Tài liệu Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống mimo ofdm ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4g 5g

Luận văn tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN VĂN KHUYẾN Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G-5G Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG HÀ NỘI – 2018 HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 1 Luận văn tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, nhu cầu thông tin của con người là cực kỳ lớn và diễn ra mọi lúc mọi nơi. Các thiết bị di động không dây tốc độ cao, băng rộng ngày càng phổ biến với số lượng thuê bao rất lớn và ngày càng tăng. Do đó, yêu cầu đặt ra cho hệ thống viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi hệ thống phải cung cấp các dịch vụ có chất lượng tốt và tốc độ cao. Điển hình là công nghệ mạng 4G và sắp tới là công nghệ mạng thế hệ thứ 5 sẽ được ứng dụng rộng rãi thì yêu cầu càng cao về hệ thống cung cấp dịch vụ mạng trong thực tế. Để đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tính di động cao của các dịch vụ cung cấp cho người dùng, kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều ăng-ten phát và thu (MIMO) đã được chọn làm giải pháp truyền dẫn chính của mạng băng rộng hiện nay. Tuy nhiên, với số lượng thuê bao lớn thì hiệu quả của hệ thống MIMO-OFDM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thông tin trạng thái kênh truyền và bị suy giảm rất nhiều do ảnh hưởng của nhiễu giao thoa liên thuê bao. Để đạt được những chỉ tiêu về chất lượng, tốc độ đề ra, hệ thống MIMOOFDM không ngừng bổ sung các kỹ thuật hỗ trợ. Một trong số các phương pháp đưa ra là kỹ thuật tiền mã hóa. Với kỹ thuật này, hệ thống sẽ tiết kiệm được băng tần, thời gian, tăng hiệu suất tần số và loại bỏ được thành phần nhiễu giao thoa liên thuê bao. Từ những ưu điểm của kỹ thuật tiền mã hóa, cùng với mong muốn tìm hiểu kỹ hơn về kỹ thuật này, em chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp là: “Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng cho các thông tin thế hệ 4G-5G”. Luận văn được chia làm bốn chương chính sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng 4G-5G. Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 2 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMOOFDM Luận văn sẽ đi sâu phân tích vấn đề liên quan đến kỹ thuật tiền mã hóa trong MIMO-OFDM và mô phỏng bằng phần mềm matlab để thấy rõ hơn ảnh hưởng của tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM. Tuy không phải là đề tài quá mới, nhưng tại Việt Nam lĩnh vực này vẫn còn nhiều cơ hội và thách thức. Dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Quốc Khương, Thầy đã tận tình dạy bảo, để em thực hiện và hoàn thành luận văn này. Em rất biết ơn công lao chỉ dạy của Thầy. Qua thầy em đã biết cách tìm hiểu cơ sở lý thuyết, phân tích và tiếp cận vấn đề, đưa ra và triển khai thực hiện ý tưởng. Em cũng rất biết ơn những công lao chỉ dạy của tất cả các thầy, các cô trong quá trình tham gia học tập tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các thầy cô vừa trực tiếp và vừa gián tiếp tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018 Học viên Nguyễn Văn Khuyến HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 3 Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và tham khảo có dẫn chứng cụ thể. Chương trình được mô phỏng trên phần mềm Matlab 2017b. Học viên Nguyễn Văn Khuyến HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 4 Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ ..................................................................................................... 1 LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 2 LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 4 MỤC LỤC .................................................................................................................. 5 DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................. 9 DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... 11 DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 12 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 14 Lý do chọn đề tài ...................................................................................................14 Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................14 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ....................15 Mục tiêu của đề tài ................................................................................................15 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................15 Nội dung của luận văn...........................................................................................15 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G-5G ........................... 17 1.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................17 1.2 Công nghệ mạng 4G........................................................................................17 1.2.1 Thế hệ mạng di động tiền 4G ...................................................................17 1.2.