Tài liệu đa truy cập trong mạng di động 4g lte (có code) https://drive.google.com/file/d/1KPihOiShonU9XtLRkGrU7xJSiTZ9iahZ/view?usp=sharing

Lời Mở Đầu Ketnooi.com Kho tai lieu lon nhat VN LỜI MỞ ĐẦU  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. 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 cấp 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 cao: điển hình như 3G, HSPA, 4G. Vào tháng 12/2007, hãng Nokia Siemens Networks đã công bố thử nghiệm thành công công nghệ LTE với tốc độ lên đến 173Mbit/s trong môi trường đô thị với nhiều thuê bao cùng lúc. Trên băng tần 2,6GHz với 20MHz băng thông, tốc độ này đã vượt xa tốc độ yêu cầu là 100Mbit/s. Cuộc gọi thoại đầu tiên giữa 2 điện thoại LTE đã được trình diễn vào Hội nghị Thế giới di động được tổ chức vào tháng 2/2008 tại Barcelona, Tây Ban Nha, mở đầu cho thời kỳ tiến lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Khác với 3G, giao tiếp vô tuyến trong LTE là một hệ thống mới hoàn toàn dựa trên OFDMA ở đường xuống và SC-FDMA ở đường lên. Nhận thấy được tầm quan trọng của OFDMA và SC-FDMA trong LTE em đã chọn đề tài này để tìm hiểu và nghiên cứu. Nội dung đề tài được chia làm 4 chương như sau : Chương 1: Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G : Trình bày tổng quát hệ thống 3G, HSPA; đặc điểm, cấu trúc hệ thống LTE khi tiến lên 4G. Chương 2: OFDMA Trong LTE : Nội dung trình bày phương pháp đa truy nhập đường xuống dựa trên OFDM sử dụng trong hệ thống thông tin di động băng rộng thay thế cho CDMA. Chương 3: SC-FDMA Trong LTE : Chương này trình bày phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM với tên gọi SC-FDMA nhằm giảm PAPR so với OFDMA. Chương 4: Mô Phỏng Ứng Dụng OFDM Nhằm Cải Thiện Chất Lượng Trong LTE: Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian với phương pháp cắt biên độ nhằm giảm PAPR, đánh giá BER qua hai kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới thầy Nguyễn Tấn Nhân đã nhiệt tình hướng dẫn, góp ý giúp em hoàn thành đồ án này. Em cũng xin cảm ơn toàn thể các thầy cô Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Tp.HCM đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức quý báu trong thời gian em theo học tại trường. Do thời gian nghiên cứu ngắn, tài liệu tham khảo không nhiều và trình độ kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô cùng toàn thể các bạn. SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 1 Lời Mở Đầu TpHCM, tháng 12 năm 2011 SV thực hiện Huỳnh Hoàng Anh SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 2 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G CHƢƠNG I : LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G LÊN 4G 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS UMTS là cụm từ viết tắt của Universal Mobile Telecommunications System. UMTS là hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ thứ 3 (3G) sử dụng kỹ thuật WCDMA. UMTS được chuẩn hóa bởi tổ chức Third Generation Partnership Project(3GPP) là dự án phát triển chung của nhiều cơ quan tiêu chuẩn hoá (SDO) như :ETSI (Châu Âu), ARIB/TCC (Nhật Bản), ANSI (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và CWTS (Trung Quốc). UMTS được phát triển lên từ các nước sử dụng GSM. Tóm lại, hệ thống thông tin di động thế hệ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 (WCDMA và CDMA2000) đã được đưa vào áp dụng từ năm 2001. Các hệ thống 3G cung cấp rất nhiều các dịch vụ viễn thông bao gồm: Thoại, số liệu, tốc độ bit thấp và cao, đa phương tiện, video cho khách hàng... Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000 như sau:  Sử dụng dải tần quy định quốc tế 3G - Đường lên : 1885-2025MHZ - Đường xuống : 2110-2200MHz - Công nghệ truy nhập DS-CDMA với kiểu ghép song công TDD và FDD  Mạng 3G UMTS sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ khác nhau tùy môi trường. - 384 kbit/s trong môi trường di động. - 2 Mbit/s trong môi trường tĩnh.  