MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CƠ BẢN ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG DI ĐỘNG LTE VÀ QUÁ TRÌNH TRIỂN KHAI TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

1 CHƯƠNG I YÊU CẦU RA ĐỜI MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TỐC ĐỘ CAO, BĂNG THÔNG RỘNG 1.1 Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất số ..... Sự ra đời của hệ thống di động

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Nhiệm vụ luận văn

Mục lục

Tóm tắt luận văn

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ

Danh mục các bảng

Lời mở đầu 1

CHƯƠNG I YÊU CẦU RA ĐỜI MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TỐC ĐỘ CAO, BĂNG THÔNG RỘNG 1.1 Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất số 3

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) 3

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 3

1.1.3 Hệ thống thông tin di động 2.75G 4

1.1.4 Hệ thống thông tin di động 3G 5

1.1.5 Lộ trình phát triển lên 4G của IMT-ADVANCED 6

1.1.5.1 Các nghiên cứu và lộ trình phát triển của công nghệ 4G 6

1.1.5.2 Định hướng và tương lai của 4G 8

1.2 Đặc điểm và quá trình ứng dụng của 1 số hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng khác 9

1.2.1 WI-FI 9

1.2.2 WIMAX 12

1.3 Sự lựa chọn hệ thống thông tin di động băng rộng tốc độ cao tại Việt

Nam 14

1.4 Kết luận chương 16

CHƯƠNG II MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG LTE 17

2.1 Các tham số cơ bản trong LTE 17

2.2 Một số giải pháp kỹ thuật cơ bản áp dụng trong hệ thống LTE 18

2.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA 18

2.2.1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM 18

2.2.1.2 Ưu nhược điểm của OFDM 21

2.2.1.3 Mã hóa kênh và phân tập tần số trong truyền dẫn OFDM 22

2.2.1.4 Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập 24

2.2.2 Kỹ thuật truy nhập cho đường lên SC-FDMA 26

2.2.3 Thích nghi đường truyền: điều khiển công suất và tốc độ 30

2.2.3.1 Điều khiển công suất 30

2.2.3.2 Điều khiển tốc độ 31

2.2.4 Lập lịch trong LTE 33

2.2.4.1 Lập lịch đường xuống 33

2.2.4.2 Lập lịch đường lên 37

2.2.5 Kỹ thuật đa anten MIMO 39

2.2.5.1 Đa anten thu 40

2.2.5.2 Đa anten phát 41

2.3 Kết luận chương 47

CHƯƠNG III LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI MẠNG 4G TẠI VIỆT NAM 3.1 Kiến trúc mạng LTE 48

3.1.1 Thiết bị người dùng (UE) 49

3.1.2 E-UTRAN Node B (eNodeB) 50

3.1.3 Mạng lõi 51

3.2 Giao diện mạng E-UTRAN 53

3.2.1 Giao diện S1 53

3.2.1.1 Cấu trúc giao thức trên S1 54

3.2.2 Giao diện X2 56

3.2.2.1 Cấu trúc giao thức trên X2 56

3.3 Ứng dụng triển khai LTE trong mạng Viettel 57

3.3.1 Thiết kế mạng LTE 57

3.3.1.1 Tiêu chuẩn về công nghệ 57

3.3.1.2 Lưu lượng tối đa phục vụ của một trạm phát sóng 58

3.3.1.3 Công suất phát và bán kính phủ sóng của một trạm phu phát sóng 58

3.3.1.4 Cấu trúc và tổ chức mạng Viễn thông 59

3.3.1.5 Phương pháp và cách tính để triển khai mạng liên quan đến dung lượng và bán kính phủ sóng 60

3.3.1.6 Kết quả mô phỏng và thiết kế trạm 61

3.3.1.7 Tốc độ và mức cường độ tín hiệu thu được 70

3.3.1.8 Vùng phủ thực tế và các KPI đo kiểm 71

3.3.2 Hiệu quả sử dụng băng tần 73

3.3.2.1 Phân chia kênh 73

3.3.2.2 Mặt nạ phát xạ sử dụng trong triển khai thử nghiệm 74

3.3.2.3 Hiệu quả sử dụng tần số 74

3.4 Kết nối, giao diện và chia sẻ hạ tầng với các mạng viễn thông 75

3.4.1 Các giao diện 75

3.4.2 Chia sẻ hạ tầng với các mạng viễn thông 78

3.5 Chất lượng dịch vụ 78

3.5.1 Khả năng phục vụ, lưu lượng, tốc độ tải lên/xuống cố định, di động,

chất lượng dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện 78

3.5.1.1 Lưu lượng phục vụ tối đa của một trạm gốc 78

3.5.1.2 Lưu lượng trung bình của một trạm gốc 79

3.5.1.3 Tốc độ tải lên, tải xuống cố định 79

3.5.1.4 Tốc độ tải lên, tải xuống di động 80

3.5.1.5 Chất lượng dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện 80

3.5.2 Tốc độ thấp nhất, cao nhất đối với dịch vụ vô tuyến di động băng rộng theo đường lên và đường xuống 80

3.5.3 Tỷ lệ thiết lập dịch vụ thành công, độ trễ truyền data, độ trễ thiết lập dịch vụ, độ trễ chuyển giao 81

3.5.3.1 Tỷ lệ thiết lập dịch vụ thành công 81

3.5.3.2 Độ trễ truyền data 82

3.5.3.3 Độ trễ thiết lập dịch vụ 82

3.5.3.4 Độ trễ chuyển giao 82

3.5.4 Các dịch vụ thử nghiệm 83

3.5.4.1 Các dịch vụ cung cấp cho khách hàng thử nghiệm 83

3.5.4.2 Các dịch vụ giới thiệu khi họp báo 83

3.6 Khả năng giám sát và bảo mật thông tin 83

3.6.1 Khả năng giám sát 83

3.6.2 Bảo mật thông tin 84

3.7 Kết luận chương 84

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ

thứ ba 3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Đề án các đối tác thế hệ

thứ ba-2 AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích

nghi

ARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự động AWGN Additive Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha nhị

phân

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CDD Cyclic – Delay Diversity Phân tập trễ vòng

