CÔNG NGHỆ MIMO và OFDM TRIỂN KHAI TRONG MẠNG DI ĐỘNG 4g LTE

OFDM là một sơ đồ truyền dẫn lý tưởng cho 4G với tốc độ truyền dẫn cao, là một giải pháp tốt cho dung lượng truyền dẫn và tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số đã được 3G

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

CÔNG NGHỆ MIMO và OFDM

HOÀNG VĂN QUANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CÔNG NGHỆ MIMO và OFDM

HOÀNG VĂN QUANG

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 8520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN VŨ SƠN

HÀ NỘI -NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan luận văn là kết quả tìm hiểu của riêng em và được sự

hướng dẫn của Tiến Sỹ Nguyễn Vũ Sơn Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong

luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của luận văn

Ngày tháng 12 năm 2017

Học viên thực hiện

Hoàng Văn Quang

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn, trước tiên, em xin cảm ơn chân thành sâu sắc tới các

thầy cô tại Viện Đại Học Mở Hà Nội nói chung và các thầy cô trong khoa Đào tạo

Sau Đại Học nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh

nghiệm quý báu trong thời gian qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo, TS Nguyễn Vũ Sơn, thầy đã tận

tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn kỹ

thuật Trong thời gian làm việc với thầy, không những em tiếp thu thêm nhiều kiến

thức bổ ích mà còn học được tinh thần làm việc, thái độ nghiêm cứu khoa học nghiêm

túc, hiệu quả Đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công

tác

Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã

động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 10

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 3

1.1 Giới thiệu các thế hệ mạng di động và sự phát triển 3

1.1.1 Thế hệ di động đầu tiên (1G) 3

1.1.2 Thế hệ thứ hai (2G) 3

1.1.3 Thế hệ 2,5G 3

1.1.4 Thế hệ thứ ba (3G) 4

1.1.5 Thế hệ thứ tư (4G) 4

1.2 Kết luận chương 1 4

CHƯƠNG 2: MẠNG DI ĐỘNG 4G-LTE 5

2.1 Sơ đồ khối và chức năng các khối 5

2.1.1 Tổng quan về công nghệ 4G-LTE 5

2.1.2 Kiến trúc mạng 4G-LTE 6

2.1.3 Các dịch vụ triển khai trên nền 4G-LTE 12

2.1.4 Quản lý tài nguyên vô tuyến 16

2.2 Truy nhập vô tuyến trong 4G-LTE 17

2.2.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến 17

2.2.2 Băng tần truyền dẫn 17

2.3 Công nghệ MIMO 18

2.3.1 Ưu điểm 19

2.3.2 Nhược điểm 19

2.3.3 Các loại nhiễu 19

2.2.3.1 Nhiễu trắng Gaussian 19

2.2.3.2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) 20

2.3.4 Fading 20

2.3.5 Beamfomer - tạo búp sóng ,Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng 22 2.3.5.1 Beamfomer 22

2.3.5.2 Beamforming 22

2.3.5 Các khái niệm về phân tập 23

2.3.5.1 Phân tập tần số (Frequency Diversity) 23

2.3.5.2 Phân tập gian (Time Diversity) 24

2.3.5.3 Phân tập không gian (Space Diversity) 24

2.3.5.4 Phân tập phân cực (Polarization Diversity) 25

2.4 Công nghệ OFDM 26

2.4.1 Tổng quan kỹ thuật OFDM 26

2.4.2 Nguyên tắc đa truy nhập đường xuống OFDM 27

2.4.3 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 30

2.4.4 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 31

2.4.5 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 33

2.5 Kỹ thuật OFDMA và truyền dữ liệu hướng xuống 37

2.5.1 Kỹ thuật OFDMA 37

2.5.2 Truyền dữ liệu hướng xuống 41

2.6 Kỹ thuật phân chia tần số trong hệ thống băng rộng 44

2.7 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI MẠNG 4G-LTE TẠI VIỆT NAM 46

3.1 Thực trạng mạng di động tại Việt Nam và triển khai 4G-LTE 46

3.1.1 Tình hình dịch vụ 2G, 2.5G 46

3.1.2 Tình hình dịch vụ 3G và các vấn đề tồn tại ở Việt nam 46

3.1.2.1 Nhược điểm và ưu điểm của 3G và 3.5G 46

3.1.1.2 Tình hình dịch vụ 3G ở Việt Nam 49

3.2 Dịch vụ thúc đẩy mạng 4G (LTE cung cấp) và mạng 4G-LTE tại Việt Nam 49

3.3 Thuận lợi và khó khăn khi triển khai 4G-LTE ở Việt nam 54

3.3.1 Những điều kiện thuận lợi 54

3.3.2 Thực trạng khó khăn 56

3.4 Tình hình phát triển hiện tại 4G của Viettel 57

3.5 Tình hình phát triển hiện tại 4G của Mobifone 58

3.6 Tình hình phát triển hiện tại 4G của VNPT 58

3.7 Kết luận chương 3 59

KẾT LUẬN LUẬN VĂN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình phát triển các thế hệ mạng di động 1