Là hệ thống thông tin di dộng toàn cầu cho các loại hình dịch vụ thông tin vô tuyến : - Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến. - Chất lượng thoại ngang bằng với hữa tuyến. - Dung lượng cao. - Tính cước theo dung lượng truyền. - Bảo mật cao (sử dụng mã).  Sử dụng các phương tiện khai thác khác nhau : trong công sở, ngoài đường, trên xe…  Có thể hổ trợ các dịch vụ như : - Đảm bảo chuyển mạng quốc gia và quốc tế. - Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói.  Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện. Môi trường hoạt động của 3G UMTS chia thành 4 vùng với các tốc độ bit Rb như sau: SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 3 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G - Vùng 1 : trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2 Mbit/s. Vùng 2 : thành phố, ô micro, Rb ≤384 kbit/s. Vùng 3 : ngoại ô, ô macro, Rb≤144 kbit/s. Vùng 4 : toàn cầu, Rb =9.6 kbit/s.  Lý do phát triển mạng 4G Mạng 3G ra đời được xem như một cuộc cách mạng trong hệ thống thông tin di động băng rộng cung cấp các dịch vụ tiến tiến. Mặc dù 3GPP đã phát triển HSDPA, HSUPA để tăng dung lượng truyền đến tốc độ lý thuyết cực đại khoảng 14.4Mbit/s. Tuy nhiên nó vẫn tồn tại nhiều mặt hạn chế sau :  Tốc độ truyền dữ liệu đường xuống tối đa 2Mbit/s với 3G và 14.4Mbit/s với HSDPA chưa đảm bảo chất lượng dịch vụ như video, xem TV chất lượng cao HDTV, internet không dây tốc độ cao…  Giá thành đắt: không phù hợp với số đông người dùng. Chính vì thế, công nghệ hậu 3G và HSPA, mà cụ thể là 4G ra đời cần phải duy trì các dịch vụ đa phương tiện tương tác, hội nghị truyền hình và internet không dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận tốc truyền và tính di động toàn cầu cao hơn… Các tính năng này không có ở hệ thống 3G. Phân tích đã cho thấy hệ thống 4G sẽ cho giá thành dịch vụ thấp hơn so với 3G, do nó được xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và không mất chi phí lớn khi chuyển đổi thiết bị. 1.2 Tổng quan truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) 1.2.1 Mở đầu Truy nhập gói tốc độ cao HSPA (còn gọi 3G+) bao gồm : - Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống HSDPA chuẩn hóa vào năm 2002. - Truy nhập gói tốc độ cao đường lên HSUPA chuẩn hóa vào năm 2004. Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1.8Mbit/s và tăng lên 3.6Mbit/s và 7.2Mbit/s vào năm 2007 và có thể lên 14.4Mbit/s. HSPA được triển khai trên WCDMA trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng sóng mang khác để đạt được dung lượng cao như hình sau : f2 f1 Hình 1.1 Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f1) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f2) SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 4 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G HSPA chia sẻ hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp WCDMA lên HSPA thì cần bổ sung thêm phần mềm và một vài phần cứng trong BSC, RNC. Iu-cs Tốc độ HS-DSCH 14.4Mbit/s trên 2ms Tốc độ bit Iub 0-3Mbit/s Số liệu từ GGSN Thông số QoS :tốc độ bit cực đại: 3Mbit/s Hình 1.2 Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (HSDPA) 1.2.2 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu ngƣời sử dụng Hình sau minh họa kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng. Số liệu từ các dịch vụ khác nhau được nén tiêu đề IP tại PDCP. MAC-hs thực hiện chức năng lập biểu nhanh dựa trên NodeB. Nén tiêu đề IP (PDCP) Các dịch vụ CS như:thoại, video, ARM. Phân đoạn và lập (RLC) Ghép kênh (MAC-d) Sắp đặt lại (MAC-es) Kênh riêng DCH Phát lập HARQ nhanh(MAC-hs) Phát lập HARQ nhanh(MAC-e) Lớp vật lý Hình 1.