CDM Code-Division Multiplexing Ghép phân chia theo mã CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo mã CEPT European Conference of Postal and

Telecommunications Administraition

Hội nghị quản lý bưu chính viễn thông Châu Âu

CQI Channel-Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CQICH Channel Quality Indication

Channel (for WiMAX)

Kênh chỉ thị chất lượng (cho WiMAX) CSSR Call Setup Success Rate Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi

thành công

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DFTS-

EDGE Enhanced Data rates for GSM

Evolution and Enhanced Data rates

for Global Evolution

Dữ liệu tăng cường cho

sự tiến hóa GSM

EV-DO Evolution-Data Optimized

(of CDMA2000 1x)

Chỉ tiến hóa dữ liệu

EV-DV Evolution-Data and Voice

(of CDMA 1x)

Tiến hóa cả thoại và dữ

liệu FCC Federal Communications

Commission

Ủy ban viễn thông liên

bang FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số FDM Frequency-Division Multiplex Ghép theo tần số FDMA Frequency-Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tại máy thu

FTTH Fiber To The Home Mạng cáp quang tới tận

nhà thuê bao FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cửa ngõ GPRS

HOSR Hand Over Success Rate Tỷ lệ chuyển giao thành

công HSDPA High-Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường

xuống tốc độ cao HSPA High-Speed Packet Acess Truy nhập gói tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao nhà HSUPA High-Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên

thức Internet

Ipv6 IP version 6 IP phiên bản 6 ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trường MIMO Multiple-Input Multiple-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu

ra MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung

bình cực tiểu MME Mobile Management Entity Phần tử quản lý di động MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại

NMT Nordisk MobilTelefon (Nordic

Multiplexing

Ghép phân chia theo tần

số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency-Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PAPR Peak-to-Average Power Ration Tỷ số công suất đỉnh –

trung bình

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu

tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô

tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô

tuyến RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô

tuyến SAE System Architecture Evolution Sự tiến hóa kiến trúc hệ

thống

SCTP Stream Control Transmission

Protocol

Giao thức điều khiển kênh truyền SDMA Spatial Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia

không gian SFTD Space-Frequency Time Diversity Phân tập thời gian-không

gian-tần số SFBC Space – Frequency Block Coding Mã khối không gian tần

số

STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời

gian STTD Space Time Transmit Diversity Phân tập phát không gian

thời gian SON Self-Optimising Network Mạng tự tối ƣu hóa SINR Signal-to-Interference-and-Noise

theo thời gian

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động vạn năng

UTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt

đất vạn năng

WCDMA Wideband Code Division Multiple

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động 4G 8

Hình 1.2 Cấu hình một mạng WLAN điển hình 11

Hình 2.1 Phổ của tín hiệu OFDM 18

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 19

Hình 2.3 Truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng và truyền dẫn OFDM trên

kênh chọn lọc tần số 22

Hình 2.4 Mã hóa kênh kết hợp với đan xen tần số để cung cấp phân tập tần số cho truyền dẫn OFDM 23

Hình 2.5 OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập 24

Hình 2.6 Ghép kênh người sử dụng / OFDM phân bố 25

Hình 2.7 Điều khiển định thời phát đường lên 25

Hình 2.8 SC-FDMA trên cơ sở DFTS-OFDM 28

Hình 2.9 Ví dụ minh họa sự khác nhau trong việc truyền các symbol số liệu theo thời gian đối với OFDMA và SC-FDMA 28

Hình 2.10 Các phương pháp ấn định sóng mang con cho nhiều người sử dụng 30

Hình 2.11 Thích nghi đường truyền bằng điều khiển công suất 31

Hình 2.12 Thích nghi đường truyền bằng điều khiển tốc độ 32

Hình 2.13 Lập lịch phụ thuộc kênh 35

Hình 2.14 Ví dụ của 3 cách lập lịch khác nhau cho 2 người dùng với chất

lượng kênh trung bình khác nhau 37

Hình 2.15 Kết hợp anten tuyến tính 40

Hình 2.16 Kết hợp anten tuyến tính 41

Hình 2.17 Phân tập trễ 2 anten 42

Hình 2.18 Phân tập trễ vòng (CDD) 2 anten 43

Hình 2.19 Phân tập phát không gian-thời gian (STTD) trong WCDMA 44

Hình 2.20 Phân tập phát không gian-tần số với 2 anten phát 45

Hình 2.21 Tạo búp sóng cổ điển với tương quan lẫn nhau cao giữa các anten 46

Hình 2.22 Tạo búp sóng dựa trên mã trước trong trường hợp tương quan thấp giữa các anten 46

Hình 3.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN [8] 48

Hình 3.2 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính 51 Hình 3.3 Tổng quan mạng lõi SAE 52

Hình 3.4 Ngăn xếp giao thức lớp điều khiển S1-MME 55

Hình 3.5 Ngăn xếp giao thức lớp người dùng 56

Hình 3.6 Ngăn xếp giao thức báo hiệu kênh mang X2 56

Hình 3.7 Lớp mạng cho dòng dữ liệu trên X2 56

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối mạng thử nghiệm LTE ở Viettel 59

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng vùng phủ tại thành phố HCM 62

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng vùng phủ tại thành phố Hà Nội 66

Hình 3.11 Tốc độ và mức cường độ tín hiệu thu được 70

Hình 3.12 Vùng phủ thực tế tại Hà Nội 71

Hình 3.13 Vùng phủ thực tế tại Hồ Chí Minh 72

Hình 3.14 Kết nối giao diện X2 75

Hình 3.15 Kết nối giao diện SGi 76

Hình 3.16 Kết nối giao diện S1-U và S1-MME 76

Hình 3.17 Kết nối giao diện S6a 77 Hình 3.18 Kết nối giao diện S11 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Lưu lượng phục vụ tối đa của một trạm phát sóng LTE 58