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G ...................................................................18 1.2.3 Công nghệ LTE ........................................................................................18 1.2.4 Một số công nghệ quan trọng của mạng 4G-LTE....................................20 HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 5 Luận văn tốt nghiệp 1.2.5 Kiến trúc hệ thống 4G-LTE hướng xuống ...............................................21 1.2.6 Các tham số hệ thống 4G-LTE ................................................................23 1.2.7 Các tham số kênh truyền ..........................................................................23 1.2.8 Kết luận về 4G-LTE .................................................................................24 1.3 Công nghệ mạng 5G........................................................................................24 1.3.1 Mạng 5G là gì...........................................................................................24 1.3.2 Mạng 5G hoạt động như thế nào ..............................................................25 1.3.3 Tiêu chuẩn mạng 5G ................................................................................26 1.3.4 Những ứng dụng được kỳ vọng trong công nghệ 5G ..............................28 1.4 Kết luận chương ..............................................................................................31 CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM ............................................................ 32 2.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................32 2.2 Kỹ thuật OFDM ..............................................................................................32 2.1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM .......................................................................32 2.2.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM ..................................................................33 2.2.3 Sơ đồ khối OFDM ....................................................................................36 2.2.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM ..........................................................................41 2.2.5 Các đặc tính của OFDM...........................................................................43 2.2.6 Các đặc tính kênh truyền ..........................................................................44 2.2.7 Kết luận về kỹ thuật OFDM .....................................................................50 2.3 Hệ thống MIMO ..............................................................................................50 2.3.1 Giới thiệu hệ thống MIMO ......................................................................50 2.3.2 Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO ..................................................51 2.3.3 Các kỹ thuật phân tập ...............................................................................52 HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 6 Luận văn tốt nghiệp 2.4 Hệ thống MIMO-OFDM .................................................................................54 2.4.1 Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM....................................................54 2.4.2 Mô tả tổng quan hệ thống MIMO-OFDM ...............................................56 2.4.3 Cấu trúc khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM .............................57 2.4 Kết luận chương ..............................................................................................58 CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM ................................................................................................................................... 59 3.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................59 3.2 Giới thiệu kỹ thuật tiền mã hóa .......................................................................59 3.2.1 Mục đích của tiền mã hóa ........................................................................59 3.2.2 Phân loại tiền mã hóa ...............................................................................60 3.3 Kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ........................................61 3.3.1 Hệ thống tiền mã hóa MIMO-OFDM ......................................................61 3.3.2 Nguyên tắc tiền mã hóa của hệ thống MIMO-OFDM .............................62 3.3.3 Khảo sát SNR trong hệ thống MIMO-OFDM không có tiền mã hóa và có mã hóa ...............................................................................................................63 3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa ZF (Zero-forcing) ........................................................64 3.4.1 Giới thiệu..................................................................................................64 3.4.2 Thuật toán tiền mã hóa ZF .......................................................................66 3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa DPC (Dirty Paper Coding) ...........................................67 3.5.1 Giới thiệu..................................................................................................67 3.5.2 Thuật toán tiền mã hóa DPC ....................................................................68 3.6 Lựa chọn người dùng ......................................................................................70 3.7 Kết luận chương ..............................................................................................70 HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 7 Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................................... 