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA MAC-hs : High Speed MAC MAC-e : E-DCH : MAC kênh EDCH MAC-es : Thực thể MAC kênh E-DCH để sắp đặt lại thứ tự. SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 5 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G 1.3 Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE Nghiên cứu phát triển chuẩn LTE được tiến hành trong các E-UTRAN TSG (Technical Specification Group). 3GPP đã vạch ra kế hoạch chi tiết cho các nhóm nghiên cứu TSG RAN, lộ trình phát triển LTE gắn liền với lộ trình phát triển 3GPP (hình 1.4) . Năm 2005 3GPP bắt đầu soạn thảo một dự án cải tiến chuẩn UMTS, dự án gồm:  LTE thiết kế mạng vô tuyến và giao tiếp vô tuyến mới (Evoled-UTRAN).  SAE (Service Architecture Evolution) thiết kế hạ tầng mạng lõi mới EPC (Evoled Packet Core). R3_1999 -CS và PS -MMS -Các dịch vụ định vị -…v.v… R4-2001 -Các tăng cường mạng -TD-SCDMA -…v.v… R5_2002 -HSDPA -IMS -…v.v… R6-2005 -Đường lên tăng cường(EDCH) - MBMS -Tương tác WLAN-UMTS R7, R8 -LTE -SAE -Phát triển HSPA -…v.v… Hình 1.4 Lộ trình phát triển 3GPP Vấn đề nghiên cứu phát triển được thực hiện trong 2 TSG: - TSG RAN : nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến. - TSG SA : Nghiên cứu kiến trúc mạng. 1.4 Tổng quan LTE 1.4.1 LTE là gì? LTE viết tắt của từ Long Term Evolution, là một hệ thống công nghệ được phát triển từ họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập di động băng rộng thế hệ mới, hướng đến thế hệ thứ 4 (4G).  Giao tiếp vô tuyến của LTE là một hệ thống mới hoàn toàn dựa trên OFDMA ở đường xuống và SC-FDMA ở đường lên.  Kỹ thuật đa anten MIMO (Multiple Input Multiple Output)  Hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network).  Hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD.  Điều chế và mã hóa thích nghi: QPSK, 16-QAM và 64-QAM ở dowlink, QPSK và 16-QAM ở uplink (sau này có thể tăng cao số mức điều chế hơn nữa).  Nhiệm vụ nghiên cứu của LTE và SAE :  Phần vô tuyến (LTE) - Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, trễ. - Đơn giản hóa mạng vô tuyến. - Hổ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như MBMS, IMS. SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 6 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G  Phần mạng (SAE) - Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng. - Đơn giản mạng lõi. - Tối ưu lưu lượng IP và các dịch vụ. - Đơn giản hóa việc hổ trợ và chuyển giao đến các công nghệ không phải 3GPP. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra chuẩn mạng truy nhập vô tuyến với tên gọi E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access network), để đơn giản ta gọi là LTE. 1.4.2 Tốc độ số liệu đỉnh Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20MHz (5bit /Hz/s). - Tải xuống: 100-826.4Mbit/s; - Tải lên: 50-86.4Mbit/s (cả 2 hướng đều tùy thuộc anten và kiểu điều chế ) 1.4.3 Hiệu suất phổ tần  Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạngHSPA - Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; - Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.  Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. Bảng 1.1 và 1.2 sau so sánh thông số tốc độ và hiệu suất băng tần giữa LTE và HSPA trên đường xuống và đường lên. Bảng 1.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên đường xuống và HSDPA. HSDPA LTE Đích LTE/ Đã đạt Tốc độ đỉnh (Mbit/s) 14.4 144 100/đã đạt Tốc độ đỉnh (bit/Hz/s) 0.75 1.84 3-4 lần HSDPA/đã đạt Thông lượng người sử dụng biên ô 0.006 0.0148 2-3 lần HSDPA/đã đạt Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên đường lên và HSDPA. HSDPA LTE Đích LTE/ Đã đạt Tốc độ đỉnh (Mbit/s) 5.7 57 50/đã đạt Tốc độ đỉnh (bit/Hz/s) 0.26 0.67 2-3 lần HSDPA/đã đạt Thông lượng người sử dụng biên ô 0.006 0.015 2-3 lần HSDPA/đã đạt 1.4.4 Hổ trợ di động Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 - 15 km/h. Vẫn chạy tốt với tốc độ từ 15 - 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần được phát). 