Bảng 3.2 Công suất phát và bán kính phủ sóng của trạm LTE 58

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu KPI đo kiểm 73

Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật trạm BTS thử nghiệm 73

Bảng 3.5 Giới hạn phát xạ ngoài dải tối đa 74

Bảng 3.6 Lưu lượng phục vụ tối đa của một trạm gốc tại HCM 78

Bảng 3.7 Lưu lượng phục vụ tối đa của một trạm gốc tại Hà Nội 78

Bảng 3.8 Lưu lượng trung bình của một trạm gốc tại HCM 79

Bảng 3.9 Lưu lượng trung bình của một trạm gốc tại Hà Nội 79

Bảng 3.10 Tốc độ tải lên, tải xuống cố định 79

Bảng 3.11 Tốc độ tải lên, tải xuống di động 80

Bảng 3.12 Tỷ lệ thiết lập dịch vụ thành công đo kiểm 81

Bảng 3.13 Tỷ lệ thiết lập dịch vụ thành công & tỷ lệ chuyển giao thành công .81

Bảng 3.14 Độ trễ truyền dữ liệu 82

Bảng 3.15 Độ trễ thiết lập dịch vụ 82

Bảng 3.16 Độ trễ chuyển giao 82

Hệ thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình

đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng

Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term Evolution) Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ khả năng tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần Trong tương lai không xa với LTE, người sử dụng có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HD, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải

cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc” Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G) Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo

ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay

2

Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi đã lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp

của mình: “Một số giải pháp kỹ thuật cơ bản áp dụng cho hệ thống di

động LTE và quá trình triển khai tại Việt Nam” Luận văn đi vào tìm hiểu

tổng quan về công nghệ LTE cũng như những giải pháp kỹ thuật và các thành phần được sử dụng trong công nghệ này để làm sáng tỏ thêm những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này sẽ mang lại và ứng dụng triển khai công nghệ này tại Việt Nam

Luận văn được chia làm 3 chương bao gồm:

Chương I Yêu cầu ra đời mạng thông tin vô tuyến tốc độc cao,

3

CHƯƠNG I YÊU CẦU RA ĐỜI MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TỐC ĐỘ CAO,

BĂNG THÔNG RỘNG 1.1 Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất số

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G)

Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:

 Phương thức truy nhập: FDMA

 Dịch vụ đơn thuần là thoại

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Hệ thống mạng 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số (digital circuit-switched) Kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn 1G với các đặc điểm sau:

5

1.1.4 Hệ thống thông tin di động 3G

Đây là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh…) 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn khác

so với hệ thống 2G hiện nay Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau

Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, dung lượng của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD), CDMA2000 và TD-SCDMA:

- UMTS sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA, hệ thống này được chuẩn hoá bởi 3GPP UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps) Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề nghị Khi

cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA HSPA được biết đến như là công nghệ 3,5G

- CDMA2000: bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology), CDMA2000 (Evolution - Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV(Evolution - Data and Voice) CDMA2000 được chuẩn hoá bởi 3GPP2 CDMA2000 là công nghệ 3G được lựa chọn bởi các nhà cung cấp mạng CdmaOne

6

- TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China Communications Standards Association" và được ITU duyệt vào năm 1999 Đây là chuẩn 3G của Trung Quốc TD-SCDMA dùng song công TDD TD-SCDMA có thể hoạt động trên một dải tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps) Ngày xuất hành của TD-SCDMA đã bị đẩy lùi nhiều lần Nhiều thử nghiệm về công nghệ này đã diễn ra từ đầu năm 2004 cũng như trong thế vận hội Olympic gần đây

1.1.5 Lộ trình phát triển lên 4G của IMT-ADVANCED

1.1.5.1 Các nghiên cứu và lộ trình phát triển của công nghệ 4G

ITU-R WP8F tuyên bố rằng cần có các công nghệ vô tuyến di động mới

để đáp ứng các khả năng cao hơn IMT-2000, tuy nhiên, vẫn chưa chỉ rõ đó là công nghệ nào Thuật ngữ IMT-Adv cũng sẽ có các bước phát triển giống như IMT-2000 và sẽ có các khả năng của các hệ thống trước đó Quá trình định nghĩa IMT-Adv còn đang được khởi thảo trong WP8F và sẽ hoàn toàn giống như quá trình nghiên cứu các khuyến nghị cho IMT-2000 Nó sẽ dựa trên tập các yêu cầu kĩ thuật tối thiểu và các tiêu chí đánh giá được thông qua bởi tất

cả các thành viên ITU và các tổ chức khác Các công nghệ được đề cử sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí đã thoả thuận Việc đánh giá sẽ được tiến hành cùng với sự cộng tác của các tổ chức bên ngoài ITU như các tổ chức nghiên cứu tiêu chuẩn Vì quá trình này cần sự đồng thuận nên một số công nghệ có thể áp dụng cho IMT-Adv không thể xác định trước Nó phải là sự cân đối giữa: tính kinh tế khi mở rộng, hỗ trợ các môi trường của người sử dụng khác nhau và khả năng của các công nghệ khác nhau Ngoài ra khả năng

sử dụng máy đầu cuối trên toàn cầu cũng sẽ là một tiêu chí quan trọng

Trong giới nghiên cứu, một số đề án đang được tiến hành trong

IMT-2000 Avd và thế hệ sau của truy nhập vô tuyến Chẳng hạn đề án Winner

7

được hỗ trợ một phần kinh tế từ liên minh châu Âu là đề án dành cho nghiên cứu về vấn đề này Khái niệm của Winner có rất nhiều các phần tử gần giống với LTE Tuy nhiên Winner đặt mục tiêu cho tốc độ số liệu cao hơn và vì thế được thiết kế cho băng thông rộng hơn 20 MHz Một điểm khác nữa là Winner sẽ sử dụng các chế độ chuyển tiếp và đa chặng

Một đề án khác giống như đề án của châu Âu nói trên là đề án “Tương lai” của Trung Quốc tập trung đến việc đề xuất giao diện vô tuyến cho IMT-Adv Tuy nhiên lựa chọn các đề xuất cuối cùng cho IMT-Adv sẽ là các tổ chức phát triển tiêu chuẩn như : ETSI, ARIB, CWTS,… Cơ quan tiêu chuẩn toàn cầu như 3GPP tất nhiên sẽ có vai trò quan trọng trong vấn đề hài hoà các