Hình 1.2: Ghép kênh phân chia theo tần số 5

Hình 2.1 Kiến trúc của mạng LTE/SAE 7

Hình 2.2 Cấu trúc tổ chức mạng LTE 8

Hình 2.3 : Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu 17

Hình 2.4- Nhiễu trắng 18

Hình 2.5 - Nhiễu liên ký tự ISI 18

Hình 2.6- hiện tượng fading 19

Hình 2.7- Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau 20

Hinh 2.8 : Phân loại phân tập 21

Hình 2.9 - Phân tập theo tần số 22

Hình 2.10- Phân tập theo thời gian 22

Hình 2.11 – các phương pháp phân tập 23

Hình 2.12 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM 24

Hình 2.13 : Phổ OFDM 25

Hình 2.14: Tài nguyên đường xuống của 4G-LTE 26

Hình 2.15: Cấu trúc miền thời gian tần số đường xuống 4G-LTE 26

Hình 2.16: Cấu trúc khung con và khe đường xuống 4G-LTE 27

Hình 2.17: Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian 28

Hình 2.18: Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang 29

Hình 2.19: Hệ thống đa sóng mang 29

Hình 2.20: Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền tần số 32

Hình 2.21: Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền thời gian 32

Hình 2.22: Ưu điểm của OFDM so với điều chế đơn sóng mang 33

Hình 2.23 Ưu điểm của OFDM so với FDM 35

Hình 2.24 : Cấp phát sóng mang con cho OFDM và OFDMA 36

Hình 2.25: Cấu trúc khung Loại 1 36

Hình 2.26: Cấu trúc khung loại 2 37

Hình 2.27: Lưới tài nguyên đường xuống 38

Hình 2.28: Ghép kênh thời gian và tần số OFDMA 41

Hình 2.29: Phát và thu OFDMA 42

Hình 2.30: Ghép kênh phân chia theo tần số 43

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh các điểm nổi bật giữa 3G va 4G-LTE 11 Bảng 2.2 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng 15 Bảng 2.3 Số lượng khối tài nguyên cho băng thông 4G-LTE khác nhau (FDD

&TDD) 38 Bảng 2.4 Các chiều dài tiền tố vòng được lấy mẫu (đơn vi đo bằng ) 40 Bảng 3.1 So sánh các ứng dụng dịch vụ của 3G so với 4G-LTE 48

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3G: Third Generation Mobile

4G: Fourth Generation Mobile

AWGN: Additive White Gaussian Noise

BER: Bit Error Rate

CDMA: Code Division Multiple Access

E-RAN: Evolved Radio Access Network

E- UTRAN: Enhanced Universal Terrestrial

EPC: Evolved Packet Control

FDD: Frenquency Division Duplex

FDMA: Frequency Division Multiple Access

GPRS: General Packet Radio Service

HARQ: Hybrid Automatic Repeat reQuest

HSDPA: High Speed Downlink Packet Access

IMS: IP Multimedia Subsystem

LTE: Long Term Evolution

MIMO: Multiple Input Multiple Output

MISO: Multiple Input Single Output

MME: Mobility Management Entity

MMSE: Minimum Mean Square Error

OFDM: Orthogonal Frequency Division

QoS: Quality of Service

SNR: Signal to Noise Ratio

SISO: Single Input Single Output

TDD: Time Division Duplex

UMTS: Universal Mobile Telecommunications System UTRAN: UMTS Teresstrial Radio Access Network

MỞ ĐẦU

Hiện nay, 4G-LTE đang phát triển rất nhanh trên thế giới Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, hình ảnh, dữ liệu và video Nhằm đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao, các hệ thống đã không ngừng được cải tiến

và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới Công nghệ thông tin di động đã trải qua 3 thế hệ (1G, 2G, 3G), và đang hướng tới công nghệ 4G và các thế hệ sau nữa, trong đó 4G-LTE thu hút sự quan tâm rộng, 4G-LTE được xem như hệ thống tiến hóa cho các công nghệ di dộng dựa trên nền tảng GSM (GSM, GPRS/EDGE HSPA) Mục đích của 4G-LTE là cung cấp công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng di dộng (100Mb/s) với độ trễ truyền tải thấp, đồng thời hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt trong lưu lượng dữ liệu với GPRS/HSPA

Với ưu thế vượt bậc về khả năng cung cấp các dịch vụ truy cập tốc độ cao, cùng với xu hướng dần phổ cập các thiết bị đầu cuối, mạng 4G-LTE được coi là xu hướng phát triển tại Việt nam trong thời gian gần đây Ngay từ khi công nghệ 4G mới ra đời

và bắt đầu phát triển những năm 2010, 2011, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có những nghiên cứu, chuẩn bị kế hoạch triển khai Việc chuyển đổi lên 4G đòi hỏi rất nhiều về điều kiện hạ tầng viễn thông và tài nguyên tần số, chính sách phân bổ tài nguyên phù hợp

Trong 4G-LTE có 2 kỹ thuật được biết đến là OFDM và MIMO MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten để truyền và nhận dữ liệu OFDM là kỹ thuật ghép kênh theo tần số trức giao OFDM là một sơ đồ truyền dẫn lý tưởng cho 4G với tốc độ truyền dẫn cao, là một giải pháp tốt cho dung lượng truyền dẫn và tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số đã được 3GPP LTE sử dụng truyền dẫn trên đường xuống OFDM đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế như: truyền hình số, phát thanh số, truyền hình vệ tinh và đã đem lại những hiệu quả đáng kể Tuy vậy OFDM vẫn có nhược điểm là PAPR cao, điều này dẫn tới giảm hiệu suất của bộ khuyếch đại công suất đặc biệt là trên thiết bị cầm tay, do đó chi phi máy đầu cuối cao

2

Nội dung luận văn này trình bày về: CÔNG NGHỆ MIMO và OFDM TRIỂN KHAI TRONG MẠNG DI ĐỘNG 4G-LTE, trong đó sẽ tập trung tìm hiểu vào công nghệ OFDMA và MIMO

Nội dung luận văn chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển

Chương 2: Mạng di động 4G-LTE

Chương 3: Triển khai mạng 4G -LTE tại Việt nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

1.1 Giới thiệu các thế hệ mạng di động và sự phát triển

vụ thì được bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào lớn và một phần của những tế bào đã làm tăng dung lư ợng của hệ thống xa hơn nữa

Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu (GSM) và những dẫn xuất của nó; AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC) GSM đạt được thành công nhất

và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G

1.1.3 Thế hệ 2,5G

4

Hệ thống mạng 2.5G là một sự chuyển tiếp giữa thế hệ 2G và 3G và thực sự nó

là sản phẩm cải tiến trên nền của hệ thống 2G phát triển lên Hệ thống hoạt động dựa trên hình thức chuyển mạch gói nhờ đó nó có ưu điểm là tiết kiệm không gian truyền dẫn và tăng tốc độ truyền dẫn