1.4.5 Vùng phủ SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 7 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G  LTE phải hổ trợ linh hoạt các các kịch bản phủ sóng khác nhau với giả thiết sử dụng lại các trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có.  Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hổ trợ di động phải đáp ứng các ô có bán kính 5km và giảm chút ít chất lượng với bán kính 30km. Từ 30 - 100 km thì không hạn chế.  LTE hoạt động trong các băng thông 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz cả chiều lên và xuống nên cần đảm bảo làm việc cả chế độ đơn băng lẫn song băng.  Hổ trợ tới 200UE/cell cùng lúc tại băng thông 5MHz. 1.4.6 Độ trễ và khả năng liên kết mạng  Độ trễ : Thời gian trễ tối đa dịch vụ thấp hơn 5ms.  Liên kết mạng : Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GETRAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng được đảm bảo. Thời gian trễ giữa E-UTRAN và GETRAN nhỏ hơn 300ms với dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ khác. 1.4.7 MBMS tăng cƣờng  MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) được đưa vào các dịch vụ của LTE. LTE phải hổ trợ các chế độ MBMS tăng cường so với hoạt động của UTRAN.  Hổ trợ MBMS phải đảm bảo các yêu cầu sau :  Tái sử dụng các phần tử lớp vật lý để giảm độ phức tạp đầu cuối.  Thoại và MBMS : Cho phép tích hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dành riêng và các dịch vụ MBMS cho người dùng.  Khai thác MBMS đơn băng. 1.4.8 Các vấn đề về độ phức tạp  LTE phải thỏa mãn hiệu năng yêu cầu, đảm bảo độ ổn định hệ thống dẫn đến giảm giá thành thiết bị đầu cuối và UTRAN. Do đó, cần lưu ý các vấn đề sau : - Giảm độ phức tạp phần cứng lẫn phần mềm. - Giảm thiểu mức độ phức tạp của UE (kích thức, dung lượng, pin). Ngoài ra ta cần lưu ý các yếu tố sau: - Khả năng hổ trợ nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến (GETRAN/UTRAN/LTE) khi xem xét độ phức tạp của tính năng LTE. - Cần giảm thiểu các tính năng bắt buộc. - Giảm thiểu các tùy chọn. 1.5 Kiến trúc mô hình LTE SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 8 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G Gb Gi Internet GETRAN Lõi SGSN PCFR2 Rx+ + Các Server IP tùy chọn (IMS, PSS)... HSS Gx+ + Gx+ + Gi Inter- AS MM Rx + Rh EPC với MME Gi Gx+ + UTRAN Iu Ra E-UTRAN eNodeB Internet Wi+ + PCFR2* Wi Truy nhập IP của WLAN 3GPP Hình 1.5 Kiến trúc mô hình của E-UTRAN trong dó Rh đảm bảo chuyển giao để giảm thời gian ngắt Trong đó : - Rh : Thể hiện chức năng chuẩn bị chuyển giao. - Gx+ : Thể hiện Gx có thêm hổ trợ di động giữa các inter-AS. - Wx+ : Kí hiệu cho Wx có hổ trợ thêm di dộng giữa các hệ thống. - Inter AS MM: Quản lý di động cho các hệ thống truy nhập. - PCRF2 : Thể hiện chức năng quy tắc tính cước và chính sách. - Các đường tròn và các đường nối không liên tục thể hiện các phần tử/giao diện mới của kiến trúc E-UTRAN. - EPC : Evolved Packet Core : Lõi gói cải tiến. - MME : Mobility Management Entity : Thực thể quảm lý di động. - HSS : Home Subcriber Server : Server thuê bao nhà. - GETRAN, UTRAN, SGSN : Là phần mạng truy nhập vô tuyến cho 2G, 3G, dữ liệu HSPA. Ngoài ra còn có S-GW (Serving Gateway) và P-GW (Packet Data Network Gateway) nhưng không thể hiện trên hình để đơn giản. Không còn RNC nữa. Các trạm gốc cải tiến eNodeB thực hiện độc lập chức năng quản lý dữ liệu truyền tải, đảm bảo QoS, chuyển giao cứng các UE tích cực... SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 9 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G 1.6 IMT-Advanced và lộ trình tiến lên 4G Các hệ thống hậu IMT-2000 đã và đang được nghiên cứu cũng như hoàn thiện bởi nhóm công tác 8F (ITU-R WP 8F) của ITU. Ta biết :  LTE hay Super 3G - giai đoạn đầu của 4G: trong giai đoạn này tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbit/s với băng thông 20MHz.  IMT-Adv (IMT tiên tiến) - giai đoạn phát triển của 4G: Đây là thời kỳ tiếp sau của LTE. Tốc độ số liệu đạt được từ 100 đến 1000Mbit/s và băng thông 100MHz. Bảng 1.3 Mục tiêu 4G. Tốc độ số liệu Kết nối mạng Thông tin Trễ Trễ kết nối Trễ truyền dẫn Giá thành trên một bit Giá thành cơ sở hạ tầng 100Mbit/s cho vùng rộng, 1Gbit/s cho vùng hẹp Hoàn toàn IP Rộng khắp, di dộng, liên tục Thấp hơn 3G Thấp hơn 500ms Thấp hơn 5ms 1/10-1/100 thấp hơn 3G Thấp hơn 3G (khoảng 1/10) Các giao diện hậu IMT-2000 được thể hiện trên hình 1.6 Khả năng di động Truy nhập vô tuyến mới Cao IMT-Adv (4G) Phát triển 3G LTE-Adv LTE Thấp IMT-2000 (WCDMA) 1Mbit/s IMT-2000 tăng cường (HSPA) 10Mbit/s 100Mbit/s 1000Mbit/s Tốc độ số liệu đỉnh Hình 1.6 Các khả năng của IMT-2000 và các hệ thống sau IMT-2000 Từ hình trên cho ta thấy rằng: LTE là một trong số các con đường tiến lên 4G, tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo sau nó là IMT-Adv . SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 10 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G Ngoài LTE của 3GPP thì 3GPP2 cũng đã đề xuất hệ thống UMB (Ultra Mobile Band), WiMAX cũng có kế hoạch tiến lên 4G. Hình 1.7 Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di dộng đến 4G Hình 1.8 Quá trình phát triển lên 4G với tốc độ dữ liệu cụ thể. 1.7 Thực trạng mạng di động 4G với công nghệ LTE trên thế giới hiện nay Theo các cuộc khảo sát gần đây có hơn 80% nhà cung cấp dịch vụ di động (telco) trên thế giới hiện đang sử dụng công nghệ GSM (gồm GSM, GPRS/EDGE, HSPA). Lợi thế về hạ tầng sẵn có và số lượng người sử dụng đông đảo là lý do chính để phát triển thị trường di động băng thông rộng với công nghệ HSPA và tiếp theo sẽ là LTE. Đặc tả kỹ thuật của công nghệ LTE có khả năng tương thích gần như hoàn hảo với công nghệ nền tảng GSM. SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 11 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G Không chỉ GSM, các telco sử dụng công nghệ CDMA cũng không bỏ qua cơ hội chuyển tiếp lên 4G với công nghệ LTE đầy hấp đẫn này. Trong cuộc chạy đua để trở thành nhà khai thác mạng đầu tiên đưa vào vận hành thương mại các dịch vụ LTE, TeliaSonera đã về đích sớm nhất. TeliaSonera là telco đầu tiên trên thế giới thương mại hóa công nghệ LTE tại hai thủ đô Stockholm (Thụy Điển) và Oslo (Na Uy) vào cuối năm qua và tiếp tục triển khai sang Phần Lan. Song hành với chiến dịch triển khai mạng 4G LTE, TeliaSonera cũng tiếp tục mở rộng mạng Turbo-3G (công nghệ HSPA) nhằm tăng dung lượng và khu vực phủ sóng. Hãng này sử dụng công nghệ LTE tần số 2,6GHz cùng với băng thông 20MHz, tốc độ tối đa lên đến 100Mbit/s. Hiện nay thế giới có 10-15 mạng LTE đang hoạt động và lên đến 30 mạng vào cuối năm 2012. Mỹ, Nhật, Thụy Điển, Na Uy, Phần Lan, Trung Quốc…đã triển khai mạng 4G với công nghệ LTE và hiện đang mở rộng vùng phục vụ. Tại Việt Nam, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp phép thử nghiệm mạng di động 4G trong vòng 1 năm, cho 5 doanh nghiệp viễn thông: VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC và VTC. Trong đó Viettel đã thử nghiệm thành công (12/5/2011) tại Hà Nội và TP.HCM, tốc độ truyền dữ liệu tối đa đạt được lên tới 75Mbit/s (tải xuống) và 25Mbit/s (tải lên). Băng tần thử nghiệm ở cả Hà Nội và Tp.HCM là 2.6 GHz, độ rộng băng tần 10Mhz. Tải xuống: 2640 MHz – 2650 MHz; tải lên: 2520 MHz – 2530 MHz. 1.8 Tổng kết chƣơng Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA + (3G ) và LTE (E3G/4G-). Các công nghệ truy nhập HSPA vẫn dựa trên công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA và WCDMA. Đến LTE sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Có thể nói HSPA là hậu 3G còn LTE là tiền 4G. Trong chương này ta cũng đã xét đến công nghệ truy nhập vô tuyến cho 4G (IMT-Adv). Nhìn chung mục đích các công nghệ mới này là nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành. - Tăng tốc độ số liệu đỉnh. - Tăng tốc độ bit tại biên ô. - Cải thiện hiệu năng sử dụng phổ tần. - Giảm trễ vòng. - Sử dụng băng thông linh hoạt. - Giảm chi phí đầu tư mạng. - Giảm độ phức tạp, giảm giá thành, giảm tiêu thụ công suất đầu cuối. - Tương thích với các mạng đã triển khai. - Tối ưu hóa tốc độ di động thấp, đồng thời hổ trợ tốc độ di động cao. Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao trở nên phổ biến, nhu cầu của hệ thống 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết với các nước trên thế giới và ở Việt Nam. Trong giai đoạn đầu của 4G tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz. Tiếp sau thời kỳ phát triển của 4G với tốc độ từ 100Mbit/s đến 1Gbit/s và băng thông 100MHz . SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 12 Chương II : OFDMA Trong LTE CHƢƠNG II : OFDMA TRONG LTE 2.1 Mở đầu OFDMA là phương pháp đa truy nhập vô tuyến dựa trên OFDM được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động băng rộng thay thế CDMA.Trong đó OFDM là công nghệ truyền dẫn đa sóng mang tiết kiệm băng tần sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng tốc độ cao. Nội dung chương này ta sẽ xét đến nguyên lý OFDM và ứng dụng nó trong mô hình lớp vật lý OFDMA đường xuống của LTE. 2.2 Nguyên lý OFDM 2.2.1 Khái quát chung Truyền dẫn OFDM là kiểu truyền dẫn đa sóng mang với một số đặc trưng cơ bản sau :  Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp : Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con song song băng hẹp.  Các sóng mang trực giao với nhau : khoảng cách giữa hai sóng mang con liền kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang con để làm cho chúng trực giao với nhau.  Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM (hình 2.1). Đơn sóng mang f Khoảng bảo vệ Đa sóng mang f Tiết kiệm băng thông f Hình 2.1 Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 13 Chương II : OFDMA Trong LTE  Ưu điểm của OFDM - Tiết kiệm băng tần làm tăng hiệu quả sử dụng phổ. - OFDM dể dàng hổ trợ ấn định băng thông linh hoạt. - Loại bỏ nhiễu giữa các ký tự (ISI) và nhiễu giữa các sóng mang (ICI) nhờ sử dụng khoảng bảo vệ. - Giải quyết hiệu quả các ảnh hưởng của fading phẳng đa đường nhờ tốc độ ký tự OFDM là thấp. - Kháng nhiễu băng hẹp rất tốt, vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng đến một tỉ lệ nhỏ các sóng mang con. - OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang. - Cho phép điều chế thích nghi cho mỗi người dùng QPSK,16QAM, 64QAM… 2.2.2 Tính chất trực giao trong OFDM Các tín hiệu được gọi là trực giao nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin (multiple information signal) được truyền một cách hoàn hảo (không bị lỗi) qua một kênh truyền thông thường và được tách mà không gây nhiễu xuyên kênh. Việc mất tính trực giao sẽ tạo ra sự chồng lắp giữa các tín hiệu mang thông tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu. Máy thu Máy phát Hình 2.2 Máy phát và thu các sóng mang con trực giao  Các sóng mang con trực giao lẫn nhau thỏa : 1 Ts  Ts 0 e j 2 f k .e  j 2 fl 1 dt  Ts  Ts 0 e j 2 ( fk  fl )   1 ( k l ) 0( k l ) (2.1) OFDM đạt được tính trực giao