Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu kỹ thuật ofdm và ứng dụng trong mạng thông tin di động 4g...

Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật ofdm và ứng dụng trong mạng thông tin di động 4g

.PDF
94
210
90

Mô tả:

ii Công trình đƣợc hoàn thành tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công Phản biện 1: PGS.TS. Đỗ Xuân Tiến Phản biện 2: TS. Đào Huy Du Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: phòng 202 nhà A10 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Vào hồi 11h giờ 00‟ ngày 21 tháng 08 năm 2016. Có thể tìm đọc luận văn tại: Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Trung tâm học liệu trường Đại học Thái Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Nguyễn Văn Thắng Học viên: Lớp cao học K16- KTĐT, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Nơi công tác: Viettel Thái Nguyên – Tập đoàn Viễn thông Quân đội. Tên đề tài luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng thông tin di động 4G”. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử. Mã số: 60.52.02.03 Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng thông tin di động 4G”. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Hữu Công và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành. Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em.Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 25 tháng 03 năm 2016 Học viên thực hiện Nguyễn Văn Thắng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường. Sự quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa Điện tử Viễn thông, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu Công và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Điện tử Viễn thông. Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa K16 – KTĐT đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Văn Thắng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................... 1 CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG ....................................... 3 KHÔNG DÂY ........................................................................................................... 3 1.1. Lịch sử và phát triển của thông tin di động ............................................................ 3 1.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động ................................................................. 3 1.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động.............................................................. 5 1.1.3 Tổng kết các hệ thống thông tin di động .............................................................. 7 1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống di động 4G ......................................................... 8 1.2.1 Mục tiêu và cách tiếp cận.................................................................................... 9 1.2.2 Các điểm cần xét đến ........................................................................................ 10 1.2.3 Các kỹ thuật được sử dụng................................................................................ 10 1.2.4 Sự khác nhau giữa 3G và 4G ............................................................................ 11 1.2.4.1 Ưu điểm nổi bật ............................................................................................. 11 1.2.4.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G ............................... 11 1.3 Kết luận .............................................................................................................. 12 CHƢƠNG II: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAOVÀ KÊNH VÔ TUYẾN TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐÔNG 4G ...................... 13 2.1 Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao ......................................................... 13 2.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 13 2.1.1.1 Các ưu và nhược điểm ................................................................................... 14 2.1.1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam ................................................ 16 2.1.1.3 Các hướng phát triển...................................................................................... 16 2.1.1.4 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM ........................................... 16 2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật của OFDM ......................................................................... 17 2.1.2.1 Hệ thống đa sóng mang ................................................................................. 18 2.1.2.2Ghép kênh phân chia theo tần số FDM ............................................................ 19 2.1.3 Trực giao trong OFDM ..................................................................................... 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi 2.1.3.1 Biểu diễn sự trực giao dưới dạng toán học ...................................................... 21 2.1.3.2 Trực giao trong miền tần số ........................................................................... 