Nâng cấp từ 2G lên 2.5G nhanh và dễ hơn so với chuyển trực tiếp lên 3G từ 2G,

nó như là một sự chuyển tiếp mềm dẻo không gây ra sự thay đổi một cách đột biến

1.1.4 Thế hệ thứ ba (3G)

Là thế hệ di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ cho phép truyền thông đa phương tiện chất lượng cao Các hệ thống 3G được xây dựng trên nền chuẩn CDMA hoặc là CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần theo yêu cầu

do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có những tốc độ khác nhau

Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống có xu hướng tiến đến một chuẩn chung duy nhất, cung cấp dịch vụ truyền với tốc độ 2Mbps Mặc dù được tính toàn là một chuẩn chung cho toàn cầu nhưng chi phí để triển khai nó là rất lớn

1.1.5 Thế hệ thứ tư (4G)

Cho phép truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao Yêu cầu về tốc độ là từ 100Mbps đến 1Gbps Có thể roaming từ mạng di động này sang mạng di động khác và từ các công nghệ không dây khác nhau

Mạng lõi hoàn toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là sử dụng phương thức chuyển mạch gói

1.2 Kết luận chương 1

Do nhu cầu, cùng sự phát triển về công nghệ Sự chuyển đổi lên mạng 4G-LTE

là xu hướng tất yếu Đây là một hệ thống có thể tích hợp được nhiều dịch vụ, cho dung lượng truyền tải lớn An toàn hơn cho người dùng

4G-LTE (Long Term Evolution) còn được gọi là EUTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) hay E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Đây là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc dộ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các nhà khai thác có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP

Mục tiêu chủ yếu của việc phát triển 4G-LTE là: tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Cụ thể:

- Tốc độ dữ liệu: Tốc độ đỉnh của dữ liệu là 100Mbps cho hướng Download

và 50 Mbps cho hướng Upload với băng thông sử dụng là 20 Mhz

- Hiệu quả sử dụng phổ (Spectrum Efficiency): Cho hướng Download gấp 3 đến 4 lần, cho hướng Upload gấp 2 đến 3 lần so với phiên bản 6, có thể sử dụng cả băng tần cũ và các băng tần mới

- Trễ (Latency): Độ trễ trong giao thức điều khiển nhỏ hơn 20ms và đối với dịch vụ viễn thông nhỏ hơn 5ms

- Băng thông: Hỗ trợ nhiều băng thông (5, 10, 15, 20 Mhz và cả dưới 5 Mhz) với mỗi bước biến đổi là 180 Khz (một khối băng thông danh định là 180 Khz của 12 sóng mang con, độ rộng của mỗi sóng mang con là 15 Khz) Có thể sử dụng ở băng tần hiện có và băng tần mở rộng

- Chất lượng dịch vụ (QoS): Hỗ trợ QoS End to End

Đối với công nghệ 3G, người dùng có thể duyệt internet hoặc gửi mail bằng cách sử dụng laptop có công nghệ HSPA để gửi nhận các đoạn video hoặc file âm thanh bằng điện thoại 3G Đối với 4G-LTE, người dùng sẽ được phục vụ tốt hơn do 4G-LTE sẽ đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về băng thông, tốc độ, chất lượng các các ứng dụng truyền thống cũng như cho các dịch vụ mới như truyền hình tương tác, video blogging, live stream, game online và các dịch vụ chuyên nghiệp khác

Hình : Kiến trúc mạng của 3GPP LTE

2.1.2 Kiến trúc mạng 4G-LTE

Song song với việc truy nhập vô tuyến 4G-LTE, các mạng lõi cũng đang tiến đến cấu trúc SAE Cấu trúc này được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả đầu tư và tạo thuận lợi cho việc phát triển thị trường dịch vụ trên nền IP

Hình 2.1 Kiến trúc của mạng LTE/SAE

Kiếm soát tín hiệu, ví dụ như tính di động, được điều khiển bởi các nút quản lý di động (MME), tách biệt khỏi cổng, tạo điều kiện tối ưu hóa việc triển khai mạng và cho phép mở rộng khả năng thích ứng đối với ứng dụng cố định (Fixed), di chuyển có giới hạn (nomadic) và di động Khả năng Non Line-of-Sight được cải thiện, dễ dàng cho việc triển khai các đầu cuối Indoor và Outdoor, các thiết bị plug-and-play

Hình 2.2 Cấu trúc tổ chức mạng LTE

Để giảm thiểu sự phúc tạp của hệ thống, 4G-LTE đã có một số cải tiến so với thế

hệ di động 3G Với việc phát triển hệ thống Evolved Packet System (EPS) lên mạng lõi tiên tiến Evovled Packet Core (EPC) Chức năng thiết yếu của phần tử mạng này là chức năng điều khiển (MME) từ chức năng bearer-plane (SGW) qua việc định nghĩa điểm tham chiếu mở (S11) giữa chúng Vì E-UTRAN sẽ cung cấp băng thông cao hơn

để cung cấp các dịch vụ mới cũng như cải thiện các dịch vụ hiện tại, việc chia tách MME từ SGW với mục đích với nền tảng SGW có thể tối ưu hóa việc xử lý các gói tin, trong khi MME với nền tảng có thể tối ưu hóa các giao dịch điều khiển ĐIều này tạo ra sự lựa chọn tối ưu hóa về chi phí và độc lập giữa các phần tử này Nhà khai thác

sẽ có sự lựa chọn độc lập về vị trí cũng như quy mô triển khai các phần tử mạng này, trong việc tối ưu hóa băng thông và giảm độ trễ lantency cũng như tập trung các điểm

lỗi

Mạng truy cập vô tuyến tiên tiến RAN: Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được

gọi là E-UTRAN trong đó thành phần tiên tiến RAN đối với 4G-LTE là 1 eNodeB

(eNB) cung cấp giao tiếp với các UE, eNB đảm nhiệm các lớp vật lý (PHY), kiểm soát truy nhập môi trường truyền (MAC), kiểm soát đường truyền vô tuyến (RLC) và các giao thức điều khiển dữ liệu gói (PDCP) bao gồm chức năng mã hóa và nén các header của user-plane, eNB cũng cung cấp chức năng kiểm soát tài nguyên vô tuyến (RLC) thuộc control-plane Nó thực hiện nhiều chức năng bao gồm quản lý tài nguyên

vô tuyến, kiểm soát quản lý, định thời, thực thi Qos thỏa thuận hướng lên UL, quảng

bá thông tin trạm, mã hóa và giải mã các dữ liệu thuộc user và control plane và nén/ giải nén các header của DL/UL user plane

Serving Gateway (SGW): SGW định tuyến và chuyển các gói dữ liệu người dùng,

trong khi vẫn làm vai trò là điểm điều khiển tính di động của user plane trong suốt quá trình chuyển giao giữa các điểm eNB và cũng là điểm điều khiển cho quá trình di động giữa công nghệ 4G-LTE và các công nghệ thuộc 3GPP khác (kết cuối giao thức S4 và trung chuyển lưu lượng giữa các hệ thống 2G/3G và PDN GW) Đối với các

UE ở trạng thái rảnh SGW kết đường dữ liệu DL và kích khởi tìm kiếm (paging) khi

dữ liệu DL đến UE đó Nó quản lý và lưu trữ các thông tin UE, ví dụ như dịch vụ cơ bản IP, các thông tin định tuyến, Nó cũng làm chức năng tạo bản sao dữ liệu trong trường hợp lawful interception

Mobility Management Entity (MME): MME là node điều khiển chính đối với

mạng truy nhập 4G-LTE Nó đảm nhiệm chức năng dò tìm các UE ở trạng thái rảnh

và thực hiện các chức năng dò tìm và paging bao gồm việc truyền lại Nó tham gia vào quá trình kích hoạt và loại bỏ dịch vụ cơ bản và cũng đảm nhiệm việc chọn lựa SGW cho UE tại thời điểm gán (attach) ban đầu và thời điểm chuyển giao nội mạng 4G-LTE của core network MME còn làm chức năng xác thực thuê bao (qua HSS) Báo hiệu Non-Access Stratum (NAS) kết thúc tại MME và nó đảm nhiệm việc tạo

và cấp phát nhận dạng tạm thời đối với các UE Nó kiểm tra các quyền của UE cấp bởi mạng di động của nhà cung cấp dịch vụ và thi hành các giới hạn roaming UE MME là điểm kết cuối trong mạng đối với bảo vệ việc mã hóa/ toàn vẹn đối với báo hiệu NAS và quản lý các khóa bảo mật Bảo hiệu Lawful Interception cũng được hỗ

trợ bởi MME MME cung cấp chức năng control plane đối với di động giữa 4G-LTE

và mạng 2G/3G với kết cuối tham chiếu S3 tại MME từ SGSN MME còn kết cuối tham chiếu S6a đối với Home HSS cho các Roaming UE

Packet Data Network Gateway (PDN GW): PDN GW cung cấp kết nối giữa các

UE và mạng dữ liệu gói bên ngoài với tư cách là điểm ra vào lưu lượng đối với UE,

UE có thể có đồng thời rất nhiều kết nối đối với các PDN GW khác nhau để truy cập đến các mạng PDN khác PDN GW làm chức năng thực thi chính sách, lọc các gói cho mỗi UE, hỗ trợ tính cước, lawful interception và packet screening Một vai trò khác của PDN GW là hoạt động như một điểm neo khi di động giữa các mạng 3GPP

và các mạng công nghệ không phải 3GPP khác

Các giao diện kết nối trong mạng 4G-LTE

S1-MME là điểm tham chiếu giao thức điều khiển control plane giữa E-UTRAN và

MME Giao thức tại điểm tham chiếu này là eRANAP và nó sử dụng Stream Control Transmission Protocol (SCTP) như giao thức vận chuyển

S1-U là điểm tham chiếu giữa E-UTRAN và SGW với tunnel các gói dữ liệu trên

từng người dùng và các đường truyền dữ liệu trong quá trình chuyển giao inter-eNB Giao thức vận chuyển trên điểm tham chiếu này là GPRS Tunneling Protocol-User plane (GTP-U)

S2a cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập trusted

non-3GPP IP và Gateway thuộc user plane S2a dựa trên Proxy Mobile IP

S2b cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập evolved

Packet Data Gateway (ePDG) và PDN GW thuộc user plane Nó dựa trên Proxy Mobile IP

S2c cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cấp UE và PDN

GW thuộc user plane Điểm tham chiếu này được thực hiện qua trusted hoặc untrusted non-3GPP access hoặc 3GPP access

S3 là điểm tham chiếu giao tiếp giữa SGSN và MME cho phép trao đổi các thông

tin người dùng và dịch vụ cơ bản giữa các mạng truy cập 3GPP với nhau trong quá trình di động trong trạng thái rảnh hoặc bận

S4 cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập giữa SGSN và

SGW thuộc user plane

S5 cung cấp quản lý đường hầm và tạo đường hầm SGW và PDN GW thuộc user

plane Được sử dụng để định vị lại các SGW do quá trình di động UE gây ra

S6a cho phép chuyển các dữ liệu đăng ký và xác thực trong quá trình xác thực lấy

quyền truy cập của user đối với hệ thống qua giao tiếp AAA giữa MME và HSS

S7 cung cấp chuyển các luật chính sách và tính cước Qos từ Policy and Charging Rule

Function (PCRF) đến Policy and Charging Enforcement Function (PCEF) tại PDN

GW

S10 là điểm tham chiếu giữa các MME trong quá trình định vị lại MME và chuyển

thông tin từ MME đến MME

S11 là điểm tham chiếu giữa MME và SGW

SGi là điểm tham chiếu giữa PDN GW và mạng packet data network PDN Mạng

PDN có thể là mạng nhà khai thác bên ngoài hoặc mạng riêng

Rx+ là điểm tham chiếu giữa chức năng ứng dụng Application Function và PCRF

trong chuẩn 3GPP TS 23.203

Wn* là điểm tham chiếu giữa Untrusted Non-3GPP IP Access và ePDG Lưu lượng

trên giao diện này đối với các UE đường hầm khởi tạo sẽ định tuyến về ePDG

So sánh một số điểm nổi bật của 3G và 4G-LTE

Công nghệ W-CDMA,

CDMA

Bandwidth được cố định là 5Mhz cho WCDMA và HSPA+

Độ trễ cao (50ms) với HSPA+

Hiệu suất sử dụng phổ tần chưa cao

OFDM

Bandwidth có thể thay đổi, 20MHz

5MHz-Độ trễ thấp (10ms) Hiệu suất sử dụng phổ tần cao, gấp 3-

Mạng lõi Kiến trúc mạng phức

tạp, vẫn tách riêng 2 Domain: CS cho chuyển mạch kênh và

PS cho chuyển mạch gói

Tốn OPEX và CAPEX

Kiến trúc mạng đơn giản, không còn

CS Domain, toàn bộ chuyển mạch gói dựa trên nền IP

Tiết kiệm đáng kể OPEX và CAPEX

Bảng 2.1 So sánh các điểm nổi bật giữa 3G va 4G-LTE

2.1.3 Các dịch vụ triển khai trên nền 4G-LTE

Hệ thống thông tin di động 4G-LTE có thể đáp ứng được tốc độ truy nhập lên tới 200Mb/s, hỗ trợ roaming toàn cầu dựa trên mạng lõi thuần IP, tương tác mạnh với các mạng khác cùng tồn tại Nhớ đó nó hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ phong phú và

đa dạng

Cũng giống như hệ thống thông tin thế hệ 3, các hệ thống thông tin thế hệ 4G-LTE cũng sẽ cung cấp các loại dịch vụ: di động, viễn thông và internet nhưng với tốc độ cao hơn lên đến 200 Mbit/s và điều đáng quan tâm hơn là các dịch vụ đa phương tiện Với khả năng cung câó các dịch vụ tốc độ bit cao, các hệ thống thông tin thế hệ 4 dễ dàng cung cấp các dịch vụ điện thoại hình, tải dữ liệu nhanh, các dịch vụ thông tin về

vị trí, các dịch vụ thương mại di động các dịch vụ phân phối nội dung, các dịch vụ hỗ trợ tải dữ liệu, các dịch vụ điều khiển từ xa, các dịch vụ số liệu tốc độ bit thấp, dịch vụ

số liệu bit cao Nói chung các dịch vụ được phân thành hai loại chính là dịch vụ cơ sở

và dịch vụ đa phương tiện và quy vào 3 hình thức dịch vụ: dịch vụ thời gian thực và thời gian không thực , dịch vụ nội dung, dịch vụ quản lý Một số dịch vụ điển hình:

- Dịch vụ thoại (Voice telephony)

4G-LTE vẫn cung cấp các dịch vụ thoại khác nhau đang tồn tại như chờ cuộc gọi, chuyển cuộc gọi, gọi ba bên, các thuộc tính khác nhau nữa Tuy nhiên cần lưu ý là 4G không cố gắng lặp lại các dịch vụ thoại truyền thống hiện đang cung cấp, dịch vụ thì vẫn đảm bảo nhưng công nghệ thì thay đổi

- Tin nhắn (Messaging)

Không giống như dịch vụ tin nhắn thông thường trong mạng 2G, 3G chỉ đơn thuần là bản tin text Tin nhắn trong 4G-LTE cho phép email đi kèm và có thể sử dụng trong việc thanh toán trực tuyến cho các dịch vụ gia đình

- Truyền thông tốc độ cao (High Multimedia)

4G-LTE cho phép truy cập internet tốc độ cao phục vụ cho các ứng dụng theo yêu cầu như: video độ phân giản cao, audio chất lượng CD hoặc các ứng dụng mua bán trực tuyến với các sản phẩn hữu hình như âm nhạc, phần mềm

- Video mobile trực tuyến

Với đa số các điện thoại di động đều được trang bị camera hiện đại, có khả năng quay được những video chất lượng cao, nhu cầu về việc xem các video trực tuyến có độ nét cao ngày càng lớn Việc phát triển dịch vụ 4G-LTE sẽ giúp cho người dùng có thể load các dữ liệu truyền hình đạt chất lượng 1 cách nhanh hơn, rẻ hơn và kết nối không dây được tốt hơn

- Mobile game

Người chơi game online ngày nay có nhu cầu cao về tốc độ cũng như khả năng của dịch vụ 4G-LTE, Với sự phát triển như hiện tại người chơi có thể dễ dàng chơi game khi đang di chuyển với tốc độ cao

- Mobile IPTV

Mobile IPTV là công nghệ cho phép người sử dụng có thể truyền và nhận các dịch vụ

đa phương tiện như tivi, video, nhạc với nền tảng IP thông qua mạng di động Với Mobile IPTV, người dùng có thể xem bất kỳ chương trình TV nào mình yêu thích vào

bất kỳ thời điểm nào để cả đang di chuyển

- Hội nghị truyền hình (Web Conference)

Thông qua 4G việc sử dụng hội nghị truyền hình thông qua điện thoại khi đang di chuyển sẽ được ứng dụng nhiều hơn

- Dịch vụ dữ liệu (Data Service)

Cho phép thiết lập kế nối thời gian thực giữa các đầu cuối, cùng với các đặc tả giá trị gia tăng như tính tin cậy và phục hồi nhanh kết nối, các kết nối chuyển mạch ảo (SVC- Switched Virtual Connection), và quản lý dải tần, điều khiển cuộc gọi Tóm lại các dịch vụ dữ liệu có khả năng thiết lập kết nối theo băng thông và chất lượng dịch vụ QoS theo yêu cầu

- Dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service)

Cho khả năng nhiều nhiều cùng tham gia tương tác với nhau qua thoại, video, dữ liệu, Các dịch vụ này cho phép khách hàng vừa nói chuyện, vừa hiển thị thông tin Ngoài

ra, các máy tính còn có thể cộng tác với nhau

- Tính toán mạng công cộng (PNC Public Network Computing):