trong miền tần số bằng cách chia các tín hiệu mang thông tin riêng biệt vào mỗi sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM bao gồm các hàm SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 14 Chương II : OFDMA Trong LTE sin cơ bản, mỗi hàm tương ứng với một sóng mang con. Tần số ở băng tần gốc của mỗi sóng mang con được chọn bằng số nguyên lần của nghịch đảo thời gian của một ký hiệu. Do đó, tất cả các sóng mang con đều có số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol. Kết quả là các sóng mang con trực giao với nhau. Tập hợp các hàm sẽ trực giao với nhau nếu chúng thỏa điều kiện trong phương trình (2.1). Nếu 2 hàm bất kỳ trong tập hợp các hàm trực giao khi nhân với nhau và lấy tích phân trong khoảng thời gian một ký hiệu, kết quả sẽ bằng không. Một cách khác, nếu chúng ta xem xét bộ thu kết hợp cho một trong các hàm trực giao (dùng để tách hàm trực giao cần thiết), khi đó bộ thu chỉ nhận được kết quả của hàm đó. Kết quả từ tất cả các hàm khác trong tập hợp sau khi lấy tích phân đều bằng không và do đó không gây ảnh hưởng. Trong miền tần số, phổ của các sóng mang con chồng lấn lên nhau nhưng không gây nhiễu giao thoa lẫn nhau là nhờ vào tính trực giao giữa chúng. Theo đó mõi tần số trung tâm của các sóng mang con có sự khác nhau trong miền tần số, mà ở đó các sóng mang con kế cận có giá trị bằng không tại thời điểm lấy mẫu sóng mang con mong muốn. Điểm lấy mẫu cho 1 sóng mang con Δf =15 kHz Giá trị là 0 cho các sóng mang con khác TFFT=1/ Δf Ký hiệu điều chế t Tổng băng thông truyền dẫn của N sóng mang con Hình 2.3 Các sóng mang con trực giao SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 15 Chương II : OFDMA Trong LTE 2.2.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Ký hiệu N là tổng số sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và P là số sóng mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng. Sau đây trình bày sơ đồ khối hệ thống OFDM. x0 X0 X0,X1,…,Xp-1 IFFT N điểm S/P x(m) P/S X p-1 Chèn CP x(t) DAC x N-1 0 0 Kênh vô tuyến a)Máy phát y0 X’0 X’0,X’1,…,X’p-1 P/S X’p-1 RF FFT N điểm Loại bỏ CP S/P y(t) RF ADC y(t) yN-1 Không dùng a)Máy thu Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 2.2.3.1 Máy phát  Các khối ký hiệu điều chế (QPSK, 16QAM, 64QAM) gồm P ký hiệu điều chế (X 0, X1,…,Xp-1) được đưa đến bộ nối tiếp vào song song (S/P) để được P luồng song song với độ dài ký hiệu của mỗi luồng bằng TFFT (độ dài hiệu dụng của ký hiệu OFDM).  Mỗi ký hiệu điều chế Xi (i = 0, 1,…,P-1) có giá trị phức thể hiện phổ rời rạc của sóng mang con thứ i trong số N sóng mang con hệ thống. Các sóng mang con được điều chế X 0, X1,…,Xp-1 kết hợp với N-P sóng mang con rỗng (bằng không) tạo nên tập {X i} (i = 0,1,…, N-1) giá trị phức và được đưa lên N đầu vào của bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT)  Bộ IFFT cho ra N sóng mang con trong miền thời gian {x i} (i=0,1,…,N-1). Các sóng mang con trong miền thời gian này được thể hiện ở các mẫu rời rạc với tần số lấy mẫu f s . fs = NΔf = N  Ts = SVTH: Huỳnh Hoàng Anh 1 TFFT 1 TFFT = N fs Lớp: D07VTA1 (2.2) (2.3) Trang 16 Chương II : OFDMA Trong LTE Trong đó : Δf : khoảng cách giữa hai sóng mang con (Δf =15kHz hoặc 7.5kHz ) Ts : chu kỳ lấy mẫu.  Tín hiệu đầu ra bộ IFFT biểu diễn ở dạng các mẫu rời rạc. Sóng mang con thứ i tại thời điểm k trong miền thời gian được xác định như sau : N 1 xi ,k   X i ,k e j 2 i m N (2.4) m 0 Trong đó : i = 0,1,…, N-1 k ,  ký hiệu cho sóng mang con thứ i của ký hiệu OFDM thứ k tương ứng. Xi,k : giá trị phức của tính hiệu điều chế thông thường thứ i tại thời điểm k. m = 0,1,…, N : là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu với thời gian T s  Tín hiệu đầu ra bộ biến đổi song song thành nối tiếp (P/S) trong miền thời gian tại thời điểm k được xác định như sau : N 1 N 1 xk   X i ,k e j 2 P 1 N 1 i m N  X i ,k e i 0 m j 2 i m N (2.5) i 0 m Đối với OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu phát trong miền tần số như sau : Xk= [X0,k X1,k … X p-1,k 0…0]T , trong đó […]T là phép chuyển vị, P là số ký hiệu điều chế thông thường trong khối k và số chữ số “0” bằng N-P.  