đề xuất từ các tổ chức tiêu chuẩn cũng như từ các vùng khác nhau

Mặc dù 3GPP hiện nay chưa tiến hành nghiên cứu trực tiếp IMT-2000 Adv, tuy nhiên 3GPP cũng sẽ có đề xuất lên ITU-R IEEE 802.16 (Wimax) cũng đang hoàn thiện khái niệm của mình và hướng đến đề xuất cho IMT-Adv trong 802.16m Tương tự 3GPP2 cũng đang tiến tới đề xuất cho IMT-Adv

LTE là một trong các con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT Adv LTE cho phép chuyển đổi dần

từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu của 4G sau đó sang IMT Adv Chuyển đổi dần từ LTE sang IMT Adv là chìa khoá của thành công trên thị trường Ngoài LTE của 3GPP ta cũng cần nghiên cứu các hướng chuyển đổi khác sang 4G 3GPP2 cũng đã và đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đề xuất là UMB (Ultra Mobile Band) Ngoài ra Wimax cũng

có kế hoạch tiến tới 4G Một lộ trình tiến tới mạng 4G của các công nghệ được thể hiện như trong hình 1.1

8

1.1.5.2 Định hướng và tương lai của 4G

Cho đến nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông qua Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G Các sở cứ quan trọng để ITU thông qua cho chuẩn 4G chính là từ hỗ trợ của các hãng di động toàn cầu; các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt là sự xuất hiện của các công nghệ mạng di động tế bào tiền 4G (LTE, UMB và Wimax II) Chúng sẽ là các công nghệ quan trọng giúp ITU xây dựng các chuẩn 4G trong thời gian tới

Theo dự đoán của các nhà phân tích, các công nghệ như EV-DO và HSPA sẽ không còn đủ mạnh vào những năm 2011-2012 Theo họ, rất nhiều thiết bị đầu cuối sử dụng các công nghệ 3G hay 3,5G đều có bộ vi xử lý không thực sự phù hợp cho các ứng dụng đa phương tiện, mặc dù tính năng này mạng đã hỗ trợ Vì thế mà các thiết bị đầu cuối sẽ phải cải tiến trước khi người dùng nghĩ đến chi phí mà họ phải trả cho các thiết bị đầu cuối để sử Hình 1.1 Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động 4G [4,5,6]

9

dụng các dịch vụ tốc độ cao đã tương xứng hay chưa Hiện tại, các nhà đầu tư

có thể mở rộng khả năng cho mạng 3G bằng cách nâng cấp lên 3,5G, điều đó đồng nghĩa với việc ứng dụng 4G sẽ bị chậm lại

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

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

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

1.2 Đặc điểm và quá trình ứng dụng của 1 số hệ thống thông tin vô

tuyến băng rộng khác

1.2.1 WI-FI

Wi-Fi là tên công nghệ truy cập băng rộng không dây theo chuẩn 802.11 (WLAN) của IEEE Được phát triển với mục đích ban đầu là một sản phẩm phục vụ gia đình và văn phòng để kết nối các máy tính cá nhân mà không cần dây, Wi-Fi cho phép trao đổi dữ liệu qua làn sóng vô tuyến với một tốc độ rất

10

nhanh Các hãng viễn thông cung cấp dịch vụ đã tận dụng cơ hội này để cung cấp đường truy nhập Internet băng thông rộng ngày càng nhiều ở các địa điểm công cộng như sân bay, các cửa hàng cafe, nhà ga, các trung tâm thương mại…

Sự nổi lên của công nghệ LAN vô tuyến mang lại rất nhiều ưu điểm cho người dùng như tính di động, tính linh hoạt trong việc thực hiện triển khai lắp đặt và mở rộng nâng cấp mạng Tính linh hoạt được thể hiện khi một máy tính người dùng di chuyển từ một ví trí này sang một vị trí khác trong môi trường mạng LAN mà không bị mất kết nối Một ưu điểm nổi trội của Wi-Fi nữa đó

là tính linh hoạt trong cấu hình hay khi thêm một nút vào mạng mà không phải đầu tư thiết kế và chi phí đấu nối lại cáp vì thế mà việc nâng cấp mạng trong tương lai sẽ dễ dàng và không mấy tốn kém

Trong những năm gần đây các thiết bị viễn thông di động sử dụng công nghệ cao như máy tính xách tay, điện thoại di động, máy tính bảng… ngày càng phát triển và được sử dụng rộng rãi Nhu cầu truyền thông một cách dễ dàng và tự phát giữa các thiết bị đã thúc đẩy mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Networks – WLAN ) tiếp tục phát triển và được sử dụng rộng rãi

Một mạng LAN vô tuyến (WLAN) là một hệ thống truyền thông dữ liệu linh hoạt được thực hiện như một sự mở rộng hay sự thay đổi của mạng LAN hữu tuyến Mạng LAN vô tuyến là mạng dữ liệu, có thể thay thế hoặc mở rộng mạng cáp đồng, sử dụng công nghệ tần số vô tuyến RF hay hồng ngoại

để truyền và nhận số liệu thông qua không gian, tối thiểu hoá nhu cầu kết nối hữu tuyến WLAN cung cấp tất cả các chức năng và ưu điểm của một mạng LAN truyền thống như Ethernet hay Ring mà không bị giới hạn bởi cáp Vì vậy, WLAN kết hợp được việc kết nối truyền số liệu với tính di động của người sử dụng

11

Một cấu hình WLAN điển hình được trình bày trong hình 1.2 Thiết bị thu/phát được gọi là các điểm truy nhập Access Point (AP) nối tới mạng hữu tuyến từ một điểm cố định Điểm truy nhập nhận, lưu tạm thời và phát nối các gói giữa các nút mạng WLAN và LAN hữu tuyến Một AP duy nhất có thể hỗ trợ một nhóm nhỏ các nút di động trong vòng vài trăm mét Ăng ten nối với

AP thường được cắm cao nhưng cũng có thể đặt bất kỳ chỗ nào sao cho vùng phủ sóng càng lớn càng tốt