Cung cấp các dịch vụ tính toán dựa trên cơ sở mạng công cộng cho thương mại và các khách hàng Ví dụ nhà cung cấp mạng công cộng có thể cung cấp khả năng lưu trữ và

xử lý riêng

- Bản tin hợp nhất (Unified Messaging)

Hỗ trợ cung cấp các dịch vụ voice mail, email, fax mail, pages qua các giao diện chung Thông qua các giao diện này, người sử dụng sẽ truy nhập (cũng như thông báo) tất cả các loại tin nhắn trên, không phụ thuộc vào hình thức truy nhập (hữu tuyến hay vô tuyến, máy tính, thiết bị dữ liệu vô tuyến) Đặc biệt kỹ thuật chuyển đổi lời nói sang file văn bản và ngược lại được thực hiện ở server ứng dụng cần phải được sử dụng ở dịch vụ này

- Môi giới thông tin (Information Brokering)

Bao gồm quảng cáo, tìm kiếm và cung cấp thông tin đến khách hàng tương ứng với nhà cung cấp Ví dụ như khách hàng có thể nhận thông tin trên cơ sở các tiêu chuẩn

cụ thể hay trên các cơ sở tham chiếu cá nhân

- Thương mại điện tử (E-Commerce/ M-Commerce)

Cho phép khách hàng mua hàng hóa, dịch vụ được xử lý bằng điện tử trên mạng: có thể bao gồm cả việc xử lý tiến trình, kiểm tra thông tin thanh toán tiền, cung cấp khả năng bảo mật Ngân hàng tại nhà và shopping tại nhà nằm trong danh mục các dịch

vụ này: bao gồm các ứng dụng thương mại, ví dụ như quản lý dây truyền cung cấp và các ứng dụng quản lý tri thức

- Trò chơi tương tác trên mạng (Interactive gaming)

Cung cấp cho khách hàng một phương thức gặp nhau trực tuyến và tạo ra các trò chơi tương tác (video game)

-Thực tế phân tán ảo (Distributed Virtual Reality)

Tham chiếu đến sự thay đổi được tạo ra có tính chất kỹ thuật của các sự kiện, con người, địa điểm , kinh nghiệm của thế giới thực, ở đó những người tham dự và các nhà cung cấp kinh nghiệm ảo là phân tán về địa lý Dịch vụ này yêu cầu sự phối hợp rất phức tạp của các tài nguyên khác nhau

- Quản lý tại gia (Home Manager)

Với sự ra đời của các thiết bị mạng thông minh, các dịch vụ này có thể giám sát và điều khiển các hệ thống bảo vệ tòa nhà, các hệ thống đang hoạt động, các hệ thống giải trí và các công cụ khác tại gia

- Hiệu suất hệ thống

Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố người dùng trung bình và tại sự phân bố người dùng phân vị thứ 5 (khi mà 95% người dùng có được chất lượng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ, và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo tế bào tính theo bít/s/Mhz/Cell Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong bảng:

Phương pháo đo hiệu suất Mục tiêu đường xuống

biên tế bào (trên 1Mhz phân vị thứ 5)

Hiệu suất phổ bit/Hz/Cell 3 lần - 4 lần 2 lần - 3 lần

Bảng 2.2 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết bị đầu cuối di động Tại tốc độ thấp, 0-15 km/h thì hiệu suất đạt được là tối đa, và cho phép giảm đi một ít với tốc độ cao hơn Tốc độ tối đa có thể quản lý đối với một hệ thống 4G-LTE có thể thiết lập lên đến 350 km/h (có thể lên đến 500 km/h tùy vào băng tần) Yêu cầu về vùng phủ sóng tập trung chủ yếu vào phạm vi tế bào, nghĩa là khoảng các tối đa từ vùng tế bào (cell site) đến thiết bị đầu cuối di động trong cell Đối với phạm vi tế bào lên đến 5 km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những tế bào có phạm vi lên đến 30km lưu lượng người dùng xuất hiện sự giảm nhe, hiệu suất phổ giảm một cách đáng kể nhưng vẫn có thể chấp nhận, yêu cầu

về độ di động vẫn được đáp ứng

Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: broadcast (quảng bá) và unicast Yêu cầu đối với trường hợp broadcast là hiệu suất phổ 1 bit/s/Hz, tương ứng với khoảng 15 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300kbit/s trong mỗi phân

bổ băng tần 5Mhz Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ một dịch vụ trên một sóng mang, cũng như kết hợp với các dịch vụ: non-MBMS khác

2.1.4 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nâng cao cho Qos end to end, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ cho việc chia sẻ tài nguyên cũng như quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau

Việc hỗ trợ nâng cao cho Qos end to end yêu cầu cải thiện sự thích ứng giữa dịch

vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức

Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi 4G-LTE phải có khả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ở

lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến

Việc hỗ trợ chia sẻ tài nguyên và quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu về định hướng các thiết bị đầu cuối theo các dạng công nghệ truy nhập vô tuyến thích hợp cũng như hỗ trợ Qos end to end trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến

2.2 Truy nhập vô tuyến trong 4G-LTE 2.2.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến

Các giao diện không gian 4G-LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD), mỗi chế độ có một cấu trúc khung riêng Chế độ bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đường lên và đường xuống vì đường lên và đường xuống không bao giờ sử dụng đồng thời

Kỹ thuật này được sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phép tiết kiệm chi phí trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu

Giao diện không gian 4G-LTE cũng hỗ trợ phát đa phương tiện và các dịch vụ phát quảng bá đa điểm (MBMS) Một công nghệ tương đối mới cho nội dung phát sóng như truyền hình kỹ thuật số tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm đa điểm Các thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiên được xuất hiện trong UMTS phiên bản

6 4G-LTE xác định là một cấp cao hơn dịch vụ eMBMS mà nó sẽ hoạt động qua một mạng đơn tần phát quảng bá/ đa điểm (MBSFN), bằng cách sử dụng một dạng sóng đồng bộ thời gian chung mà có thể truyền tới đa ô trong một khoảng thời gian nhất định MBSFN cho phép kết hợp qua vô tuyến của truyền đa ô tới UE, sử dụng tiền tố vòng (CP) để bảo vệ các sự khai thác do trễ khi truyền tải, để các UE truyền tải như là

từ một tế báo lớn duy nhất Công nghệ này giúp cho 4G-LTE có hiệu suất cao cho truyền tải MBMS

2.2.2 Băng tần truyền dẫn

4G-LTE phải hỗ trợ thị trường không dây quốc tế, các quy định về phổ tần trong khu vực và phổ tần sẵn có Để đạt được điều này các thông số kỹ thuật bao gồm băng thông kênh biến dổi có thể lựa chọn từ 1,4 tới 20MHz Với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz Nếu eMBMS mới sử dụng, cũng có thể khoảng cách giữa các

sóng mang con là 7,5kHz Khoảng cách giữa các sóng mang con là một hằng số và nó không phụ thuộc vào băng thông của kênh 3GPP đã xác định giao diện vô tuyến của 4G-LTE là băng thông không thể biết, nó cho phép giao diện vô tuyến thích ứng với băng thông kênh khác nhau với ảnh hưởng nhỏ nhất vào hoạt động của hệ thống Giá trị nhỏ nhất của tài nguyên có thể được phân bố ở đường lên và đường xuống được gọi là một khối tài nguyên (RB) Một RB có độ rộng là 180kHz và kéo dài trong một khe thời gian là 0.5ms Với 4G-LTE tiêu chuẩn thì một RB bao gồm 12 sóng mang con với khoảng các giữa các sóng mang con là là 15kHz và cho eMBMS mới

sử dụng, cũng có thể khoảng cách giữa các sóng mang con là 7,5kHz và một RB gồm

24 sóng mang con cho 0.5 ms

2.3 Công nghệ MIMO

Hiệu năng kém và dung lượng bị giới hạn của kênh truyền trong truyền dẫn không dây,do đó ta cần nâng cấp gói số lượng nhiều hơn 1 bit/Hz.Đó cũng giống như một vấn đề của hệ thống MIMO là hình ảnh sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu

Trên thực tế sự hoạt động kém hiệu quả của kênh truyền không dây do hiệu ứng fading đađường.MIMO lợi dụng sự đa đường này để ta tăng tín hiệu SNR.MIMO cung cấp cơ bản 3 tính năng sau :

- Beamforming-kỹ thuật hướng búp sóng :nó cho phép anten chỉnh theo hướng thích hợp để đạt được SNR tốt hơn bằng cách tăng công suất thu

- Phân tập không gian - tín hiệu máy phát được mã hóa trong không gian cũng như trong

miền thời gian với một số dự phòng để cải thiện BER hiệu suất của hệ thống

- Ghép kênh không gian- tập hợp các dòng dữ liệu được truyền song song từ anten khác nhau và xử lý tín hiệu thích hợp được sử dụng ở máy thu để tách các dòng dữ liệu này

Có rất nhiều Viện nghiên cứu, nhóm nghiên cứu, phòng thí nghiệm đã tập chung nghiên cứu rất sâu sắc về MIMO bởi người ta cho rằng: công nghệ MIMO thực sự là nền tảng của hệ thống 3G, 4G và các mạng không dây khác

Hình 2.3 : Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu

+ Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ sẽ giảm điện năng tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại công suất

Nhiễu trắng là một loại tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông.Chúng

ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó,nhiễu trắng có mật độ công suất phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn.lưu ý rằng nhiễu Gaussan là nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian

Hình 2.4- Nhiễu trắng

2.2.3.2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)

Hình 2.5 - Nhiễu liên ký tự ISI

Do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gausian trắng cộng.ISI gây ra do trải trễ đa đường.Trong môi trường truyền đa đường,kí tự phát đến đầu thu của máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau.Sự mở rộng của chu kỳ kí tự gây ra sự chồng lấn giữa kí tự hiện thời với kí tự trước đó và kết quả

là có nhiễu liên kí tự(ISI)

Để giảm được nhiễu ISI thì hệ thống OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một kí tự lên nhiều lần.Ngoài ra,OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ(guard interval -GI),thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền,giữa hai kí tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn

2.3.4 Fading

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí

- Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện

từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tin di động

+ Fading phẳng(flat fading) xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu.Do các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần tín hiệu hẹp(hẹp hơn độ rộng kênh truyền) nên chịu ảnh hưởng của flat fading.ảnh hưởng của flat fading tác động lên toàn bộ dải tín hiệu truyền trên kênh là như nhau

+ Fading lựa chọn tần số xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh tryền.Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn(lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu tác động của selective fading.tác hại lớn nhất là gây nhiễu lên kí

tự ISI.để khắc phục nó,người ta sử dụng một số biện pháp như phân tập,sử dụng mã sửa lỗi để giảm

BER…

+ Fading chậm (slow fading)Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền.VD: Tòa nhà cao tầng,đồi làm cho biên độ tín hiệu suy giảm,còn gọi là hiệu ứng bóng râm(shadowing).Hiện tương này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn,nên tốc độ biến đổi chậm

+ Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler,nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thy được sẽ bị dịch đi delta f so với tần số phát tương ứng.mức độ dịch tàn sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu(tại cùng một thời điểm phát).do đó hiện tượng này g

22

Hình 2.6- hiện tượng fading

2.3.5 Beamfomer - tạo búp sóng ,Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng

2.3.5.1 Beamfomer

Quá trình tạo búp sóng thông thường xây dựng trên cơ sở sử dụng mảng anten được áp dụng cho các hệ thống TTDĐ thế hệ sau cho cả khái niệm mảng anten thích ứng và mảng anten cố định Khi trang bị mảng anten thích ứng, BS có thể tạo búp đặc biệt cho người sử dụng Trong trường hợp này nhìn từ phía người sử dụng các kênh sẽ khác nhau, vì thế không thể sử dụng các kênh chung để ước tính kênh Thay vào đó các ký hiệu hoa tiêu riêng được phát trong các kênh riêng đường xuống sẽ được sử dụng để ước tính kênh cho tách sóng nhất quán