72 4.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................72 4.2 Cách xây dựng chương trình ...........................................................................72 4.3 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa................72 4.4 Kết quả mô phỏng ...........................................................................................74 4.4.1 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, DPC .....................................74 4.4.2 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, DPC theo mức điều chế.......75 4.4.3 Khảo sát BER của các phương pháp khi thay đổi số thuê bao .............76 4.5 Kết luận chương ..............................................................................................78 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 80 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 82 HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 8 Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân BD Block Diagonalization BS Base Staion Trạm gốc Carrier frequency offsets Độ lệch tần số sóng mang CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DAC Digital-to-Analog Chuyển đổi số sang tương tự DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc DPC Dirty Paper Coding FDM Frequency Division Multiplexing CFO FDMA Frequency Division Multiple Ghép kênh phân chia theo tần số Đa truy cập phân chia theo tần số Access FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh ICI Inter- Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier Phép biến đổi Fourier rời rạc đảo Transform Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier đảo ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên ký tự IUI Inter- User Interference Nhiễu giao thoa liên thuê bao Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra IFFT MIMO HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 9 Luận văn tốt nghiệp M-QAM MMSE OFDM PAPR QAM M Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương M Modulation điểm Minimum Mean Squared Error Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao Tỉ số công suất đỉnh trên công Peak to Average Power Ratio suất trung bình Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương Modulation Quadrature Phase Shift Keying SDMA Space Division Multiple Access SNR ZF sai lệch Orthogonal Frequency Division QPSK SINR Tối thiểu bình phương trung bình Điều chế pha nhị phân Đa truy cập phân chia theo không gian Signal Interference to Noise Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can Ratio nhiễu Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Zero forcing HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 10 Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Các tham số hệ thống LTE .......................................................................23 Bảng 1-2: Các tần số Doppler xác định cho mô hình kênh LTE ..............................24 Bảng 1-3: Các đặc tính công suất trễ của mô hình kênh LTE ..................................24 HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 11 Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Quá trình phát triển lên LTE .....................................................................19 Hình 1-2: Sơ đồ khối phía phát LTE downlink.........................................................22 Hình 1-3: Cách thức hoạt động của mạng 5G trong thử nghiệm tại Nhật Bản.........25 Hình 2-1: So sánh tính hiệu quả sử dụng phổ của OFDM và FDM .........................34 Hình 2-2: Phổ sóng mang con OFDM ......................................................................36 Hình 2-3: Sơ đồ khối máy phát OFDM ....................................................................37 Hình 2-4: Sơ đồ khối máy thu OFDM ......................................................................37 Hình 2-5: Kỹ thuật xen kẽ .........................................................................................38 Hình 2-6: 4-QAM ......................................................................................................39 Hình 2-7: 16-QAM ....................................................................................................39 Hình 2-8: Cấu trúc của ký tự OFDM ........................................................................41 Hình 2-9: Biến đổi IFFT và chèn CP ........................................................................41 Hình 2-10: Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi .............................................................42 Hình 2-11: Hiệu ứng đa đường trong thông tin di động ...........................................45 Hình 2-12: Hiệu