23 2.1.4 Biểu thức của tín hiệu OFDM ........................................................................... 24 2.1.5 Thu phát tín hiệu OFDM .................................................................................. 25 2.1.5.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel)........................................... 27 2.1.5.2 Điều chế sóng mang phụ ............................................................................... 28 2.1.5.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian............................................... 29 2.1.5.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) ..................................................... 30 2.1.5.5 Biểu diễn dưới dạng toán học ......................................................................... 31 2.1.6 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) ................................................................... 32 2.1.6.1 Chống lỗi do dịch thời gian ............................................................................ 33 2.1.6.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI) ................................................................ 33 2.1.6.3 Mào đầu và phân cách sóng mang .................................................................. 36 2.1.6.4 Biểu diễn dưới dạng toán học ......................................................................... 36 2.1.7 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM ......................................................... 40 2.1.7.1 Lọc thông dải................................................................................................. 41 2.1.7.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng.................................................................. 43 2.2 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ..................................................................... 43 2.2.1 Điều chế BPSK ................................................................................................ 44 2.2.2 Điều chế QPSK ................................................................................................ 45 2.2.3 Điều chế QAM ................................................................................................. 47 2.2.4 Mã Gray ........................................................................................................... 48 2.3 Các đặc tính của OFDM ...................................................................................... 50 2.3.1 Ưu điểm ........................................................................................................... 50 2.3.2 Nhược điểm ..................................................................................................... 51 2.4 Kênh vô tuyến trong mạng thông tin di động 4G .................................................. 51 2.4.1 Suy hao đường truyền và sự suy giảm tín hiệu (Path loss and Attenuation) ........ 51 2.4.2 Định nghĩa fading ............................................................................................. 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii 2.4.3 Hiện tượng Multipath ....................................................................................... 54 2.4.4 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền phẳng do trải trễ đa đường gây ra. .. 58 2.4.5 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm (fast fading & slow fading channel) do sự trải Dopler gây ra. ................................................................... 62 2.4.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean ................................................... 64 CHƢƠNG III: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ................................................................................................................ 67 3.1 Đánh giá chung về hiệu suất ................................................................................ 67 3.1.1 Quan điểm người dùng cuối về hiệu suất ........................................................... 68 3.1.2 Khía cạnh nhà khai thác .................................................................................... 70 3.2. Hiệu suất trên cơ sở tốc độ dữ liệu đỉnh và độ trễ ................................................ 70 3.3 Đánh giá hiệu suất của 4G ................................................................................... 72 3.3.1 Các mô hình và các giả thiết ............................................................................. 72 3.3.2 Tiêu chí đánh giá .............................................................................................. 76 3.3.3 Một số kết quả mô phỏng đánh giá hiệu suất 4G ............................................... 77 3.4 Kết luận .............................................................................................................. 80 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................. 81 A.Kết luận ................................................................................................................ 81 B.Hướng phát triển ................................................