đun phần mềm Ứng dụng công nghệ SDR có thể nâng cấp hệ thống mạng đến phiên bản mới nhất mà không cần thay đổi phần cứng, làm giảm tổng chi phí

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài

3.1 Mục đích:

Nghiên cứu công nghệ SDR trong truyền thông di động thế hệ mới nhằm: + Có cái nhìn cụ thể về công nghệ mới SDR

+ Hiểu rõ kiến trúc và cách thức hoạt động của công nghệ SDR

+ Khả năng tích hợp SDR với các công nghệ mới

3.2 Đối tượng

+ Công nghệ SDR trong truyền thông di động thế hệ mới

+ Kết hợp SDR với MIMO-OFDM

3.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu công nghệ SDR trong truyền thông di động thế hệ mới

3.4 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu đề tài tác giả dựa vào:

Cơ sở lý thuyết: Luận văn sử dụng các lý thuyết về truyền thông di động, công nghệ viễn thông, kỹ thuật xử lý tín hiệu và cơ sở toán học

Cơ sở thực tiễn: Tìm hiểu phân tích những thực trạng công nghệ truyền thông di động ở nước ta và trên thế giới Đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ SDR cho truyền thông di động thế hệ mới

4 Kết cấu của luận văn

Luận văn được trình bày thành bốn chương:

Chương 1: Tổng quan về tình hình thông tin di động

Chương 2: Các công nghệ ứng dụng trong mạng di động thế hệ mới

Chương 3: Công nghệ SDR

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH THÔNG TIN

DI ĐỘNG

1.1 Tổng quan về tình hình thông tin di động

Ra đời vào những năm 40 của thế kỷ XX, thông tin di động được coi như là một thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực thông tin viễn thông với đặc điểm các thiết bị đầu cuối có thể truy cập dịch vụ ngay khi đang di động trong phạm vi vùng phủ sóng Thành công của con người trong lĩnh vực thông tin di động không chỉ dừng lại trong việc mở rộng vùng phủ sóng phục vụ thuê bao ở khắp nơi trên toàn thế giới

mà các nhà cung dịch vụ, các tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động đang

nỗ lực hướng tới một hệ thống thông tin di động hoàn hảo, các dịch vụ đa dạng, chất lượng dịch vụ cao

Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng thông rộng thế hệ thứ ba đang được triển khai trên toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa phương tiện thế hệ thứ tư đang được nghiên cứu và thử nghiệm tại một số nước

Điện thoại di động xuất hiện đầu tiên ở Mỹ là hệ thống mà toàn thành phố sử dụng cấu trúc ô rộng 150MHz năm 1946 Hệ thống đầu tiên gồm 6 kênh, chuyển mạch nhân công và có phân cách kênh 60MHz Sau khi hệ thống này ra đời, nhu cầu đã sớm vượt qua dung lượng do số kênh có hạn Các hệ thống di động và xách tay sử dụng cấu trúc ô nhỏ ra đời để đáp ứng nhu cầu tăng rất lớn vào những năm

1980 Việc sử dụng ô nhỏ đã được Mỹ nghiên cứu vào cuối những năm 1960, do Ủy ban thông tin liên bang Mỹ (FCC) đề nghị phát triển một hệ thống mới để đáp ứng nhu cầu và đã ấn định lại băng tần 800-900 MHz, trước đây được dành cho truyền hình quảng bá, cho thông tin di động mặt đất

Thế hệ thứ 2 được phát triển trong suốt thập niên 90 Sự phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ thứ 2 đã bùng nổ lượng thuê bao di động trên toàn cầu Đây

là thời kỳ chuyển đổi từ công nghệ analog sang digital Thế hệ này có khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng, các tiện ích hỗ trợ cho công nghệ thông tin, cho phép

thuê bao thực hiện chuyển vùng quốc tế tạo khả năng giữ liên lạc trong một diện rộng khi họ chuyển từ quốc gia này sang quốc gia khác

Với thế hệ thứ 3, từ năm 1992 hội nghị thế giới truyền thông dành một số dải tần cho hệ thống di động 3G: phổ rộng 230 MHz trong dải tần 2GHz, trong đó 60 MHz được dành cho liên lạc vệ tinh Sau đó, Liên Hiệp Quốc Tế Truyền Thông (ITU) chủ trương một hệ thống di động quốc tế toàn cầu với dự án IMT-2000 sử dụng trong các dải tần 1885-2025 MHz và 2110-2200 MHz Thế hệ 3G gồm các kỹ thuật: WCDMA, kiểu FDD và TD-CDMA kiểu TDD Mục tiêu của IMT-2000 là giúp cho các thuê bao liên lạc với nhau và sử dụng dịch vụ đa truyền thông trên phạm vi thế giới, với tốc độ từ 144Kbps đến 2Mbps

Tiếp theo mạng thông tin di động thế hệ thứ 3, Liên minh Viễn thông quốc

tế (ITU) đang hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ 4 (4G -

4th 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

1.1.1 Những công nghệ di động tiềm năng cho thế hệ mới

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

- LTE (Long-Term Evolution)

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

khiển công suất và nâng cao thời gian sử dụng pin cho thiết bị đầu cuối của khách hàng

- UMB (Ultra Mobile Broadband)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng truyền thông di động thế hệ thứ ba CDMA2000 3GPP2 (3rd 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 dự kiến 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

- WiMAX II (IEEE 802.16m)

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 công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM)

Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100 Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho người sử dụng tĩnh Khoảng cách truyền của WiMAX II là khoảng 2 km ở môi trường thành thị và khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn

Hãng Intel đang dẫn đầu về đề xuất sử dụng và phát triển WiMAX II cho hệ thống 4G, một chiến lược mà các Hãng Alcatel-Lucent, AT&T, Motorola, Nokia,