Tín hiệu trong miền thời gian nhận được bằng cách nhân tín hiệu trong miền tần số với ma trận sau đây : 1 1  j 2 1 eN  j 4  eN x k  1       j 2( N 1) 1 e N  e e e 1 1 j 4 N j 6 N e j 8 N j12 N          e j 4( N 1) N e j 6( N 1)  N     e  j 4( N 1)  e N  Xk      j 2( N 1)( N 1)   N  e  1 j 2( N 1) N (2.6) Trong đó hàng của ma trận thể hiện các sóng mang con tại thời điểm lấy mẫu m. SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 17 Chương II : OFDMA Trong LTE Hình 2.5 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian  Thời gian bảo vệ GI và bộ chèn CP (Cyclic Prefix) Giải pháp GI (Guard Interval) Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường là nguyên nhân gây ra nhiễu liên ký tự ISI. Để loại bỏ ISI một cách gần như triệt để ta sẽ :  Thêm khoảng thời gian bảo vệ GI vào cho mỗi ký hiệu OFDM. Ký hiệu OFDM thứ k GI GI TFFT Ký hiệu OFDM thứ k+1 TGI GI t Ts Hình 2.6 Minh họa thêm GI  GI được chọn sao cho lớn hơn trải trễ cực đại  max , để các thành phần trễ (do đa đường) từ một ký hiệu không thể gây nhiễu lên ký hiệu kế cận => đây là điều kiện loại bỏ hết ISI . TGI   max Trong đó : TFFT : độ dài hiệu dụng TGI : thời gian bảo vệ Ts : tổng chiều dài ký hiệu OFDM  max : trải trễ cực đại SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 18 Chương II : OFDMA Trong LTE Khoảng thời gian bảo vệ có thể không chứa một tín hiệu nào cả. Tuy nhiên, trong trường hợp có GI thì ICI sẽ xuất hiện. ICI (Inter Channel Interference) là nhiễu giữa các sóng mang con, tức là các sóng mang con không còn tính trực giao. Hình sau minh họa hiện tượng này. Hình 2.7 Nhiễu giữa các sóng mang :sóng mang trễ 2 gây ra ICI trên sóng mang 1 và ngược lại Bộ chèn CP (Cyclic Prefix) Để loại bỏ ICI, ký hiệu OFDM được mở rộng có tính chu kỳ trong khoảng thời gian bảo vệ (thực hiện chèn CP, nghĩa là nó được lặp lại tuần hoàn trong thời gian bảo vệ nhờ CP) như hình 2.8 Điều này đảm bảo rằng phiên trễ của ký hiệu OFDM luôn luôn có một số nguyên. Chu kỳ trong khoảng thời gian FFT, miễn là thời gian trễ nhỏ hơn thời gian bảo vệ. Các tín hiệu đa đƣờng với giá trị trễ nhỏ hơn thời gian bảo vệ sẽ không thể gây ra ICI. Bộ chèn thực hiện chèn V mẫu (độ dài T CP) của ký hiệu OFDM vào đầu ký hiệu này, lúc đó : (2.7) Ts = TFFT + TCP Với V mẫu được sao chép từ các mẫu cuối cùng của tín hiệu xk. Thường thì TCP được chọn bằng thời gian trễ trội cực đại. Khi đó m trong phương trình 2.6 (ma trận bên trên) sẽ là: m = 0, 1 ,…, N-1,…, N+V-1 và tổng số mẫu đầu ra sẽ bằng N+V . SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 19 Chương II : OFDMA Trong LTE Khoảng thời gian ký hiệu OFDM GI Sao chép và dán Hình 2.8 Minh họa chèn CP Hình 2.9 Tín hiệu OFDM với thời gian CP thực tế  Ý nghĩa việc chèn CP : Trong trường hợp kênh tán thời do bị fading đa đường làm tính trực giao giữa các sóng mang con giảm đi : phần cuối của tín hiệu OFDM phát trước do đến trễ τ sẽ chồng lấn lên phần đầu của ký hiệu phát sau. Khi đó khoảng thời gian tương quan của bộ giải điều chế cho ký hiệu được xét sẽ chồng lấn một phần lên ký hiệu trước đó. Vì thế tích phân tín hiệu đi thẳng sẽ chứa nhiễu của tín hiệu phản xạ từ ký hiệu trƣớc đó (hình 2.10a) nên không những xảy ra nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) mà còn cả nhiễu giữa các sóng mang con (ICI). SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 20