ứng Doppler ...................................................................................47 Hình 2-13: Lỗi dịch tần số gây ra nhiễu ICI trong OFDM .......................................49 Hình 2-14: Sơ đồ thống MIMO.................................................................................51 Hình 2-15: Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM ...............................................................55 Hình 2-16: Các khối cơ bản của sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM ....56 Hình 2-17: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM ..................................................57 Hình 3-1: Hệ thống tiền mã hóa MIMO-OFDM.......................................................61 Hình 3-3: Sơ đồ hệ thống ZF ....................................................................................65 Hình 4-1: Sơ đồ khối chương trình chính cho kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ...........................................................................................................73 Hình 4-2: Sơ đồ khối từng bước trong OFDM .........................................................73 Hình 4-3: BER của các phương pháp ZF, DPC ........................................................74 Hình 4-4: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi mức điều chế .......................75 Hình 4-5: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi mức điều chế ....................76 HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 12 Luận văn tốt nghiệp Hình 4-6: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi số thuê bao .........................77 Hình 4-7: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi số thuê bao ......................77 HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 13 Luận văn tốt nghiệp MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Ngày nay, việc nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu trong truyền thông vô tuyến. Trong các mạng thông tin di động thế hệ mới như 4G LTE, 5G thì yêu cầu sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát trở nên quan trọng. Việc sử dụng nhiều ăng-ten thu phát là một giải phát cần thiết nhưng chưa hoàn toàn tối ưu trong việc khai thác sử dụng băng tần. Kỹ thuật tiền mã hóa tín hiệu để tối ưu hóa sử dụng băng thông giống như định hướng chùm tia tín hiệu phát đến tín hiệu thu mà không cần tăng công suất phát tín hiệu là một trong những giải pháp đã được áp dụng đối với các hệ thống MIMO. Luận văn nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G-5G” nhằm mục tiêu này. Lịch sử nghiên cứu Nếu như mạng di động thế hệ đầu tiên (1G) chỉ đơn thuần cung cấp dịch vụ thoại; mạng 2G cung cấp dịch vụ thoại và nhắn tin; mạng 3G cung cấp dịch vụ thoại + nhắn tin + dữ liệu; mạng 4G cung cấp các dịch vụ 3G với tốc độ cao hơn, thì sự ra đời của thế hệ mạng 5G sẽ cho phép triển khai các dịch vụ tiên tiến cho người dân, từ khả năng truy cập với chất lượng tốt hơn tới dịch vụ y tế, hệ thống giao thông thông minh (bao gồm cả xe ô tô tự lái) và điều khiển máy móc từ xa... Vậy, 4G và hơn nữa là 5G với yêu cầu cao về tốc độ, khối lượng xử lý công việc,... nên cần có các công nghệ và giải pháp để có được đường truyền cũng như tốc độ tốt nhất. Việc sử dụng nhiều ăng-ten thu phát là một giải phát cần thiết nhưng chưa hoàn toàn tối ưu trong việc khai thác sử dụng băng tần. Kỹ thuật tiền mã hóa tín hiệu ra đời để tối ưu hóa sử dụng băng thông giống như định hướng chùm tia tín hiệu phát đến tín hiệu thu (Beaforming) mà không cần tăng công suất phát tín hiệu là một trong những giải pháp đã được áp dụng đối với các hệ thống MIMO-OFDM. HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 14 Luận văn tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là trên cơ sở tìm hiểu về hai phương pháp tiền mã hóa, đề tài tiến hành phân tích, mô phỏng và đánh giá hiệu năng của các phương pháp thông qua tỷ lệ lỗi bít tín hiệu BER, đồng thời đưa ra các so sánh về các ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp. Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu về mạng thế hệ 4G-5G; Hệ thống MIMO-OFDM; Các phương pháp tiền mã hóa tuyến tính ZF (Zero Forcing) và phi tuyến DPC (Dirty Paper Coding). Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM với 2 phương pháp tiền mã hóa ZF và DPC. Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu tổng quan về mạng 4G-5G. - Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM. - Tìm hiểu và phân tích kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM. - Đưa ra mô phỏng và đánh giá việc ứng dụng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM để nâng cao chất lượng hệ thống mạng thông tin, Phương pháp nghiên cứu Như trình bày trong luận văn, thì phương pháp nghiên cứu của tác giả là tiến hành việc nghiên cứu lý thuyết về hai công nghệ mạng 4G-5G. Nghiên cứu tìm hiểu hai kỹ thuật tiền mã hóa ZF và DPC cho hệ thống MIMO-OFDM. Nghiên cứu phân tích đưa ra các đặc trưng về từng kỹ thuật để phù hợp với yêu cầu Luận văn đề ra. Nội dung của luận văn Phần nội dung chính của luận văn gồm 4 chương, cụ thể như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng 4G và 5G. Giới thiệu tổng quan về 4G cũng như 5G, một số tiêu chuẩn kỹ thuật và các ứng dụng của nó. Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM. Trình bày về sự kết hợp của OFDM với hệ thống nhiều ăng-ten thu phát. HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 15 Luận văn tốt nghiệp Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM. Tập trung nghiên cứu một số kỹ thuật tiền mã hóa có thể sử dụng trong hệ thống MIMO-OFDM. Gồm các kỹ thuật tiền mã hóa tuyền tính ZF (Zero Forcing), MMSE và kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến như DPC (Dirty paper Coding) Chương 4: Mô phỏng và đánh giá Đưa ra kết quả mô phỏng bằng matlab cho chương 3 và đánh giá các kỹ thuật tiền mã hóa được sử dụng trong hệ thống MIMO-OFDM. Kết luận Cô đọng nhất kết luận cho kiến thức đã tìm được về luận văn. HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 16 Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G-5G 1.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ trình bày tổng quan về các mạng thông tin di động 4G-LTE và 5G, cũng như tìm hiểu chi tiết các tham số hệ thống 4G-LTE, từ đó lựa chọn các tham số phù hợp để mô phỏng hệ thống. 1.2 Công nghệ mạng 4G 1.2.1 Thế hệ mạng di động tiền 4G Hai công nghệ xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 (802.11m) và LTE (Long Term Evolution) vì chưa đáp ứng được chuẩn 4G là cho phép truyền tải ở tốc độ 100MB/s khi di chuyển và tới 1 GB/s khi đứng yên. Về bản chất, Wimax2 là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà cung cấp dịch vụ GSM. Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động trên các băng tần khác nhau. Long term Evolution (LTE): công nghệ di động đã được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP, nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện đầy đủ yêu cầu IMTAdvance. LTE có tốc độ bit lý thuyết 100 MB/s cho download và 50 MB/s cho upload. Wimax-2: được phát triển bởi IEEE (IEEE 802.16m). Wimax được cung cấp khả năng kết nối internet không dây nhanh hơn với wifi, tốc độ up và down 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 có tốc độ bit net lý thuyết là 128 MB/s cho download và 64 MB/s cho upload. Công nghệ không dây thế hệ thứ 4: Được biết sẽ là chuẩn tương lai của thiết bị không dây, các dịch vụ di động 4G với khả năng cung cấp băng thông rộng, dung HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 17 Luận văn tốt nghiệp lượng lớn, truyền dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ họa 3D linh hoạt, các dịch vụ âm thanh số. Với sự xuất hiện của mạng 4G nó sẽ giải quyết được: - Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, internet không dây. - Băng thông rộng hơn. - Tính di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ. - Hạ giá thành. - Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động. 1.2.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL: 18852025 MHz; DL: 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL: 100Mbps( ở BW 20MHz), UL: 50 Mbps với 2 aten thu một ăng-ten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA. 1.2.3 Công nghệ LTE LTE (Long Term Evolution), là một hệ thống công nghệ được phát triển từ 3GPP, thuộc họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới, hướng đến thế hệ thứ 4 (4G). HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 18 Luận văn tốt nghiệp LTE sử dụng tần số một cách linh động, 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. • Quá trình phát triển LTE - Chuẩn LTE đầu tiên là phiên bản Release 8 của 3GPP vào tháng 12 năm 2008 dựa vào nền tảng của công nghệ viễn thông GSM (Global System for Mobile Communications). - Chuẩn LTE: thế hệ thứ 4 của UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. - Chuẩn LTE-Advanced (3/2011): là một bước chuyển lớn của LTE, LTE Advanced tương thích với các thiết bị của LTE phiên bản cũ, và dùng chung băng tần với các LTE phiên bản cũ. Hình 1-1: Quá trình phát triển lên LTE [3] • Yêu cầu của LTE - Tốc độ tối đa (peak data rate) - 100 Mbps tải xuống, 50 Mbps tải lên trên băng thông kênh truyền 20 MHz - Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell (5 MHz) HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 19 Luận văn tốt nghiệp - Tính lưu động - Tối ưu hóa từ 0 ~ 15 km/h. - Hiệu suất cao trong khoảng 15 ~ 120 km/h - Hỗ trợ lên đến 350 km/h hoặc thậm chí lên đến 500 km/h. - Tăng cường dịch vụ phát sóng đa phương tiện (E-MBMS) - Độ trải phổ linh hoạt: 1,25 ~ 20 MHz - Tăng cường hỗ trợ chất lượng dịch vụ đế người dùng đầu cuối • Kỹ thuật sử dụng LTE - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - Frequency domain equalization - SC-FDMA (Single Carrier FDMA) - MIMO (Multi-Input Multi-Output) - Multicarrier channel-dependent resource scheduling - Fractional frequency reuse 1.2.4 Một số công nghệ quan trọng của mạng 4G-LTE • OFDM OFDM là công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn. Do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang. OFDMA là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM, là một dạng cải tiền của OFDM. Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hóa. • MIMO HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 20