Trong khi chi phí cho việc triển khai mạng LAN truyền thống chủ yếu là

ở các thiết bị kết nối mà đôi khi chi phí này vượt quá chi phí phần cứng và phần mềm của máy tính thì việc triển khai WLAN loại bỏ được các chi phí nhân công và thiết bị dây cáp Đồng thời, WLAN cũng linh hoạt hơn trong xây dựng lại cấu hình hoặc mở rộng các nút mạng, do đó chi phí cho tương lai

sẽ không nhiều và dễ dàng triển khai hơn Sự phát triển ngày càng tăng nhanh của các máy tính xách tay nhỏ gọn hơn, hiện đại hơn và rẻ hơn đã thúc đẩy sự tăng trưởng rất lớn trong công nghiệp WLAN trong những năm gần đây Ứng dụng lớn nhất của WLAN là việc áp dụng WLAN như một giải pháp tối ưu cho việc sử dụng Internet Mạng WLAN được coi như một hệ mạng truyền số liệu mới cho tốc độ cao được hình thành từ hoạt động tương

hỗ của cả mạng hữu tuyến hiện có và mạng vô tuyến Mục tiêu của việc triển

Hình 1.2 Cấu hình một mạng WLAN điển hình [8]

12

khai mạng WLAN cho việc sử dụng Internet là để cung cấp các dịch vụ số liệu vô tuyến tốc độ cao và tạo nên sự hình thành của “mạng toàn IP”

Hiện nay có nhiều tiêu chuẩn cho WLAN của các tổ chức khác nhau Hai

tổ chức tiêu chuẩn lớn nhất như IEEE và ETSI liên tục đưa ra các phiên bản chuẩn cho WLAN Hai tiêu chuẩn phát triển nhất hiện nay là IEEE 802.11x

và ETSI HiperLAN Type 1,2 Việc cạnh tranh giữa các tiêu chuẩn này tạo ra

sự khó khăn trong việc lựa chọn giải pháp cho mạng truyền số liệu vô tuyến Vấn đề chính là không thể hợp nhất như mạng Ethernet với sự đảm bảo về tính tương thích tất cả các tiêu chuẩn và thiết bị

Ở Việt Nam công nghệ WLAN với sự ra đời của các dịch vụ thử nghiệm truy cập Internet không dây tốc độ cao Wi-Fi do VDC tiến hành và việc thực hiện triển khai các điểm truy nhập WLAN tại các điểm thi đấu Seagames đã mang lại nhiều kết quả khả quan Và ngày càng nhiều doanh nghiệp có sử dụng WLAN cùng với sự xuất hiện dịch vụ Cafe Wi-Fi đã đánh dấu bước phát triển rộng rãi hơn của dịch vụ này

1.2.2 WIMAX

WIMAX- Worlwide Interoperability for Microware Access là một mạng

không dây băng rộng có tính tương tác toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16 WIMAX đã xử lý tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản lý kết nối

WIMAX sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạng Internet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp modem

Wimax không phải là một công nghệ mới, nhưng là công nghệ không dây đã được cải tiến rất nhiều để có được những tính năng ưu việt Về cơ bản thì công nghệ Wimax không có nhiều khác biệt so với công nghệ WiFi, tuy

13

nhiên Wimax không là sự mở rộng của công nghệ WiFi WiFi được thực hiện trên bộ tiêu chuẩn kết nối mạng không dây nội bộ được phát triển bởi nhóm làm việc theo tiêu chuẩn IEEE 802.11 và được thiết kế để tạo ra kết nối không dây, cho phép kết nối Internet tới một nhóm các máy tính khác trong một tòa nhà, văn phòng làm việc trong một phạm vi nhỏ hẹp (bán kính 100m) Trong khi đó Wimax được thiết kế cho phép truy nhập không dây băng rộng trong một pham vi rộng (bán kính 50km), là một phương thức mới để người sử dụng có thể truy cập Internet băng rộng mọi nơi, mọi lúc với giá thành rẻ hơn, thuận lợi so với việc sử dụng các công nghệ dây dẫn khác như DSL và cáp WIMAX là mạng không dây phủ sóng trên một vùng rộng lớn, thuận lợi cho việc triển khai nhanh, thuận lợi và có lợi ích kinh tế cao so với việc kéo cáp, đặc biệt là vùng có địa hình phức tạp Do đó, mạng truy nhập không dây băng rộng WIMAX sẽ đáp ứng được các chương trình phổ cập Internet ở các vùng sâu, vùng xa, nơi có mật độ dân cư thưa thớt

Ở những nước đang phát triển như Việt Nam, nơi mà Internet băng thông rộng chưa phổ biến, Wimax là một giải pháp kinh tế Ngoài ra Wimax còn giúp việc triển khai WiFi thêm nhanh chóng do các hotspot WiFi sẽ không cần đường leased-line mà sẽ nối trực tiếp với Wimax BS Khả năng roaming giữa các dịch vụ Wi-Fi và Wimax sẽ mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng

Để có thể dùng dịch vụ Internet băng thông rộng của Wimax (fixed Wimax), nhà cung cấp dịch vụ chỉ cần lắp đặt một anten BS ở giữa khu dân

cư Mỗi người dùng sẽ được cung cấp một ăng-ten thu (CPE), lắp trên mái nhà/cửa sổ CPE có thể được nối trực tiếp với máy vi tính hoặc thông qua một Access Point WiFi Việc triển khai khá đơn giản, mà giá thành lại thấp hơn nhiều so với công nghệ hiện hành

14

Bên cạnh dịch vụ cố định, Wimax còn cung ứng các dịch vụ di động Trong tương lai, các thiết bị mobile mà hiện nay được tích hợp WiFi sẽ được tích hợp Wimax Khi đó, người dùng có thể kết nối mạng mọi lúc mọi nơi thông qua Wimax, và đặc biệt là vẫn có thể dùng các dịch vụ giống như những dịch vụ của mạng cellular 3G Hơn nữa, tốc độ truyền của Wimax cao hơn hẳn 3G mà giá hứa hẹn sẽ rẻ Đối với các nhà cung cấp mạng, giá thành của một Wimax BS rẻ hơn rất nhiều so với giá của một BS UMTS Do đó, có thể nhà cung ứng mạng 3G sẽ dùng Wimax thay thế 3G ở những khu vực thưa dân cư