Tạo búp nhằm hướng búp sóng trong không gian đến người sử dụng nhờ vậy giảm nhiễu đến các người sử dụng khác trong ô Trong trường hợp này phương phát (hay mẫu phát xạ) trùng với phương thu cực đại và các búp có hướng được tạo ra bởi các dàn anten được hiệu chỉnh chẳng hạn bằng mảng tuyến tính đồng dạng (Hình 2.5) hoặc mảng tròn đồng dạng

Kỹ thuật tạo búp thực hiện điều chỉnh pha và biên độ nguồn sóng cáp cho các phần tử anten mảng để điều chỉnh phương pháp phát/thu của anten mảng Việc điều chỉnh này thực hiện bằng cách chọn các trọng số cho từng loại anten Có hai loại tạo búp cơ bản: Tạo búp dựa trên phương tới (DOA: Direction of Arrival) hay vật lý và tạo búp eigen hay toán học

Hình 2.7- Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau

2.3.5.2 Beamforming

Là kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệu dạng anten mảng (anten mảng trong beamforming là dùng các phần tử anten đặt sát nhau, sau đó điều chỉnh pha cấp sóng cho anten để tạo búp sóng hẹp; điều chỉnh pha các phần tử anten nhằmmhướng về máy di động Do phát hẹp nên không gây nhiễu ở cự

ly xa) để định hướng truyềnmcủa tín hiệu nhằm tăng độ lợi angten phát và độ nhạy phía thu Nhiễu trong tín hiệu nhận được khi dùng kỹ thuật beamforming sẽ giảm, bởi vì beamforming lợi dụng nhiễu để chuyển tín hiệu trực tiếp vào các phần tử anten mảng Trong khi truyền tín hiệu đi các bộ điều khiển tạo búp sóng sẽ điều chỉnh pha

và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ nhiễu Đồng thời khi đang truyền tín hiệu người ta có thể nâng công suất của tín hiệu một cách trực tiếp

Tại phía thu các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổ hợp lại khả giống như mẫu ban đầu, đồng thời cũng tại phía thu các bộ tạo búp sóng tại các anten sẽ điều chỉnh các biên độ của tín hiệu thông qua các trọng số của nó như vậy tín hiệu nhận được sẽ được khôi phục như mong muốn

2.3.5 Các khái niệm về phân tập

Là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trọng số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (forward error correction) cùng với kỹ thuật phân tập Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB.có các loại phân tập sau:

Hinh 2.8 : Phân loại phân tập + Phân tập tần số

+ Phân tập thời gian

+ Phân tập không gian

+ Phân tập phân cực

Nhằm 2 mục đích chính: - Tăng tốc độ phát

- Giảm BER

2.3.5.1 Phân tập tần số (Frequency Diversity)

Phân tập theo tần số là kỹ thuật thu hoặc phát tín hiệu trên hai hoặc nhiều kênh tần số sóng vô tuyến.Tức là cùng một tín hiệu thu được phát trên hai tần số khác nhau đến anten thu,thì tín hiệu nào tốt hơn thì lấy tín hiệu đó.Các hệ thống vô tuyến sử dụng

24

kỹ thuật phân tập tần số sẽ cải thiện chất lượng tốt hơn,nhưng việc sử dụng phổ tần không đạt hiệu quả cao

Hình 2.9 - Phân tập theo tần số

2.3.5.2 Phân tập gian (Time Diversity)

Kĩ thuật phân tập thời gian thời là phương pháp cơ bản nhất,dùng những khe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu.Như vậy,tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời điểm.Hoặc cùng một tín hiệu thu,có thể thu theo nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất

Hình 2.10- Phân tập theo thời gian

2.3.5.3 Phân tập không gian (Space Diversity)

Phân tập không gian sử dụng nhiều anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu.Trong phân tập không gian,các phiên bản của tín hiệu phá được truyền đến nơi thu trên các anten khác nhau trong miền không gian

Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten mà người ta chia phân tập thành 3 loại: phân tập anten phát(hệ thống MISO),phân tập anten thu(hệ thống SIMO),phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO)

Hình 2.11 – các phương pháp phân tập

Trong phân tập anten thu,nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập.Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường.Trong hệ thống thực tế,để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu,ta có thể kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập để có một hệ thống phân tập tốt hơn như phân tập không gian thời gian(STC),phân tập theo không gian tần số (SFC)…

2.3.5.4 Phân tập phân cực (Polarization Diversity)

Trong thờ i gian tr ở l ại đây,phân tập phân cực được sử dụng để giảm thi ểu fading đa đường.T ại các trạm cơ sở,điều này sẽ gi ảm kích thước của các anten.Kĩ thuật phân tập không gian thường đượ c s ử d ụng trong các trạm gốc nhưng kĩ thuật này đòi hỏi phải có hai anten nằm ngang cách nhau trên một sector Kỹ thu ật phân tập phân cực này có chứa một anten kép phân cực,trong đó chỉ có một anten trên mỗi sector là cần thiết.Trong phân tập không gian,sự phân tập thì các anten được đặt cách nhau,trong khi kỹ thu ật phân tập phân cực s ử dụng tất cả các anten trung tâm có pha

tương quan ởcả hai là điện thoại di động và các trạm thu cơ sở Các thành phần phân cực ngang và dọc, Ex và Ey , truyền bởi hai anten phân cực tại trạm gốc và nhận bởi hai ăng -ten phân cực tại điện thoại di động có thể cung cấp hai tín hiệu fading không tương quan Các giải tương quan (decorrelation) tín hiệu trong mỗi phân cực được gây ra bởi nhiều phản xạ trong các kênh giữa trạm di động và trạm gốc Sau khi phản xạ ngẫu nhiên đủ,trạng thái phân cực của tín hiệu sẽ được độc lập của phân

2.4.1 Tổng quan kỹ thuật OFDM

Hình 2.12 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 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 tính 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 suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

Nhờ đó OFDM là dòng chia tốc độ dữ liệu cao thành các dòng chia có tốc độ

dữ liệu thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang, ta thấy rằng, trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỉ số tín hiệu trên tạp SNR của sóng mang đó