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động ........................................ 6 Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang................................................................. 19 Hình 2.2: Ghép kênh phân chia theo tần số ................................................................ 19 Hình 2.3: Tích phân các sóng sin có cùng tần số ........................................................ 21 Hình 2.4: Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM ............................... 22 Hình 2.5: Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con ........................................... 24 Hình 2.6 : Sơ đồ khối thu phát OFDM ....................................................................... 26 Hình 2.7: Cho ta thấy quan hệ giữa tốc độ symbol và tốc độ bít phụ thuộc vào số bít trong một symbol. ..................................................................................................... 27 Hình 2.8: Tạo tín hiệu OFDM giai đoạn IFFT............................................................ 29 Hình 2.9: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở .................................. 30 sử dụng kỹ thuật tương tự .......................................................................................... 30 Hình 2.10: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật số (DDS – Tổng hợp số trực tiếp) .................................................................................. 30 Hình 2.11: Bộ điều chế OFDM.................................................................................. 31 Hình 2.12: Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ .......................................................... 34 Hình 2.13 : Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu ............................................. 37 Hình 2.14 : Mô phỏng quá trình chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu ................ 37 Hình 2.15: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI ..................................... 38 Hình 2.16: Dạng sóng trong miền thời gian ............................................................... 40 Hình 2.18: Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con ..................................... 41 Hình 2.19: Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc.................................... 42 Hình 2.20: Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR ............................ 42 Hình 2.21: Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng ............................ 43 Hình 2.22: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK ........................................................... 45 Hình 2.23: Biểu đồ tín hiệu QPSK ............................................................................. 47 Hình 2.24: Chùm tín hiệu 16-QAM ........................................................................... 48 Hình 2.25: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM .......................... 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ix Hình 2.26: Hiệu ứng pha đinh ................................................................................... 52 Hình 2.27: (a) flat fading, (b) fading chọn lọc tần số, (c) với truyền dẫn OFDM thì dữ liệu được truyền trong nhiều sóng mang con, nên tại tần số bị fading thì chỉ một tập hợp dữ liệu nhỏ dữ liệu phát bị mất. .......................................................................... 53 Hình 2.28: Hiện tượng phản xạ .................................................................................. 55 Hình 2.29: Hiện tượng tán xạ .................................................................................... 55 Hình 2.30: Hiện tượng nhiễu xạ................................................................................. 55 Hình 2.31: Các hiện tượng xảy ra trong kênh truyền vô tuyến .................................... 56 Hình 2.32: Tín hiệu gốc và 2 thành phần Multipath.................................................... 57 Hình 2.33: Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian ............................. 57 Hình 2.34a: Đáp ứng tần số của kênh truyền chọn lọc tần số ...................................... 58 Hình 2.34b: Đáp ứng tần số của kênh truyền phẳng ................................................... 59 Hình 2.35: Tín hiệu tới phía thu theo L đường ........................................................... 59 Hình 2.36: Kênh truyền thay đổi theo thời gian .......................................................... 62 Hình 2.37: Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean ................................................. 65 Hình 3.1: Xác định tốc độ dữ liệu cho hiệu suất ......................................................... 69 Hình 3.2: Hiệu quả phổ tế bảo FDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R(đường xuống và đường lên). .................................................................... 77 Hình 3.3: Phân bố thông lượng người dùng chuẩn hóa FDD(đường xuống và đường lên) ........................................................................................................................... 