Samsung, Sprint Nextel và các thành viên khác của WiMAX Forum cũng tích cực ủng hộ

1.1.2 Định hướng và tương lai của công nghệ 4G

Cho đến nay, thế giới chưa chính thức thông qua một chuẩn nào sử dụng cho công nghệ 4G Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền

đề cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G Các sở cứ quan trọng để ITU thông qua cho chuẩn 4G chính là từ hỗ trợ của các hãng di động toàn cầu; các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt là sự xuất hiện của 3 công nghệ mạng di động tế bào tiền 4G (LTE, UMB và WiMAX II) Chúng sẽ là các công nghệ quan trọng giúp ITU xây dựng các chuẩn 4G trong thời gian tới

Mặc dù chưa có chuẩn nào cho 4G được thông qua, nhưng một số hãng đã sẵn sàng để làm việc với công nghệ 4G Cho đến nay, ITU vẫn chưa định nghĩa cụ thể về công nghệ 4G, nhưng các nhà đầu tư như NTT DoCoMo và Sprint Nextel đang đầu tư vào các thử nghiệm cho công nghệ này nhằm mục đích thu được những kinh nghiệm làm việc với 4G cũng như nâng cao hiệu năng cho 4G trước khi chính thức được đưa vào khai thác Hình 1.1 cho thấy các giai đoạn phát triển của thông tin di động

Hình 1 Chuẩn công nghệ qua từng giai đoạn phát triển của di động Theo dự đoán của các nhà phân tích, các công nghệ như EV-DO và HSPA sẽ

sử dụng các công nghệ 3G hay 3,5G đều có bộ vi xử lý không thực sự phù hợp cho các ứng dụng đa phương tiện, mặc dù tính năng này mạng đã hỗ trợ Vì thế mà các thiết bị đầu cuối sẽ phải cải tiến trước khi người dùng nghĩ đến chi phí mà họ phải trả cho các thiết bị đầu cuối để sử dụng các dịch vụ tốc độ cao đã tương xứng hay chưa Hiện tại, các nhà đầu tư có thể mở rộng khả năng cho mạng 3G bằng cách nâng cấp lên 3,5G; điều đó đồng nghĩa với việc ứng dụng 4G sẽ bị chậm lại

Hiện nay, phần lớn các nhà khai thác viễn thông đều lên kế hoạch thực hiện 4G cho các vùng đô thị, nơi mà có nhiều các tổ chức, công ty cũng như số lượng khách hàng lớn - các đối tượng mà luôn mong muốn các dịch vụ chất lượng tốt và tốc độ truyền dữ liệu cao Tuy nhiên, trước mắt các nhà đầu tư sẽ tiếp tục cung cấp các dịch vụ 3G cũng như 3,5G và nó được xem như là quá trình thực hiện từng bước cho 4G Điều này không chỉ giúp họ tiếp tục mở rộng vùng phủ sóng, gia tăng

số lượng khách hàng mà còn giúp thu hồi vốn đã đầu tư cho 3G Với người dùng, có thể chuyển dễ dàng sang công nghệ 4G, bởi với họ đơn giản đó chỉ là sự mở rộng các ứng dụng của mạng 3G hay 3,5G mà họ đang dùng

Tại các nước châu Phi, khu vực Mỹ La tinh, Hàn Quốc và Mỹ sử dụng phổ biến CDMA, vì vậy các nhà khai thác đang hướng mạng của họ phát triển lên theo UMB Với các quốc gia Châu Âu, phần lớn sử dụng GSM, vì thế họ đang hướng phát triển mạng theo LTE mà không vội vàng chuyển theo hướng WiMAX II tốn kém hơn Các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông còn lại của thế giới nhiều khả năng

sẽ phát triển mạng theo WiMAX II

Báo cáo của ITU cho thấy tăng trưởng di động trong thời gian qua rất đáng kinh ngạc, với số thuê bao di động toàn cầu ước tính đạt 4,6 tỷ vào cuối năm 2009,

và số thuê bao băng rộng di động đạt tới 600 triệu trong năm 2009

1.1.3 Tình hình thông tin di động ở Việt Nam

Tại Việt Nam, thị trường di động trong những năm gần đây cũng đang phát triển với tốc độ nhanh Cùng với hai nhà cung cấp dịch vụ di động lớn nhất là Vinaphone và Mobifone, Công Ty Viễn thông Quân đội (Viettel), S-fone, Công ty

cổ phần Viễn thông Hà Nội, Viễn Thông Điện Lực và mới nhất là mạng Beline kết hợp giữa Gtel và Vimpeco tham gia vào thị trường di động chắc hẳn sẽ tạo ra một

sự cạnh tranh lớn giữa các nhà cung cấp dịch vụ, đem lại một sự lựa chọn phong phú cho người sử dụng Vì vậy, các nhà cung cấp dịch vụ di động Việt Nam không chỉ sử dụng các biện pháp cạnh tranh về giá cả mà còn phải nỗ lực tăng cường số lượng dịch vụ và nâng cao chất lượng dịch vụ để chiếm lĩnh thị phần trong nước Tính đến hết quý I năm 2009, Việt Nam có khoảng 73,2 triệu thuê bao di động đang hoạt động, tăng hơn gấp đôi so với cùng kỳ năm ngoái, trở thành quốc gia có số thuê bao di động nhiều thứ 6 tại châu Á

Bảng 1 Thống kê số thuê bao di động khu vực Châu Á quý I năm 2009 Ngày 12/10/2009 tại Hà Nội, Công ty Dịch vụ Viễn thông (VNP), đơn vị chủ quản mạng di động Vinaphone chính thức khai trương mạng Vinaphone 3G và trở thành mạng thông tin di động tiên phong ở Việt Nam cung cấp cho khách hàng các dịch vụ thông tin di động trên nền công nghệ 3G Sau khi Vinaphone triển khai 3G, lần lượt Mobile và Viettel cũng nhanh chóng cung cấp dịch vụ 3G

Việc Vinaphone khai trương mạng 3G đã đánh dấu một giai đoạn phát triển mới của lĩnh vực thông tin di động Việt Nam Với đường truyền dữ liệu và truy cập Internet tốc độ tối đa lên tới 14.4 Mbps, 3G sẽ tạo nên một cuộc cách mạng về thông tin di động tại Việt Nam Từ nay, bên cạnh dịch vụ thoại truyền thống, khách hàng sẽ được sử dụng các ứng dụng đa dạng về truyền dữ liệu, truy cập Internet trên điện thoại di động với sức mạnh của Vinaphone 3G Có thể nói, cánh cửa truy cập Internet đã thực sự được “mở rộng” đối với các thuê bao di động tại Việt Nam

1.2 Chuẩn hóa mạng di động thế hệ mới

1.2.1 Tình hình chuẩn hóa mạng thông tin di động

Trong mọi lĩnh vực, muốn áp dụng bất cứ công nghệ nào trên phạm vi toàn thế giới đều phải xây dựng một bộ tiêu chuẩn cho công nghệ đó để bắt buộc các nhà cung cấp dịch vụ, nhà sản xuất thiết bị hay các nhà khai thác phải tuân thủ nghiêm ngặt bộ tiêu chuẩn của công nghệ đó Việc xây dựng bộ tiêu chuẩn cho một công nghệ thường do tổ chức hay cơ quan có thẩm quyền nghiên cứu đưa ra dự thảo đề xuất và nghiên cứu đánh giá Lĩnh vực thông tin di động cũng không nằm ngoài nguyên tắc chung này

Một vấn đề cần quan tâm trong lĩnh vực di động là trên thế giới hiện nay đang

có nhiều công nghệ di động khác nhau đang cùng tồn tại phát triển và cạnh tranh nhau để chiếm lĩnh thị phần Nhu cầu thống nhất các công nghệ này thành một hệ thống thông tin di động đã xuất hiện từ lâu, nhưng gặp phải nhiều khó khăn trở ngại Trên thực tế, các công nghệ di động khác nhau vẫn song song tồn tại và phát triển Điều này đồng nghĩa với việc trên thế giới có nhiều tổ chức và cơ quan chuẩn hoá khác nhau

1.2.1.1 Các tổ chức chuẩn hóa

Hiện nay trên thế giới, tham gia vào việc chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động 2,5G, 3G và 4G có các tổ chức sau:

• ITU-T (T-Telecommunications) Cụ thể là nhóm SSG (Special Study Group)

• ITU-R (R- Radio): Cụ thể là nhóm Working Group 8F –WG8F

• 3GPP: 3 rd Global Partnership Project

• 3GPP2: 3 rd Global Partnership Project 2

• IETF: Internet Engineering Task Forum

• Các tổ chức phát triển tiêu chuẩn khu vực (SDO-Standard Development Organization)

Ngoài ra còn có các tổ chức khác trong đó có sự tham gia của các nhà khai thác để thích ứng và làm hài hoà sản phẩm trên cơ sở các tiêu chuẩn chung Các nhà

khai thác tham gia nhằm xây dựng và phát triển hệ thống thông tin di động một cách hợp lý, phù hợp với thực tế khai thác Các tổ chức đó là:

• OHG – Operator’s Harmonisation Group

• 3G.IP: cụ thể là Working Group 8G- WG8G

• MWIF- Mobile Wireless Internet Forum

Như vậy, 2 tổ chức chịu trách nhiệm chính trong việc xây dựng tiêu chuẩn cho

hệ thống thông tin di động 3G là 3GPP và 3GPP2 Hai tổ chức này có nhiệm vụ hình thành và phát triển các kỹ thuật

1.2.1.1.1 3GPP

Năm 1998, các cơ quan phát triển tiêu chuẩn SDO khu vực đã đồng ý thành lập

một tổ chức chịu trách nhiệm tiêu chuẩn hoá UMTS, được đặt tên là 3GPP ( 3 rd

Generation Partnership Project)[1] Các thành viên sáng lập nên 3GPP bao gồm :

• ETSI- European Telecommunication Standard Institute- của Châu Âu

• ARIB- Association of Radio Industry Board- của Nhật Bản

• TTA- Telecommunication Technology Association- của Hàn Quốc

• T1 của Bắc Mỹ

• TTC- Telecommunication Technology Committee- của Nhật Bản

• CWTS- China Wireless Telecommunication Standard group - của Trung

Quốc

3GPP còn có một số quan sát viên là các tổ chức phát triển tiêu chuẩn khu vực

có đủ tiềm năng để trở thành thành viên chính thức trong tương lai Các quan sát viên hiện tại là:

• TIA – Telecommunications Industries Association -của Mỹ

• TSACC-Telecommunications Standards AdvisoryCouncil of Canada- của

Canada

• ACIF- Australian Communication Industry Forum - của Úc

Các thành viên của 3GPP đã thống nhất rằng, công nghệ truy nhập vô tuyến là hoàn toàn mới và dựa trên WCDMA, các thành phần của mạng sẽ được phát triển trên nền tảng của các mạng thông tin di động thế hệ 2 đã có với nguyên tắc tận dụng cao nhất có thể Vì mạng lõi dựa trên mô hình GSM đã chứng tỏ được hiệu quả trong sử dụng thực tế, các đầu cuối 3G cũng sẽ mang một card tháo lắp được để mang thông tin liên quan đến thuê bao và các chức năng cụ thể của nhà cung cấp dịch vụ theo cách giống như GSM sử dụng SIM

3GPP được chia thành các nhóm tiêu chuẩn kỹ thuật (TSG – Technical Specification Group) chịu trách nhiệm về từng lĩnh vực nhất định như sau:

• TSG-SA: về dịch vụ và kiến trúc

• TSG-CN: về tiêu chuẩn hoá mạng lõi

• TSG-T: về thiết bị đầu cuối

• TSG-GERAN: về mạng truy nhập cho GSM và 2,5G

• TSG-RAN: về mạng truy nhập cho 3G

Các nhóm kỹ thuật trên được quản lý bởi một nhóm phối hợp hoạt động dự án

PCG (Project Co-ordination Group) Cấu trúc chức năng được trình bày trong hình

1.1

Hình 1.1 Cấu trúc chức năng của TSG trong 3GPP  

1.2.1.1.2 3GPP2

3GPP2 được thành lập vào cuối năm 1998, với 5 thành viên chính thức là tổ chức phát triển các tiêu chuẩn sau:

• ARIB- Association of Radio Industry Board- của Nhật Bản

• CWTS- China Wireless Telecommunication Standard - của Trung Quốc

• TIA- Telecommunication Industry Association – Của Bắc Mỹ

• TTA- Telecommunication Technology Association- Của Hàn Quốc

• TTC- Telecommunication Technology Council- của Nhật Bản

1.2.1.2 Tình hình chuẩn hóa 4G

Từ cuối năm 2002 ý tưởng về mạng thông tin không dây tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu có thể kết nối các mạng không dây khác trên một mạng IP backbone duy nhất đó chính là mạng 4G trong tương lai 4G còn chính là những

ý tưởng và hy vọng của các nhóm nghiên cứu, của các nhà sản xuất thiết bị như Motorola, Qualcom, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều nhà cung cấp cơ sở hạ tầng khác, họ không hài lòng về dịch vụ 3G đã đạt được

Hiện nay việc chuẩn hóa 4G vẫn chỉ trong giai đoạn nghiên cứu có rất nhiều nước, vùng, tổ chức, công ty tham gia Tuy nhiên, việc nghiên cứu này vẫn khá độc lập với nhau Do đó hiện nay vẫn chưa có một tiêu chuẩn cụ thể nào cho 4G Bảng 1.1 liệt kê một số diễn đàn chuẩn hóa 4G

Khu vực Tổ chức Ghi chú

Toàn cầu ITU Phê chuẩn tiêu chuẩn hóa toàn cầu

Chuân Âu WWRF Là diễn đàn 4G có ảnh hưởng nhất với sự tham gia của Nokia, Ericsson, Siemens

hỗ trợ tốc độ 100 Mbps đường xuống và 50 Mbps đường lên với dải thông là 1.25 Mhz đến 20 MHz và sẽ sử dụng công nghệ OFDM cho giao diện vô tuyến Theo kế hoạch 3GPP sẽ triển khai 4G rộng rãi vào khoảng năm 2012

Tuy chưa có hệ thống tiêu chuẩn thống nhất cho 4G nhưng có một số công nghệ mà gần như chắc chắn được sử dụng trong mạng 4G đó là: Công nghệ LTE (Long-Term Evolution) và Wimax

+ Xu hướng tích hợp và hội tụ trong một mạng lõi toàn IP V6

+ Các công nghệ, kỹ thuật được sử dụng cho mạng truy nhập nhằm mục đích tăng tốc độ như và khả năng di chuyển không giới hạn: OFDM, MIMO, SDR

1.2.1.2.1 Một số tham số quan trọng của 4G

Cấu trúc theo nhu

cầu sử dụng dịch vụ

Voice là chính, data chỉ là

phụ Hội tụ data và voice qua IP

Cấu trúc mạng Wide area cell-base Tích hợp wireless LAN và wide area cell-based

Sửa lỗi hướng đi Sử dụng mã xoắn với tỉ l/2,

IP Chưa được toàn IP, bao gồm cả IP 5.0 Toàn IP (IP V6)

Bảng 1.2- Các tham số của 4G

1.2.1.2.2 Chuẩn hóa LTE

LTE là bước lớn tiếp theo trong truyền thông vô tuyến di động và đã được

giới thiệu trong bản 3GPP Release 8 LTE sử dụng kỹ thuật phân chia theo tần số

trực giao (OFDM) như kỹ thuật truy nhập vô tuyến của nó, cùng với kỹ thuật anten

cải tiến

Điểm khởi đầu cho các tiêu chuẩn hóa LTE là hội thảo phát triển RAN

3GPP, tổ chức vào 11/2004 tại Toronto-Canada Một mục nghiên cứu được bắt đầu

vào tháng 12/2004 với mục tiêu phát triển một cơ cấu cho sự cải tiến kỹ thuật truy nhập 3GPP theo hướng tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Cụ thể như sau:

• Tốc độ: Tốc độ tải xuống (Downlink - DL) cao nhất ở băng thông 20MHz

có thể lên đến 100Mbps, cao hơn từ 3-4 lần so với công nghệ HSDPA (3GPP Release 6) và tốc độ tải lên (Uplink - UL) có thể lên đến 50Mbps, cao hơn từ 2-3 lần so với công nghệ HSUPA (3GPP Release 6) với 2 anten thu và 1 anten phát ở thiết bị đầu cuối

• Độ trễ: Thời gian trễ tối đa đối với dịch vụ người dùng phải thấp hơn 5ms

• Độ rộng băng thông linh hoạt: Có thể hoạt động với băng thông 5MHz,

10MHz, 15MHz và 20MHz, thậm chí nhỏ hơn 5MHz như 1,25MHz và 2,5MHz

• Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/giờ, và vẫn hoạt động tốt

với tốc độ di chuyển từ 15-120km/giờ, thậm chí lên đến 500km/giờ tùy băng tần

• Phổ tần số: Hoạt động theo chế độ phân chia theo tần tố (FDD Mode) hoặc

chế độ phân chia theo thời gian (TDD mode) Độ phủ sóng từ 5-100km (tín hiệu suy yếu từ km thứ 30), dung lượng hơn 200 người/cell (băng thông 5MHz)

• Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

cho các thiết bị VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ gần như không có) thông qua các mạng chuyển mạch UMTS

• Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện

có và các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ còn lại

• Chi phí: Chi phí triển khai và vận hành giảm

Để đạt được các mục tiêu trên, LTE sẽ phải sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số trực giao) cho hướng DL và SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số sóng mang đơn) cho hướng UL Thêm vào đó, việc sử dụng anten MIMO cũng là một yêu cầu tất yếu

Để đơn giản hóa kiến trúc, LTE có một số thay đổi lớn liên quan đến SAE (System Architecture Evolution) Chế độ hoạt động của LTE gồm FDD (Frequency Division Duplex – Phân chia theo tần số song công) và TDD (Time Division Duplex – Phân chia theo thời gian song công) LTE TDD hay TD-LTE cung cấp bước tiến triển dài hạn cho các mạng dựa trên kỹ thuật TD-SCDMA

1.2.1.2.3 Chuẩn hóa Wimax

WiMAX di động cũng có những đặc điểm giống EV-DO hoặc HSxPA nhằm tăng tốc độ truyền thông Những đặc điểm đó bao gồm: Mã hóa và điều chế thích nghi, kỹ thuật sữa lỗi bằng dò – lặp, phân bố nhanh và chuyển giao mạng nhanh và hiệu quả

Không giống như công nghệ 3G dựa trên CDMA được xây dựng nhằm vào dịch vụ thoại, WiMAX được thiết kế để đáp ứng dịch vụ truyền dữ liệu dung lượng lớn (trong đó có cả dịch vụ thoại VoIP) WiMAX sử dụng kỹ thuật trải phổ SOFDMA và hạ tầng mạng xây dựng trên nền IP WiMax cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ uplink và downlink cao hơn,

sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình WiMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại Để tăng vùng phủ, chuẩn WiMAX hoặc sử dụng mạng Mesh hoặc sử dụng anten thông minh hoặc MIMO Dữ liệu truyền trong mạng WiMAX được phân chia thành 5 lớp dịch vụ với những ưu tiên khác nhau nhằm đáp ứng QoS( chất lượng dịch vụ) Ngoài ra, bảo mật cũng là một đặc điểm vượt trội của WiMAX

Chuẩn cơ bản 802.16

Chuẩn WiMax đầu tiên – 802.16-2004 đã được IEEE chấp nhận Không giống các chuẩn không dây khác, WiMax cho phép truyền dữ liệu trên nhiều dải tần, có thể tránh “đụng độ” với những ứng dụng không dây khác WiMax cho tốc độ cao một phần nhờ kỹ thuật OFDM cho phép tăng băng thông bằng cách chia tách các kênh băng rộng thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh dùng tần số khác nhau để truyền đồng thời các gói dữ liệu

Chuẩn 802.16 ban đầu được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện không dây dựa trên một nghi thức MAC chung Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát và người sử dụng Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa hai SS với nhau Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênh uplink

và downlink Kênh uplink sẽ chia sẻ cho nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm broadcast Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS, thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao Ngược lại, thông tin sẽ được truyền trên băng tần thấp để chống nhiễu

Tháng 12/2005, IEEE phê chuẩn 802.16e – Mobile WiMax, bổ sung cho 802.16-2004 Mobile WiMax cung cấp khả năng di động bằng cách cho phép chuyển kênh truyền dữ liệu từ một trạm thu phát này sang một trạm khác khi người dùng di chuyển giữa 2 trạm Tương tự phiên bản 802.11n của Wi-Fi, Mobile WiMax dùng công nghệ MIMO cho phép phát và thu qua nhiều anten để cải thiện tốc độ và chất lượng tín hiệu Mobile WiMax được kỳ vọng cạnh tranh với các công nghệ di động, Wi-Fi và các công nghệ truy cập Internet như DSL Nhiều chuyên gia phân tích cho rằng Mobile WiMax sẽ nhanh chóng trở nên phổ biến vì không cần cơ

sở hạ tầng tốn kém như các hệ thống dùng dây và cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ thoại, dữ liệu và các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình độ nét cao (HDTV) Theo một nghiên cứu hồi tháng 4/2008, tổ chức WiMAX Forum dự báo trong 5 năm tới số lượng người dùng Mobile WiMax trên toàn cầu có thể đạt gần

100 triệu Gần đây nhiều hãng đã bắt đầu đưa ra sản phẩm di động được WiMax Forum chứng nhận tuân theo chuẩn IEEE và có thể làm việc với nhau Các nhà khai thác mạng tại nhiều quốc gia, đặc biệt là khu vực châu Á – Thái Bình Dương, đang hoặc có kế hoạch triển khai WiMax (tại Việt Nam cũng có 4 nhà khai thác viễn thông đã được cấp phép triển khai)

Các chuẩn bổ sung của Wimax

802.16a : Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2 – 11 Ghz Đây là

băng tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng ngại trên đường truyền 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết bị cuối (terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác Với đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được nới rộng

802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 – 6 Ghz với mục đích cung

ứng dịnh vụ với chất lượng cao (QoS) Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (class of service) Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a

802.16c : Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dải băng tầng từ

10-66GHz với mục đích cải tiển interoperability

802.16d : Có một số cải tiển nhỏ so với chuẩn 802.16a Chuẩn này được

chuẩn hóa năm 2004 Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này

802.16e : Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hóa Đặc điểm nổi bật

của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động (vận tốc di chuyển lớn nhất

mà vẫn có thể dùng tốt dịch vụ này là 100km/h)

Ngoài ra còn có nhiều chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG TRONG

MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

2.1 Công nghệ OFDM

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu quả sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường

2.1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh vô tuyến (Radio) đơn Tuy nhiên,

nó cho phép hiệu quả phổ tốt hơn OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thanh, thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa các đài nhưng không có sự kết hợp đồng bộ giữa trạm này với các trạm khác Với cách truyền OFDM tín hiệu thông tin

từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó, dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian

và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (Inter - Carrier Interference (ICI)) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM, những tín hiệu truyền cần có khoản bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên, với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

OFDM còn có tên gọi khác là “Điều chế đa sóng mang trực giao” dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980

Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống, những sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm rằng không có sự chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục

mà không giao thoa hay chồng phổ

2.1.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần

và mỗi mẫu tín hiệu có độ dài là:

¾ Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn

¾ Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống là rất lớn

¾ Hai lý do nói trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn nhiều so với trường hợp điều chế đa sóng mang

Hình 2.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay được sử dụng chủ yếu trong

hệ thống thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm trên

2.1.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau Ý tưởng phương pháp này được mô tả như sau:

Hình 2.2: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ dải tần số được chia làm Nc= 2L+1 kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:

fs =

Nc B

Nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một ít các mẫu tín hiệu Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng tới hệ thống phân tập đa đường Các

ưu điểm cơ bản của phương pháp điều chế đa sóng mang so với phương pháp điều chế đơn sóng mang là:

¾ Ảnh hưởng nhiễu liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể

¾ Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số của kênh đối với chất lượng hệ thống cũng giảm do kênh chia làm nhiều kênh phụ

¾ Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm Tuy nhiên, phương pháp điều chế đa sóng mang cũng có một số nhược điểm

cơ bản: hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh Điều này là

do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả phổ sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được phân cách với nhau ở một khoảng nhất định thì điều này lại làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời

2.1.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM với các tần số sóng mang phụ được lựa chọn sao cho mỗi sóng mang phụ là trực giao với sóng mang còn lại Nhờ sự

trực giao này phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau Điều này làm hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu tăng lên rõ rệt

Hình 2.3: Mật độ phổ năng lượng và đồ thị f - t của tín hiệu điều chế đa sóng mang

OFDM Phổ tín hiệu các sóng mang con có dạng sin(x)/x Các sóng mang con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận Điều này làm nguyên lý trực giao thỏa mãn và cho phép máy thu khôi phục tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chồng lấn lên nhau

2.1.1.4 Đa sóng mang (Multicarrier)

Hình 2.4: Đa sóng mang truyền

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích Điều này tương đương khi ghép kênh theo tần số (FDM) Do vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, nhiều dữ liệu gốc sẽ được thu chính xác

Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗi tiến (FEC-Forward Error Correction) Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) cần phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

2.1.1.5 Sự trực giao (Orthogonal)

Giải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp các sóng mang trực giao với nhau Đó là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM)

Hình 2.5: Sự khác nhau giữa FDM và OFDM Thật ra ý tưởng của phương pháp này có từ giữa những năm 1980 Nhưng do lúc

đó còn hạn chế về mặt công nghệ (khó tạo ra các bộ điều chế và giải điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi ngược nhanh Fourier (Inverse Fast Fourier Transform –IFFT) nên cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ mạch tích hợp Phương pháp này mới được đưa vào thực tiễn

“Orthogonal” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Tuy nhiên, có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động như một bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ), thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của

1/τ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu, bởi các sóng mang ICI Carrier-Interference) cũng làm mất đi tính trực giao

(Inter-2.1.2 Các ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

2.1.2.1 Ảnh hưởng của bộ lọc băng thông

Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sin trong miền tần số Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng miền thời gian có suy giảm dạng sin giữa các symbol Điều này dẫn đến ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng khoảng bảo vệ có

độ dài đủ và bằng việc chọn lọc offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ,

do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ Hình 3.6 mô tả chỉ tiêu kỹ thuật mô phỏng của tín hiệu OFDM được lọc băng thông với các độ rộng quá độ khác nhau cho bộ lọc kênh không có nhiễu kênh Hình vẽ này chỉ ra chỉ tiêu của truyền OFDM khi offset đồng bộ thời gian bị thay đổi Khoảng bảo vệ được sử dụng trong mô phỏng này có cùng độ dài như phần IFFT của symbol Khoảng bảo vệ rất dài được sử dụng này làm cho hệ thống chịu được ảnh hưởng của offset thời gian trong một khoảng rất rộng của SNR hiệu dụng tính bằng cách trung bình hóa SNR hiệu dụng trên tất

cả các tải phụ Offset thời gian bằng 0 tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT của tín hiệu phát Offset thời gian âm tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT đúng và mộ phần của khoảng bảo vệ symbol

ISI là thấp nhất khi offset thời gian là âm và là một nửa độ dài khoảng bảo

vệ Bộ lọc có đặc tuyến càng dốc bao nhiêu (trong hình vẽ bộ lọc dốc nhất loại bỏ các búp sóng bên xuống thấp hơn -100dB trong giới hạn hai khoảng cách sóng mang ) ISI càng dài bấy nhiêu Khoảng bảo vệ trong thử nghiệm này bằng 50% thời gian symbol toàn phần Như vậy độ dài khoảng bảo vệ bằng thời gian symbol có ích

Hình 2.6 Ảnh hưởng của bộ lọc đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

2.1.2.2 Ảnh hưởng của nhiễu tạp âm trắng AWGN đến OFDM

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống thông tin trên kênh vật lý tương tự, chẳng hạn như kênh radio Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đại máy thu và các can nhiễu giữa tế bào thông tin Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệ thống thông tin như là kết quả của can nhiễu giữa các symbol ISI, can nhiễu giữa các sóng mang ICI và méo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Các nguồn nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu/nhiễu, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống Trong tất cả các dạng nhiễu là nguyên nhân có hại chính trong hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến Do vậy việc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễu đến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dung hòa giữa mức nhiễu và hiệu quả phổ hệ thống là rất quan trọng

Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được mô hình hóa chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng AWGN, nhiễu này có mật

độ phổ đều (còn gọi là nhiễu trắng) và có phân bố Gauss về biên độ (được xem như phân bố chuẩn hoặc đường cong hình vuông) Nhiễu nhiệt và nhiễu điện do sự khuếch đại, chủ yếu có tính chất của nhiễu Gauss trắng, do vậy có thể mô hình hoá chúng chính xác theo AWGN Hầu hết các nguồn nhiễu khác có tính chất AWGN vì

sự truyền là OFDM Các tín hiệu OFDM có một độ phổ phẳng và phân bố biên độ

Gauss vì số tải phụ là lớn, do điều này can nhiễu giữa các tế bào từ hệ thống OFDM khác cũng có các tính chất AWGN

2.1.2.3 Ảnh hưởng của méo tới OFDM

Tín hiệu OFDM có công suất đỉnh cao so với công suất trung bình của nó và

đó là vấn đề phải để ý tới Khi sóng mang RF được điều chế với tín hiệu OFDM thì điều này dẫn tới sự thay đổi tương tự của đường bao sóng mang Từ đó dẫn tới yêu cầu là tín hiệu phải được khuyếch đại và truyền đi theo cách tuyến tính Việc duy trì

độ tuyến tính cao ở mức công suất cao là rất khó khăn, do vậy hầu hết méo trong truyền vô tuyến thường xảy ra trong bộ khuyếch đại công suất của máy phát Ngoài

ra còn có thể có méo bổ sung trong máy thu nếu có được thiết kế không hợp lý Tuy nhiên, nhìn chung việc duy trì mức méo trong máy thu ở mức thấp nhất thì dễ hơn

là duy trì nó trong máy phát Méo trong máy phát gây ra mọi vấn đề trong chuỗi truyền dẫn vì nó có thể dẫn đến mở rộng phổ, gây can nhiễu cho các hệ thống bên cạnh tần số RF Do lý do này chỉ cần xem xét ảnh hưởng của méo trong máy phát

Hình 2.7 : Ảnh hưởng của méo do 2 tín hiệu tone

Để giảm méo phi tuyến phải chọn điểm làm việc phù hợp trong đặc tuyến vào ra của bộ khuyếch đại công suất back off OBO (Output power back off) Trong truyền dẫn OFDM dùng điều chế QPSK OBO là khoảng 2-3 bB vì QPSK là sơ đồ

suất băng thông cao hơn (ví dụ 16 QAM, 256-QAM ) nhạy cảm hơn với méo vì chúng yêu cầu SNR hiệu dụng cao hơn Ví dụ 16-QAM OBO là 16 dB, với 64-QAM là khoảng 10dB

2.1.2.4 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian

OFDM chịu được các lỗi thời gian vì có bảo vệ giữa các khoảng Symbol Đối với kênh không có đa đường truyền (multipath), lỗi lệch thời gian có thể bằng

độ dài khoảng bảo vệ mà không làm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ Sự quay pha được sửa như một cân bằng kênh do vậy không dẫn đến suy giảm chỉ tiêu kỹ thuật vì một phần của symbol mà biến đổi nhanh của Fourier FFT được áp dụng sẽ chứa một phần symbol bên cạnh dẫn đến can nhiễu giữa các symbol

Hình 2.8 SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi lệch thời gian khi dùng khoảng bảo vệ là 40 mẫu

Hình 2.8 mô tả SNR hiệu dụng của OFDM như là hàm của lỗi lệch thời gian Điểm không về thời gian được tính so với phần FFT của symbol Độ lệch thời gian dương dẫn đến một phần của symbol tiếp theo nằm trong FFT Do khoảng bảo vệ là

sự mở rộng tuần hoàn của Symbol nên sẽ không có ISI Trong kênh phân tập độ dài khoảng bảo vệ bị giảm bởi độ trễ của kênh, dẫn đến giảm tương ứng lỗi lệch thời gian cho phép Gốc thời gian tính từ điểm phần đầu FFT của symbol, ngay sau khoảng bảo vệ Lỗi thời gian dương có nghĩa rằng FFT trong máy thu nhận một

phần của symbol tiếp theo; lỗi thời gian âm có nghĩa là máy thu nhận được khoảng bảo vệ

2.1.2.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số

OFDM nhạy cảm với sự lệch tần số ảnh huởng tới chỉ tiêu kỹ thuật Việc giải điều chế tín hiệu OFDM có lệch tần thể dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao Điều này gây ra bởi mất tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu giữa các sóng mang ICI (inter-Carrier Interference) và chậm sửa quay pha các vectơ dữ liệu thu được Các lỗi tần số thường xảy ra do hai nguyên nhân chính Đó là các lỗi của bộ dao động tại chỗ và tần số Doppler Sự sai khác bất kỳ về tần số của bộ dao động nội máy phát và máy thu sẽ dẫn đến độ lệch về tần số, tuy nhiên các lỗi tại chỗ làm cho chỉ tiêu kỹ thuật

hệ thống giảm Sự dịch chuyển máy phát so với máy thu dẫn tới độ dịch Doppler trong tín hiệu Điều này xuất hiện như độ lệch tần số cho truyền trong không gian tự

do Độ lệch này như một phần của bù bộ dao động tại chỗ Một vấn đề khó khăn hơn là sự mở rộng Doppler do sự dịch chuyển của máy phát hoặc máy thu trong môi trường multipath Sự mở rộng Doppler được gây ra bởi tốc độ tương đối khác nhau của một trong các thành phần multipath bị phản xạ, làm cho tín hiệu bị điều chế theo tần số Sự điều chế FM trên các tải phụ có khuynh hướng ngẫu nhiên vì một số lớn phản xạ multipath xảy ra trong các môi trường điển hình Việc bù mở rộng Doppler này là khó, dẫn đến giảm tín hiệu

Hình 2.9: Mô tả ảnh hưởng của lỗi tần số SNR hiệu dụng của OFDM khi dùng điều

chế QAM kết hợp

Một độ lệch tần số bất kỳ dẫn đến sự quay pha liên tục tất cả các vectơ tải phụ thu được Độ lệch tần càng lớn thì sự quay pha càng lớn Nếu đặc trưng kênh chỉ được thực hiện ở đầu của mỗi frame thì các lỗi tần số không được giải quyết sẽ dẫn tới giảm chỉ tiêu kỹ thuật theo thời gian Symbol đầu tiên sau khi bù kênh sẽ có SNR hiệu dụng cực đại, SNR hiệu dụng sẽ bị giảm đi ở cuối frame Hình vẽ cũng chỉ ra SNR hiệu dụng của symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16, thứ 64 khi chỉ có bù kênh

ở đầu của frame Chỉ tiêu kỹ thuật của điều chế vi sai sẽ tương tự với SNR của symbol đầu tiên, vì sự quay pha sẽ được sửa cho mỗi symbol

Đã có nhiều kỹ thuật được phát triển để đo và theo dõi độ lệch tần số Các tài liệu cũng nói rằng độ chính xác tần số phải được duy trì trong giới hạn 2-4% để phòng ngừa tổn hao chỉ tiêu đáng kể Trong môi trường di động nhiều người sử dụng vấn đề còn xấu hơn nữa vì sự truyền từ mỗi người sử dụng có thể có độ lệch tần số khác nhau Nếu mọi người được đồng bộ tốt với trạm gốc thì vẫn có độ lệch tần số với nhau đáng kể do độ lệch Doppler Độ lệch tần trong kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đề quan trọng vì nó có thể được bù với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máy thu Tuy nhiên trong trường hợp nhiều người sử dụng không có cách dễ dàng để sửa các lỗi tần số

2.2 Công nghệ MIMO

2.2.1 Giới thiệu chung

Truyền thông không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi, tạo ra yêu cầu phải nâng cao tốc độ và chất lượng truyền dẫn Trong khi đó, phổ tần và băng thông ngày càng bị hạn chế Giải pháp đưa ra là sử dụng hệ thống MIMO với nhiều anten

ở cả phía thu và phía phát để cải thiện dung lượng và độ tin cậy của hệ thống mà không yêu cầu mở rộng băng tần và công suất tín hiệu

Định nghĩa: MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) là công nghệ truyền

thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều ăng ten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu những lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi “đụng” phải

những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau

2.2.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO cung cấp các ưu điểm:

- Độ lợi dàn: Do sử dụng nhiều anten, độ lợi dàn tăng làm tăng vùng phủ sóng

và cự ly Điều này có lợi cho các vùng xa xôi ít người thì có thể sử dụng ít BTS hơn Mặt khác, cũng có thể giảm công suất phát của các thết bị đầu cuối nhờ tăng

độ lợi của BTS thu

- Độ lợi phân tập: Công suất tín hiệu trong kênh không dây dao động ngẫu

nhiên (hoặc yếu dần) Phân tập là một kỹ thuật mạnh để truyền tín hiệu trong môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời gian, tần số

và không gian để phía thu có thể thu chính xác tín hiệu phát Điều này sẽ làm giảm

tỉ lệ lỗi bit Có thể sử dụng phân tập không gian (anten), phân tập thời gian hay phân tập tần số Tuy nhiên, phân tập không gian được ưa thích hơn vì nó không tốn nhiều thời gian và băng thông truyền dẫn

- Độ lợi ghép kênh không gian: Kênh MIMO đưa ra sự tăng tuyến tính của

dung lượng mà không tiêu tốn thêm công suất và băng thông Độ lợi này được thực hiện bằng việc phát các tín hiệu độc lập từ các anten riêng biệt

- Giảm giao thoa: Giao thoa đồng kênh xuất hiện do việc tái sử dụng tần số

trong kênh không dây Khi đa anten được sử dụng, sự phân biệt giữa các dấu hiệu không gian của tín hiệu mong muốn và tín hiệu đồng kênh có thể được khai thác để giảm giao thoa

- Kết hợp công suất: Trong trường hợp có M anten được thực hiện ở đường

xuống và mỗi anten được điều khiển bởi một bộ khuếch đại công suất với tốc độ tương đương ở trường hợp 1 anten, hệ số kết hợp công suất sẽ là 10log10(M)

Nhược điểm:

- Chi phí cho thiết bị cao hơn (do nhiều ăng-ten thu phát )

Ta xét hệ thống MIMO với nt anten phát và nr anten thu Sơ đồ hệ thống được biểu điễn như sau:

Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ thống MIMO

Ma trận phát là ma trận S gồm nt cột si là thành phần cột thứ i Ta coi kênh

đó là kênh Gaussesao sao cho các phần tử của s được xem như là biến số Gausse phân bố đồng dạng độ lập Giả thiết tín hiệu phát trên mỗi anten có công suất như nhau và bằng Es/nt Ma trận hiệp phương sai cho tín hiệu phát này được thể hiện:

    (2.1)

Với Es là công suất phát bất kể số anten và là một ma trận đồng nhất

x Độ rộng băng tần tín hiệu phát quá hẹp đến nỗi tần số đáp ứng của nó có thể xem như không thay đổi Ma trận kênh H là một ma trận phức tạp x Thành phần của ma trận là hệ số fading của anten phát thứ j tới anten thứ i Ta giả thiết công suất thu của mỗi anten thu bằng tổng công suất phát Es Điều này có nghĩa là