1.3 Sự lựa chọn hệ thống thông tin di động băng rộng tốc độ cao tại Việt Nam

Wimax và LTE, hai đại gia cạnh tranh cho thị phần trong không gian viễn thông 3G Wimax là công nghệ được xem là tương lai của mạng không dây tầm xa Nhưng gần đây, công nghệ này đã bị thử thách do sự xuất hiện của công nghệ có tên Long Term Evolution (LTE)

Ý tưởng cho Wimax được bắt đầu từ những năm 1990 của thế kỷ trước Nhiều công ty viễn thông đã bắt đầu lập kế hoạch và thiết kế những hệ thống mạng có khả năng xử lý khối lượng băng thông lớn Cuối cùng cáp quang được nghĩ đến cho bài toán này

Nhưng việc sử dụng cáp quang để cung cấp dịch vụ truy cập Internet băng thông rộng có chi phí rất tốn kém Ước tính chi phí này vào khoảng 1.000 USD cho mỗi mét đường truyền Điều này đã thúc đẩy các nhà cung cấp tìm kiếm một giải pháp thay thế có chi phí rẻ hơn Và cuối cùng giải pháp của họ là sử dụng công nghệ không dây WiFi Intel đã ủng hộ công nghệ không dây WiFi cho đến nay, và cũng đã tích hợp công nghệ WiFi vào bộ vi

xử lý Centrino nổi tiếng của mình Năm 2001, Viện Kỹ sư Điện và Điện tử

Vì vậy, Wimax có thể được sử dụng cho cả mạng CDMA và GSM hay nói cách khác giống như một chiếc điện thoại có tính năng WiFi đang tồn tại trong các loại điện thoại di động CDMA và GSM

LTE là viết tắt của Long Term Evolution và còn được gọi là 3GPP LTE, với 3GPP viết tắt của (3rd Generation Partnership Project), một hiệp hội được thành lập vào cuối những năm 1990 với mục tiêu phát triển các chi tiết kỹ thuật cho các công nghệ trên hệ thống mạng GSM Kể từ đó tất cả các tiêu chuẩn liên quan đến công nghệ GSM được xây dựng và duy trì bởi 3GPP Bản chất của Wimax và LTE là công nghệ không dây có tốc độ nhanh hơn so với công nghệ 3G, được thiết kế cho mục đích truyền dữ liệu (download và upload) hơn là thoại Cả hai là tương lai của công nghệ internet không dây băng thông rộng

Wimax thực sự có thể đạt được tiêu chuẩn 4G bởi vì nó có thể được ứng dụng cả trên mạng GSM hoặc CDMA Trong khi đó LTE có chi phí rẻ hơn và chỉ có thể sử dụng trên mạng GSM, bởi vì công nghệ 4G này được xây dựng trên nền tảng GSM hiện có Trái ngược với LTE, vấn đề của Wimax là chi phí cao hơn do phải xây dựng hệ thống lại từ đầu theo công nghệ này

16

LTE phát triển hướng tới mạng điện thoại di động hơn là một hệ thống mạng máy tính, có lợi thế là dễ nâng cấp từ các mạng GSM hiện có Trong khi đó, Wimax phát triển từ yêu cầu của hệ thống mạng máy tính hơn là nhu cầu cho chuẩn điện thoại di động Wimax phải xây dựng hệ thống mạng từ đầu với chi phí cao

Hai tiêu chuẩn tuy đến từ nguồn gốc khác nhau (với điểm mạnh và điểm yếu khác nhau) nhưng đã hội tụ chung về một điểm như cách mà hiện nay các điện thoại và máy tính hội tụ với nhau

Ở Việt Nam do xuất phát từ đặc điểm về địa hình và phân bố dân số, một

số mạng đã sử dụng công nghệ Wifi & Wimax Tuy nhiên không thật sự hiệu quả do địa hình phức tạp, đồi núi nhiều, ở thành thị nhiều nhà cao tầng nên quá trình truyền sóng phức tạp Ở nông thôn thì dân cư thưa thớt, tổ chức Wifi

& Wimax không hiệu quả Chính vì vậy mà giải pháp lựa chọn hệ thống thông tin di động băng rộng tốc độ cao tại Việt Nam hướng tới công nghệ LTE để tiến tới 3G là tất yếu

1.4 Kết luận chương

Ở chương I luận văn đã trình bày các vấn đề phát triển của các hệ thống thông tin di động mặt đất số Do xuất phát từ đặc điểm về địa hình và phân bố dân cư ở Việt Nam nên quá trình phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động nghiêng về sự lựa chọn công nghệ hệ thống LTE Các giải pháp kỹ thuật trong hệ thống LTE cũng như việc ứng dụng công nghệ LTE ở Việt Nam sẽ được trình bày tiếp ở nội dung các chương tiếp theo

17

CHƯƠNG II MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG LTE 2.1 Các tham số cơ bản trong LTE

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Các tham số cơ bản trong LTE được trình bày dưới đây:

- Tốc độ đỉnh tức thời: Ứng với băng thông 20 MHz, LTE đảm bảo tốc độ

số liệu đỉnh tức thời ở đường xuống lên đến 100 Mbps và ở đường lên 50 Mbps

- Băng thông: Băng thông được cấp phát linh hoạt, có thể hoạt động với

các băng tần 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz trên

cả đường xuống lẫn đường lên

- Thông lượng: Thông lượng đường xuống trong LTE gấp ba đến bốn lần

thông lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên 1 MHz Mặt khác thông lượng đường lên trong LTE cũng gấp hai đến ba lần thông lượng đường lên của R6 HSUPA tính trung bình trên 1MHz

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h Vẫn hoạt động 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)

- Hiệu suất phổ tần: Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của LTE gấp ba đến bốn lần R6 HSDPA tính theo bit/s/Hz/trạm Hiệu

2.2 Một số giải pháp kỹ thuật cơ bản áp dụng trong hệ thống LTE

2.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA

2.2.1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu có tốc độ nhỏ hơn hay còn gọi là các sóng mang con Hơn nữa các sóng mang con trong một hệ thống OFDM chồng lấn lên nhau để tối đa hoá hiệu quả băng thông Thông thường, các kênh con kế cận chồng lấn lên nhau có thể gây nhiễu lẫn nhau Tuy nhiên, các sóng mang con trong hệ thống OFDM được trực giao một cách chính xác với nhau nên chúng có thể chồng lấn mà không gây nhiễu lẫn nhau

OFDM đƣợc minh họa ở hình 2.1

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống OFDM đƣợc minh họa ở hình 2.2

Tại máy phát:

Một luồng dữ liệu tốc độ lớn đầu vào (R bps) đƣợc chia thành rất nhiều luồng con tốc độ nhỏ hơn rất nhiều luồng vào nhờ bộ biến đổi nối tiếp – song song Các luồng con này đƣợc điều chế dữ liệu thành một dạng sóng phức bởi

IDFT

Biến đổi song song-nối tiếp

.

.

DFT

Biến đổi nối tiếp- song song

.

.

n,K-1 ,…, n,0

Máy thu

Kênh truyền

Tạp âm AWGN

Chèn CP

Loại bỏ CP

DAC

ADC

20

bộ biến đổi Fourier ngược rời rạc IDFT (Inverse Decret Fourier Transform)

Các luồng dữ liệu sau khi điều chế được kết hợp lại nhờ bộ biến đổi song song – nối tiếp

Vì các hệ thống thông tin vô tuyến khá nhạy cảm với các phản xạ kênh

đa đường nên một tiền tố vòng (CP) được chèn thêm vào để giảm nhiễu ISI Tiếp đầu tuần hoàn này được chọn sao cho khoảng thời gian tồn tại của nó lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền Nguyên tắc chèn tiền tố vòng là sao chép phần cuối của một symbol và gắn thêm vào phần đầu của symbol này Điều này đảm bảo tính tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian một chu kỳ tín hiệu, do đó đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con

Sau khi các symbol OFDM được chèn thêm tiền tố vòng thì chúng được đưa qua bộ chuyển đổi DAC để chuyển đổi thành các tín hiệu tương tự và phát đi trên kênh truyền Trong quá trình truyền đi tín hiệu chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu như AWGN,

Tại máy thu:

Quá trình thực hiện ngược lại so với máy phát Tín hiệu thu được chuyển đổi thành tín hiệu số nhờ bộ ADC, sau đó loại bỏ tiền tố vòng, đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp – song song Các luồng dữ liệu song song tại đây được cho qua bộ biến đổi Fourier thuận rời rạc (DFT) rồi được kết hợp lại nhờ bộ biến đổi song song – nối tiếp Cuối cùng thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Để nhằm nâng cao tốc độ hệ thống OFDM, trong thực tế người ta thường

sử dụng phép biến đổi nhanh Fourier IFFT thay cho IDFT tại máy phát và FFT thay cho DFT tại máy thu

- Có khả năng chống lại nhiễu đồng kênh dải hẹp rất tốt Chống lại nhiễu ISI, ICI và fading gây ra bởi truyền dẫn đa đường tốt

- Việc sử dụng các bộ biến đổi IFFT/FFT tương ứng thay cho các bộ điều chế và giải điều chế làm cho cấu trúc máy phát và máy thu cũng đơn giản hơn rất nhiều

b Nhược điểm

- Các tín hiệu OFDM có tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình cao hơn các tín hiệu đơn sóng mang Lý do là trong miền thời gian, một tín hiệu đa sóng mang là tổng của nhiều tín hiệu băng hẹp Trong một vài trường hợp, tổng này là lớn nhưng trong các trường hợp khác lại là nhỏ, điều này có nghĩa là giá trị đỉnh của tín hiệu lớn hơn đáng kể giá trị trung bình Tỉ số PAPR cao là một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống OFDM, dẫn tới điểm làm việc của bộ khuếch đại công suất về vùng phi tuyến nên làm tăng giá thành của bộ khuếch đại công suất do việc chế tạo bộ khuếch đại công suất khá phức tạp

- OFDM khá nhạy cảm với dịch tần Doppler, dịch tần Doppler làm cho các sóng mang con không còn tính trực giao với nhau nữa, điều này dẫn đến xuyên nhiễu giữa các sóng mang con lân cận và gây ra nhiễu ICI Do đó hệ thống OFDM yêu cầu việc đồng bộ tần số rất ngặt nghèo

22

Hình 2.3 (a) Truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng

(b) Truyền dẫn OFDM trên kênh chọn lọc tần số [2]

2.2.1.3 Mã hóa kênh và phân tập tần số trong truyền dẫn OFDM

Chất lượng kênh vô tuyến bị pha đinh chọn lọc tần số luôn luôn thay đổi trong miền tần số Hình 2.3 cho thấy sự phụ thuộc của chất lượng kênh vô tuyến (công suất tín hiệu thu hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm) vào tần số cho trường hợp đơn sóng mang băng rộng (WCDMA chẳng hạn) (hình 2.3a) và đa sóng mang (OFDM) (hình 2.3b) Trong trường hợp truyền dẫn đơn sóng mang, mỗi symbol điều chế được truyền trên một băng thông rộng, do ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc tần số, băng thông này có thể bao gồm cả vùng tần số có chất lượng truyền dẫn cao và vùng tần số có chất lượng truyền dẫn thấp Việc truyền dẫn thông tin trên một băng tần rộng gồm nhiều dải băng tần với chất lượng khác nhau này gọi là phân tập tần số

Trái lại trong trường hợp OFDM, mỗi symbol chỉ được truyền trên một băng thông hẹp Vì thế một số symbol có thể rơi vào vùng tần số có chất lượng kênh rất thấp, từng symbol riêng lẻ thông thường sẽ không nhận được phân tập tần số ngay cả khi kênh mang tính chọn lọc tần số cao Kết quả là tỷ

lệ lỗi bit cơ sở của truyền dẫn OFDM trên kênh chọn lọc tần số tương đối kém

và kém hơn nhiều so với tỷ số lỗi bit cơ sở trong trường hợp truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng

23

Hình 2.4 Mã hóa kênh kết hợp với đan xen tần số để cung cấp

phân tập tần số cho truyền dẫn OFDM [2]

Tuy nhiên trong thực tế mã hóa kênh được sử dụng trong hầu hết các hệ

thống thông tin số nhất là trong trường hợp thông tin di động Trong mã hóa

kênh mỗi bit thông tin được truyền phân tán trên nhiều bit mã Nếu sau đó các

bit mã này thông qua các symbol điều chế được sắp xếp lên các sóng mang

con và các sóng mang con này được phân bố hợp lý trên toàn bộ băng thông

truyền dẫn của tín hiệu OFDM như minh họa hình 2.4, thì mỗi bit thông tin sẽ

nhận được phân tập tần số (nghĩa là mỗi bit này được truyền trên các băng tần

có chất lượng khác nhau của kênh) mặc dù các sóng mang con và cả các bit

mã không nhận được phân tập tần số Phân bố các bit mã trong miền tần số

như hình 2.4 đôi khi gọi là đan xen tần số Đan xen tần số trong trường hợp

này giống như đan xen trong miền thời gian được sử dụng kết hợp với mã hóa

kênh để chống lại pha đinh thay đổi theo thời gian

Như vậy, đối lập với truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng, mã hóa kênh

(kết hợp với đan xen tần số) là khâu quan trọng để truyền dẫn OFDM nhận

được lợi ích từ phân tập tần số trong kênh chọn lọc tần số Vì mã hóa kênh

thường được sử dụng trong thông tin di dộng nên đây không phải là nhược

điểm quá nghiêm trọng của OFDM, ngoài ra cũng cần chú ý rằng ngay cả khi

tỷ lệ mã hóa khá cao hệ thống vẫn nhận được một lượng phân tập tần số sẵn

có

24

Hình 2.5 OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập [2,3] (a) đường xuống, (b) đường lên

2.2.1.4 Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập

Hình 2.5 mô tả sử dụng OFDM cho đa truy nhập OFDM để có thể truyền dẫn đồng thời đến/từ các máy đầu cuối bằng phân chia tần số Phương pháp này gọi là ghép kênh những người sử dụng cho đường xuống (từ trạm gốc đến các máy đầu cuối di động) và đa truy nhập cho đường lên (từ các máy đầu cuối di động đến trạm gốc)

Trên đường xuống, OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh những người sử dụng Trong khoảng thời gian một symbol OFDM, toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia làm các tập con khác nhau và được gán cho những người sử dụng khác nhau để truyền đến các đầu cuối khác nhau (hình 2.6a)

Tương tự ở đường lên, OFDM được sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập Trong thời gian một symbol OFDM toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thành các tập con khác nhau để truyền từ các đầu cuối khác nhau đến trạm gốc (hình 2.6b)

Hình 2.5 giả thiết rằng các sóng mang con liên tiếp được sử dụng để truyền đến/từ máy di động đầu cuối Tuy nhiên các tập con, sóng mang con

25

được phân bố trên toàn bộ các sóng mang con khả dụng cũng được sử dụng

để truyền đến/từ các máy đầu cuối di động (hình 2.6)

Lợi ích của các sơ đồ OFDM phân bố là có thể nhận được phân tập tần

số bổ sung trải rộng trên toàn bộ băng thông rộng hơn cho từng đường truyền Trong trường hợp OFDM được sử dụng cho đường lên, tín hiệu OFDM phát đi từ các đầu cuối di động khác nhau được ghép kênh theo tần số, điều quan trọng là các truyền dẫn từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với trạm gốc phải đến trạm gốc một cách đồng bộ theo thời gian Đặc biệt là sự mất đồng bộ giữa các truyền dẫn từ các đầu cuối di động khác nhau tại trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thu được từ các đầu cuối di động khác nhau để tránh nhiễu giữa những người sử dụng

a Đường xuống b Đường lên

Hình 2.6 Ghép kênh người sử dụng / OFDM phân bố [2,3]

Hình 2.7 Điều khiển định thời phát đường lên [2]

26

Do khác nhau về khoảng cách từ các đầu cuối di động đến trạm gốc, vì thế dẫn đến khác nhau về thời gian truyền lan (sự khác nhau có thể khác xa độ dài CP), nên cần phải điều khiển định thời phát của từng đầu cuối di động để đảm bảo rằng truyền dẫn đường lên được đồng bộ tại trạm gốc (hình 2.7) Do thời gian truyền lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong ô, điều khiển định thời phát phải là một quá trình tích cực, liên tục điều khiển định thời phát cho từng đầu cuối di động

Ngay cả khi điều khiển định thời phát hoàn hảo, vẫn luôn có một lượng nhiễu giữa các sóng mang con do sai số tần số Trong trường hợp sai số tần số hợp lý và trải Doppler nhỏ, nhiễu này thường tương đối nhỏ Tuy nhiên điều này chỉ xảy ra khi coi rằng các sóng mang con khác nhau được thu tại trạm gốc với công suất gần như nhau Trên đường lên do khoảng cách giữa các đầu cuối di động đến trạm gốc khác nhau vì thế sự suy hao trên đường truyền cũng có thể rất khác nhau Nếu hai đầu cuối phát cùng một công suất thì do khoảng cách khác nhau, công suất tín hiệu thu được tại trạm gốc từ hai đầu cuối này có thể rất khác nhau, vì thế tín hiệu thu từ trạm đầu cuối mạnh hơn

sẽ gây nhiễu đối với tín hiệu thu yếu hơn cho dù vẫn đảm bảo được tính trực giao hoàn hảo giữa các sóng mang con Để khắc phục hiện tượng này cần phải thực hiện điều khiển công suất phát của các đầu cuối ở một mức độ nhất định đối với OFDMA đường lên bằng cách giảm công suất của đầu cuối ở gần trạm gốc để đảm bảo công suất của các tín hiệu thu gần nhau

2.2.2 Kỹ thuật truy nhập cho đường lên SC-FDMA

Trong các ứng dụng thông tin di động, OFDM có ưu điểm rất lớn về khả năng chống chịu đối với ảnh hưởng của truyền tín hiệu đa đường Khả năng này đạt được nhờ việc hệ thống OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao với mỗi sóng mang con hoạt động tại tốc độ bit chỉ bằng