78 Hình 3.4: Phân bố SINR FDD (đường xuống và đường lên)....................................... 78 Hình 3.5a: Hiệu quả phổ tế bào TDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R (đường xuống và đường lên).............................................................. 79 Hình 3.5b: Hiệu quả phổ tế bào TDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R (đường xuống và đường lên).............................................................. 79 Hình 3.6: Phân bố thông lượng người dùng chuẩn hóa TDD (đường xuống và đường lên) ........................................................................................................................... 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn x KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Thuật ngữ tiếng anh Nghĩa tiếng việt 1G One Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ nhất 2G Second Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ hai 3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ ba 4G Four Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ tư 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ thứ 3 AAA Adaptive Array Antenna Ăng ten dãy thích nghi AAA Aunthentication, Authorization & Accounting Chứng thực, ủy quyền và thanh toán Access Router Bộ định tuyến truy nhập ARQ Automatic Repeat reQuest Kỹ thuật yêu cầu lặp tự động ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế độ truyền dị bộ BS Base Station Trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã Cyclic Redundancy Code Mã vòng dư CN Core Network Mạng lõi CN Correspondent Node Nút trung gian CoA Care of Address Địa chỉ tạm thời CNR Carrier – to – Noise - Radio Tỷ số sóng mang trên tạp âm CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư vòng CTP Context Transfer Protocol Giao thức truyền ngữ cảnh DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp AR CDMA CRC DS-CDMA Direct Sequence - CDMA CDMA chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số E2R End – to – End Reconfigurability Khả năng cấu hình lại từ đầu cuối đến đầu cuối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xi EIRP Effective Isotropically Radiated Power Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu dụng EV-DO Evolution Data Optimized FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số FEC Forward Error Correct Mã sửa lỗi trước FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FH - OFDM Frequency Hopping Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDM nhảy tần Fast Mobile IPv6 IPv6 di động nhanh FM IPv6 FHM IPv6 Fast Handovers for Mobile IPv6 Chuyển giao nhanh cho IPv6 di động Global Postioning System Hệ thống định vị toàn cầu General Packet Radio System Hệ thống vô tuyến gói chung Home Agent Tác nhân nhà Hybrid Automatic Repeat reQuest ARQ (yêu cầu tự động lặp) lai Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú Hierarchial Mobile Internet Protocol Version 6 IPv6 di động cấp phó Home Address Địa chỉ thường trú High Speed Dowlink Packet Access Hệ thống truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HMI Human – Machine Interface Giao diện người máy IMT - 2000 International Mobile Telecommunication - 2000 Thông tin di động toàn cầu 2000 Internet Protocol Giao thức internet IPv6 Internet Protocol Version Giao thức internet phiên bản 6 ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế GPS GPRS HA HARQ HLR HMIPv6 HoA HSDPA IP MAC Medium Access Control Điều khiển thâm nhập môi trường MAP Mobility Anchor Point Điểm treo di động MIH Media Indepen Handover Chuyển giao độc lập phương tiện MN Mobile Node Nút di động MNN Mobile Network Node Nút mạng di động MNP Moblie Network Prefix Tiền tố mạng di động MR Mobile Router Bộ định tuyến di động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xii Mobile Station Trạm di động Mobility Service Center Trung tâm dịch vụ di động MIMO Multi Input – Multi Output Ăng ten nhiều kênh vào – nhiều kênh ra MC CDMA Multi Carrier CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang NEMO Network Mobility Tính di động mạng NGN Next Genartion Network Mạng di động thế hệ sau OSI Open Systems Interconnection Mô hình tương kết các hệ thống mở OFDM Orthononal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Orthononal Frequency Code Division Multiplexing Ghép kênh đa truy nhập phân chia theo mã tần số trực giao PAN Persional Access Network Mạng truy cập cá nhân PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PHS Persional Handyphone System Hệ thống điện thoại cá nhân PKI Public key Infrastructure Cơ sở hạ tầng khóa chung QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ Radio Access Network Application Part Phần ứng dụng mạng thâm nhập vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network Subsystem Hệ thống mạng con vô tuyến RO Router Optimzation Tối ưu hóa đường đi RR Return Routability Khả năng định tuyến đường về SDR Software Defined Radio Sóng vô tuyến định nghĩa mềm SINR Signal to Interference and Noise Power Tỷ số công suất tín hiệu nhiễu trên tạp Ratio âm MS MSC OFCDM RANAP SMS - SC SMS Service Center Trung tâm dịch vụ tin nhắn SMS SVD based Singunal Value Decompostion Based MIMO Multiple Input Mutilple Outut TCP Transmision Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TPC Transmision Power Control Điều khiển công suất truyền dẫn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, kỹ thuật vô tuyến đã có các bước phát triển vượt bậc.Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ video, thoại, các loại hình truyền số liệu, thiết bị di động ngày càng phát triển về nhu cầu truyền thông đa phương tiện ngày một cao hơn.Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra các giải pháp kế tiếp đáp ứng yêu cầu của hệ thống truyền thông đa phương tiện không dây. Trong bối cảnh đó, việc phát triển các hệ thống với nhiều dịch vụ tích hợp, băng thông lớn hơn, tiết kiệm phổ tần và có hiệu năng hệ thống cao là bài toán đang được đặt ra và không ngừng có những kết quả nghiên cứu cho những câu trả lời xác đáng hơn. Với sự phát triển của công nghệ điện thoại di động, chúng ta đã đi từ thế hệ di động thứ nhất đến nay, thế hệ di động thứ 3, thứ 4 đã phổ biến tại nhiều quốc gia trên thế giới với sự bùng nổ của Viễn thông và Công nghệ thông tin. Với những hệ thống có khả năng tích hợp cao như vậy, công nghệ truyền dẫn đơn sóng mang đang trở nên lỗi thời và không đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao về tốc độ cũng như chất lượng dịch vụ. Để đáp ứng được yếu tố này, cần thiết phải phát triển những hệ thống băng rộng, khả năng thích nghi cao với những điều kiện đường truyền đa dạng, đồng thời xác định phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Do đó một giải pháp hiệu quả đã được đưa ra đó là việc sử dụng kỹ thuật trải phổ và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao gọi tắt là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Điều chế đa sóng mang trực giao hay ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) vào thông tin vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn. OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục được nhược điểm về việc hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh được tối ưu hóa. Kỹ thuật OFDM được đưa vào sử dụng trong thực tế đã và đang đóng góp rất lớn vào sự phát triển bùng nổ của Công nghệ thông tin và Viễn thông tại Việt Nam.Đầu tiên có thể kể đến sự phát triển mạnh mẽ của ADSL từ đó đưa ra dịch vụ 2 internet tốc độ cao và giá cả hợp lý. Đặc biệt việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào các hệ thống mạng không dây như WLAN, WIMAX, hệ thống thôn tin di động 4G làm thay đổi cuộc sống của chúng ta về việc trao đổi thông tin… như vậy kỹ thuật OFDM là một sự lựa chọn đầy thuyết phục với nhiều khả năng tiềm tàng đã và đang được nghiên cứu sử dụng cho tầng vật lý mạng thông tin di động 4G. Với những lý do nêu trên, trong giới hạn của luận văn này tôi xin trình bày đề tài về: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng thông tin di động 4G” đã và đang được triển khai trên thế giới và cả ở Việt Nam. Về nội dung luận văn của em xin được chia làm 3 chương: Chương I: Tổng quan về hệ thống di động không dây. Chương II: Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao và kênh vô tuyến trong mạng thông tin di động 4G. Chương III: Đánh giá hiệu quả của hệ thống thông tin di động 4G. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Công cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các Thầy, Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc! Tác giả Nguyễn Văn Thắng 3 CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG KHÔNG DÂY 1.1.Lịch sử và phát triển của thông tin di động 1.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi những công nghệ cao kỹ thuật tiên tiến. Ý nghĩa về một sự liên lạc thức thời mà không nghĩ đến khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu nhất của nhân loại và giấc mơ đó đã và đang trở thành hiện thực.Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin được phát minh vào cuối thế kỷ 19. Kể từ đó đến nay nó trở thành một công nghệ được ứng dụng rộng rãi nhất và không thể thiếu trong đời sống nhu cầu hàng ngày của con người. Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải quả nhiều giai đoạn phát triển khác nhau. Từ thế hệ thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất (1G) đến hệ thống di động thông tin số thế hệ thứ hai (2G) , hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba (3G) đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống di động siêu băng rộng thế hệ thứ tư (4G) đã và đang được triển khai tại một số nước trên thế giới. Thông tin mà hệ thống thông tin di động thứ nhất, thứ hai truyền đi chủ yếu là thoại, còn thông tin được truyền đi trong hệ thống thông tin di động thứ ba, thứ tư là ngoài các dịch vụ của thế hệ thứ nhất và hai truyền thêm dữ liệu dịch vụ và đa phương tiện. Các hệ thống thông tin di động tế bào số hiện nay đang ở giai đoạn thế hệ thứ hai cộng (2,5G & 2,75G), thế hệ thứ ba và thế hệ thứ ba cộng (3,5G), tiếp đến là thế hệ thứ tư (4G – LTE). Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ và tiện ích của thông tin di động mang lại ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20 người ta đã tiến hành nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. Liên hiệp Viễn thông Quốc tế bộ phận Vô tuyến (ITU-R) đã thực hiện tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở Châu Âu, Viện tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thực hiện tiêu chuẩn hóa phiên bản của hệ thống này với tên gọi tắt là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu). Hệ thống di động này mới làm việc ở dải tần 2GHz và cung cấp nhiều loại 4 dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại, truyền số liệu tốc độ thấp. Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên tới 2Mbps. Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ tốc độ 14,4Kbps sẽ đảm bảo cho thông tin di động thông thường ở các ô macro. Người ta cũng đang và đã nghiên cứu và phát triển hệ thống thông tin di động thứ tư có tốc độc cho người dùng khoảng 2Gbps. Ở hệ thống di động băng rộng (MBS) thì các sóng mang được sử dụng ở các bước sóng mm, độ rộng băng tần là 64MHz và tốc độ truyền dẫn của người sử dụng khoảng 100Mbps. Hiện nay, tại hầu hết các quốc gia trên thế giới đã triển khai hệ thống thông tin di động 3G. Tuy nhiên, theo số liệu thống kê của Hiệp hội GSA, tính đến 21/7/2015, LTE đã được 638 nhà mạng cam kết triển khai tại 176 quốc gia. Ngoài ra còn có 39 nhà mạng đang triển khai các công việc tiền cam kết, thử nghiệm tại 5 quốc gia khác.Tính tổng lại thì LTE đã được 677 nhà mạng quan tâm, đầu tư tại 181 quốc gia. Về số mạng thương mại, từ chỉ có 2 mạng thương mại tại Thụy Điển và Na Uy vào năm 2009 đến nay LTE đã có 422 mạng thương mại tại 143 quốc gia. Con số này được dự báo sẽ tăng lên thành ít nhất là 460 mạng vào cuối năm nay và 600 mạng vào năm 2019. Bắc Mỹ (Mỹ và Canada) tiếp tục dẫn đầu thế giới về ứng dụng LTE với 68 mạng thương mại và 198 triệu thuê bao, chiếm 47,5% thuê bao di động của khu vực này và chiếm 26% trong tổng số 755 triệu thuê bao LTE toàn cầu. Trong khi đó, với lợi thế về dân số đông, khu vực Đông Á, Đông Nam Á và châu Đại Dương chiếm tới 51% thuê bao LTE toàn cầu với 385 triệu. Phần lớn thuê bao đến từ các thị trường di động phát triển như Hàn Quốc, Nhật Bản và cả thị trường đang phát triển. Tại Việt Nam với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc nói chung và những năm gần đây thông tin di động ra đời và phát triển như một xu thế tất yếu khách quan nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao trong thời kỳ đổi mới của đất nước. Vào thời kỳ ban đầu, xuất hiện một số nhà mạng như mạng nhắn tin ABC, mạng nhắn tin toàn quốc … chỉ mang tính chất thử nghiệm cho công nghệ thông tin di động ở Việt Nam. Sau đó, tại thời điểm tháng 03/1993 mạng điện thoại di động MobileFone sử dụng kỹ thuật số GMS đã được triển khai và chính thức đưa vào hoạt động ở Việt Nam với thiết bị của hãng ALCATEL.Tháng 06/1996, mang Vinaphone ra đời và cùng tồn tại song song với VMS.Năm 2003, mạng S-Phone sử 5 dụng công nghệ CDMA của Saigon Postel đưa vào khai thác.Đến năm 2004, mạng GMS của Viettel cũng chính thức đưa vào hoạt động.Và đến năm 2007 EVN Telecom, Hà Nội Telecom cũng đưa vào khai thác mạng di động thế hệ thứ ba.Dự kiến đến quý IV/2015 các nhà mạng Viettel, Vinaphone và Mobilephone cũng đồng loạt triển khai mạng di động thế hệ thứ 4 trên các thành phố lớn của cả nước. 1.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động Thời kỳ đầu, khi mới triển khai hệ thống thông tin di động thứ nhất mới chỉ cung cấp cho người dùng sử dụng dịch vụ thoại nhưng do nhu cầu về truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác hạ tầng mạng viễn thông hiện có. Từ đó các nhà khai thác, cung cấp dịch vụ đã nghiên cứu và triển khai các hệ thống di động thứ hai, hai cộng (2G, 2,75G) để cung cấp dịch vụ truyền số liệu cao hơn. Cùng với internet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong những hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nối người dùng với cơ quan hay gia đình của họ.Ngoài ra, tiềm năng to lớn đối với công nghệ mới là cung cấp trực tiếp các thông tin khác cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi mới cho các nhà khai thác viễn thông. Do đó, để đáp ứng được các dịch vụ truyền thống và các dịch vụ mới như hình ảnh, video, truyền thông máy tính đồng thời đảm bảo tính kinh tế hiệu quả thì hệ thống thông tin di động thứ hai (GSM, PDC, IS-136, và CDMAONE) đã chuyển sang hệ thống thông tin di động thứ ba. Khi mà nhu cầu về truyền số liệu đa phương tiện tăng cao nhanh chóng, mà tốc độ hiện tại của hệ thống di động thứ ba không đáp ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu, phát triển và chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thứ tư. Lộ trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ tư được thể hiện qua hình 1.1 sau đây. 6 Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động Trong đó: - TACS (Total Access Comimunication System): Hệ thống thông tin truy nhập tổng thể. - NMT900 (Noric Mobile Phone 900): Hệ thống di động Bắc Âu băng tần 900MHz. - AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động. - SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng. - GSM(900) (Global System for Mobile): Hệ thống thông tin di động toàn cầu băng tần 900MHz. - GSM(1800): Hệ thống GSM băng tần 1800MHz. - GSM(1900): Hệ thống GSM băng tần 1900MHz. - IS -136 (Interim Standard – 136): Tiêu chuẩn di động TDMA cải tiến do AT&T sản xuất. - IS – 95 (CDMA) (Interim Standard – 95 CDMA): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA cải tiến của Mỹ (do Qualcom đề xuất). - GPRS (Genneral Paket Radio System): Hệ thống vô tuyến gói chung. 7 - EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM. - Cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1. - WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng. - Cdma200 Mx: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 2. - HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống di động truy nhập gói tốc độ cao. Hệ thống HSPA được chia thành 3 cộng nghệ sau: +) HSDPA (High Speed Dowlink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói đường xuống tốc độ cao. +) HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói đường lên tốc độ cao. +) HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy nhập gói OFDM tốc độ cao. - Pre – 4G: Các hệ thống tiền 4G, gồm có Wimax và Wibro (Mobile Wimax). - Wimax: Worldwide Interoperability for Microwave Access. - Wibromax (Wireless Broadband System): Hệ thống băng rộng không dây. 1.1.3 Tổng kết các hệ thống thông tin di động Bảng 1.1 Trình bày một số nét chính của các công nghệ thông tin di động từ 1G đến 4G. Bảng 1.1 Tổng kết các hệ thống thông tin di động Thế hệ thông tin di động Thế hệ thứ nhất 1G Thế hệ thứ hai 2G Thế hệ thứ 2 + (2,5G; 2,75G) Hệ thống AMPS, TACS, NMT Dịch vụ chung Thoại Chú thích FDMA, tương tự Chủ yếu thoại kết TDMA, CDMA công GSM, IS-136, IS-95 hợp với dịch vụ bản nghệ, số băng hẹp (8-13 tin ngắn Kbps) GPRS, EDGE, cdma2000 1x TDMA (kết hợp nhiều Chủ yếu vẫn là khe thời gian hoặc tần thoại, dịch vụ số số) hoặc CDMA, sử liệu gói tốc độ thấp dụng phổ chồng lên phổ và trung bình tần của hệ thống 2G, 8 tăng cường truyền số liệu gói. Tốc độ tối đa đạt 144Kbps. CDMA, Thế hệ 3 (3G) CDMA/TDMA, băng rộng, riêng cdma2000 cdma2000 1x EV Truyền dẫn thoại và x1 EV sử dụng phổ DO/DV, cdma2000, dịch vụ số liệu đa chồng lên phổ của hệ WCDMA phương tiện thống 2G. Tốc độ tối đa đường xuống là 2Mbps đường lên là 384Kbps. Phát triển từ 3G, Thế hệ 3+ (3,5G) HSDPA HSUPA HSOPA CDMA/HS-DSCH. HSPDA cho tốc độ tối Tích hợp thoại, dịch đa đường xuống vụ số liệu và đa 14,4Mbps, HSUPA có phương tiện tốc độ tốc độ đường lên là cao. 5,7Mbps, HSOPA cho tốc độ Downlink/Uplink 200Mbps/100Mbps. OFMA, MC/DS- Thế hệ 4 (4G) 4G, LTE Truyền dẫn thoại, số liệu, đa phương tiện với tốc độ cực cao. CDMA, tốc độ tối đa ở môi trường trong nhà là 5Gbps,100Mbps môi trường ngoài trời trên đối tượng chuyển động nhanh 250Km/h. 1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống di động 4G 4G là hệ thống thông tin di động băng rộng được xem như lIMT tiên tiến (IMT Advanced) định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu được đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đếm 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại trên nền IP, truy cập internet băng rộng, dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện… 9 3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cẩu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50 Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz, và sẽ hơn thế nữa nếu MIMO, anten mảng được sử dụng. LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô là Stockholm và Oslo vào ngày 14/02/2009.Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access) và bây giờ có tên là E-UTRA (Evoled UMTS Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy hầu hết các hãng viễn thông hàng đầu trên thế giới: Alcatel – Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Network, Huawei, LG Electronics, Sam Sung … đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom – Orange, NTT DoCoMo, T – Mobile, China Mobile, ZTE ..) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt được những thành công đáng kể. LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT Avanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên. Di động WiMax (IEEE 802.16E-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ đỉnh đường xuống là 128Mbps, và 56Mbps cho đường lên với độ băng thông rộng lớn hơn 20MHz. UMB (Utra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel – Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA. UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho luồng xuống và 75Mbps cho đường lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz. Qualcom là hãng đi đầu trong nỗ lực việc phát triển UMB, mặc dù hãng này đồng thời cũng phát triển cả cộng nghệ LTE. 1.2.1 Mục tiêu và cách tiếp cận 4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện, chat Video, TV di động mà còn có các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và kết nối với các hệ thống quảng bá Video số.  Các mục tiêu mà 4G hướng đến:  Băng thông linh hoạt giữa từ 5MHz đên 20MHz, có thể lên đến 40MHz.
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan