luận văn: đánh giá chất lượng truyền dẫn trong hệ thống di động 4g LTE

luận văn: đánh giá chất lượng truyền dẫn trong hệ thống di động 4g LTE trường đh quốc gia hà nộiluận văn: đánh giá chất lượng truyền dẫn trong hệ thống di động 4g LTE trường đh quốc gia hà nộiluận văn: đánh giá chất lượng truyền dẫn trong hệ thống di động 4g LTE trường đh quốc gia hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHÚ THẢO

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN TRONG HỆ

THỐNG DI ĐỘNG 4G LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHÚ THẢO

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪ TRONG HỆ

THỐNG DI ĐỘNG 4G TLE

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Trần Trúc Mai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHÚ THẢO

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪ TRONG HỆ

THỐNG DI ĐỘNG 4G TLE

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Trần Trúc Mai

Hà nội – 2014

Lời cảm ơn:

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, đến ngày hôm nay tôi gần như

đã hoàn thành chương trình đào tạo Thạc sĩ ngành Công nghệ thông tin tại khoa Công nghệ thông tin trường Đại Học Công nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô trong trường đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức về lĩnh vực công nghệ thông tin, giúp tôi có kiến thức để hoàn thành quá trình học tập, nghiên cứu và đặc biệt là trong quá trình công tác chuyên môn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Trần Trúc Mai đã định hướng và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Trong quá trình thực hiện, có những lúc tôi đã gặp rất nhiều khó khăn vì đây là lĩnh vực tương đối mới mẽ với cá nhân tôi, nhưng Thầy đã tận tình chỉ bảo cho tôi nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong suốt quá trình thực hiện

Sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp

đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều, hơn nữa đây là lĩnh vực tương đối mới mẽ với bản thân nên luận văn còn có nhiều thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy, Cô và các bạn học viên cao học

Hà Nội, tháng 10 năm 2014

HỌC VIÊN

Lê Phú Thảo

Lời cam đoan:

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, không sao chép của bất kỳ ai Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, tháng 10 năm 2014

Tác giả luận văn

Lê Phú Thảo

ContentPHỤ LỤC

Lời cảm ơn: 1

Lời cam đoan: 2

PHỤ LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 10

PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE [1,3,4] 12

1.1 Giới thiệu về công nghệ 4GPP LTE [2, tr.2-7] 12

1.1.1 Một số thuộc tính quan trọng của LTE 12

1.1.2 Băng thông truyền dẫn 13

1.1.3 Chương trình đa truy nhâp 13

1.2 Kênh lớp vật lý 13

1.3 Điều chế và mã hoá 14

1.4 Cấu trúc frame đường xuống 15

1.4.1 Cấu trúc khe đường xuống 16

1.4.2 Frame đường lên và cấu trúc khe đường lên 17

1.5 So sánh LTE với HSPA và WiMAX [4] 18

1.6 Kết luận 20

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ [1, tr.5-16] 21

2.1 Lý do sử dụng điều chế số 21

2.2 Các đặc điểm tín hiệu có thể được sửa đổi 21

2.3 Định dạng I/Q 22

2.4 Điều chế dịch pha: 22

2.4.1 Điều chế dịch pha nhị phân BPSK 22

2.4.2 Điều chế dịch pha cầu phương 23

2.5 Điều chế khoá dịch biên: 23

2.6 Điều chế biên độ cầu phương 24

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM [7,8] 26

3.1 Giới thiệu 26

3.2 Lịch sử của OFDM [7] 27

3.3 Điều chế đa sóng mang [8] 28

3.3.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 30

3.3 Các vấn đề liên quan đến OFDM 31

3.3.1 Khoảng bảo vệ 31

3.3.2 Sóng mang con rỗng 33

3.3.3 Sự phân chia giải băng 33

3.3.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình 35

3.4 Kiến trúc máy thu phát OFDM 37

Chương 4 CÁC YẾU TỐ ĐƯỜNG TRUYỀN 41

4.1 Nhiễu trắng 41

4.1.1 Giới thiệu 41

4.1.2 Mô hình toán học cho mô phỏng kênh truyền AWGN 41

4.2 Rayleigh fading 43

4.2.1 Giới thiệu 43

4.2.2 Fading vùng rộng và fading vùng hẹp 44

4.2.3 Mô hình toán học của kênh rayleigh fading 48

PHẦN 2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 52

Chương 5 MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI, KÊT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 52

5.1 Mô phỏng sơ đồ điều chế BPSK 52

Để thực hiện các mô phỏng trong luận văn này tác giả đã sử dụng công cụ mô phỏng là ngôn ngữ lập trình Matlab, bởi nó là một ngôn ngữ linh hoạt và nó có nhiều hàm và chức năng phù hợp với yêu cầu của bài toán đặt ra 52

5.2 Mô phỏng sơ đồ điều chế QPSK 53

5.3 Mô phỏng sơ đồ điều chế QAM 54

5.4 Kết quả mô phỏng chất lượng truyền dẫn đường xuống của hệ thống di động 4G LTE 55

5.5 Kết luận 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Time Division Synchronous Code Division Multiple Access TD-SCDMA

Discrete Faurier Transform DFT

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc frame loại 1 [2,tr.5] 15

Hình 1.2 Lưới tài nguyên đường xuống [2,tr.6] 16

Hình 1.3 frame đường lên và định dạng khe cho cấu trúc frame loại 1 [2,tr.7] 18

Hình 1.4 So sánh các chỉ số của các công nghệ HSPA, mWiMAX và LTE 18

Hình 2.1: Đặc điểm của tín hiệu được thay đổi [1,tr.7] 21

Hình 2.2 : Định dạng I/Q 22

Hình 2.4: Giản đồ véctơ và sơ đồ chòm sao trong điều chế QAM 24

Hình 3.1 Điều chế đa sóng mang không chồng lấn (a), điều chế đa sóng mang chồng lấn (b) 28

Hình 3.3 (a) Minh hoạ của ISI do chậm trễ đa đường, (b) Khoảng bảo vệ bằng không để tránh ISI, (c) khoảng bảo vệ với tiền tố lặp để loại bỏ ISI 32

Hình 3.4 Mặt nạ phổ cho tín hiệu LAN trong băng tần U-NII 34

Hình 3.5 Cửa sổ miền thơi gian của tín hiệu OFDM 35

Hình 3.6 Điểm đầu ra chờ truyền của bộ khuếch đại công suất 36

Hình 3.7 Đáp ứng tần số kênh và hiệu ứng kênh fading trên sóng mang con OFDM 38

Hình 3.8 Kiến trúc máy thu và máy phát của hệ thống OFDM 40

Hình 4.1 Mô kênh truyền AWGN 41

Hình 4.2 Biểu hiện của kênh Fading [3, tr.91] 45

Hình 4.3 Suy hao và nhiễu đường truyền trong hiện tượng fading [3, tr.92] 47

Hình 4.4 Mối quan hệ giữa fading vùng rộng và fading vùng hẹp [3, tr.92] 48

Hình 4.5 Hiện tượng đa đường trong truyền dẫn vô tuyến 49

Hình 5.1 Kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế BPSK 52

Hình 5.2 Kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế QPSK 53

Hình 5.3 Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế 16QAM 54Hình 5.4 Sơ đồ quá trình mô phỏng 57Hình 5.5 Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của 4G LTE với

sơ đồ điều chế QPSK trong môi trường rayleigh fading một tia 58

Hình 5.6 Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của 4G LTE với

sơ đồ điều chế QPSK trong môi trường rayleigh fading một tia 58

Hình 5.7 Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của mạng di động 4G LTE với sơ đồ điều chế 16QAM trong môi trường rayleigh fading một tia 59

Hình 5.8 Kết quả BER của đường xuống của 4G LTE với sơ đồ điều chế 64QAM trong môi trường rayleigh fading một tia 59

Hình 5.9 Kết quả chỉ số BER theo EbN0 của 3 sơ đồ điều chế trong môi trường AWGN 60

Hình 5.10 Kết quả chỉ số BER theo EbN0 của 3 sơ đồ điều chế trong môi trường Rayleigh fading một tia 60

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cơ chế điều chế cho đường lên và đường xuống [2,tr.3-4] 14Bảng 1.2 Chỉ số tương ứng với hai loại cấu trúc frame 17Bảng 5.1 Công thức tính BER theo lý thuyết của các môi trường AWGN

và Rayleigh fading một tia 56

MỞ ĐẦU

Ngày nay lĩnh vực thông tin di dộng đang đứng trước những yêu cầu ngày càng cao về chất lượng dịch vụ và tốc độ truy nhâp Thế giới đã chứng kiến những bước phát triển của công nghệ này thông qua việc phát triển các thế hệ mạng di động trên toàn cầu

Đánh dấu sự phát triển, đầu tiên cần phải nói đến sự ra đời công nghệ 2G, đặc trưng cơ bản của hệ thống này là dựa trên công nghệ chuyển mạch kỹ thuật

số với phương pháp truy nhập TDMA và CDMA, làm cho dung lượng của hệ thống tăng so với thế hệ trước nó, và hệ thống này còn có khả năng hỗ trợ các dịch vụ số liệu Điển hình của thế hệ này là các mạng như D-AMPS (IS-136) ở

Mỹ sử dụng công nghệ TDMA, hoặc như mạng CdmaOne (IS-95) ở Mỹ và Hàn Quốc sử dụng phương thức truy nhập CDMA, hoặc như mạng GSM đã được triển khai rộng rãi tại châu Âu và nó sử dụng cả hai phương pháp truy nhập TDMA và cả FDMA

Tiếp sau thế hệ thứ hai là thế hệ thứ 3 đã và đang được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới, cho phép truyền dữ liệu cả thoại và ngoài thoại như tải dữ liệu, gửi emai, hình ảnh…, ở thế hệ mạng này cung cấp cả hai thệ thống là chuyển mạch giói và chuyển mạch kênh, 3G được đặc trưng bởi khả năng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ đa phương tiện, có nhiều công nghệ di động 3G và tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm UMTS sử dụng kỹ thuật truy nhập gói tốc độ cao HSPA, CDMA200 và TD-SCDMA

Với yêu cầu ngày càng tăng về số lượng và chất lượng dịch vụ của hệ thống mạng di động, thì giải pháp là phải nghiên cứu và phát triển các hệ thống mạng có khả năng đáp dứng yêu cầu này của người sử dụng, Để đảm bảo khả năng cạnh tranh của hệ thống 3G trong tương lai, một tiến hoá dài hạn (LTE) 3GPP đã được chấp nhận bởi Release 8 của chuẩn 3GPP Các đặc điểm của LTE cung cấp một khuôn khổ cho việc tăng khả năng, nâng cao hiệu quả quang phổ, cải thiện vùng phủ sóng và giảm độ trễ so với việc triển khai HSPA hiện nay Ngoài ra, truyền tải với nhiều ăng ten đầu vào và nhiều ăng ten đầu ra

(MIMO) sẽ được hỗ trợ cho thông lượng lớn, cũng như nâng cao năng lực hoặc phạm vi hoạt động của hệ thống

Hiện nay chuẩn 4G LTE là hệ thống đang được các nhà khoa học nghiên cứu và sắp được các nhà cung cấp triển khai, tuy nhiên để triển khai được hệ thống LTE trên thực tế, thì nó phải trải qua nhiều mức độ đánh giá thử nghiệm với chi phí hết sức tốn kém Vì thế mà việc xây dựng mô phỏng hệ thống này là hết sức cần thiết bởi nó làm giảm thiểu chi phí, hơn nữa để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu thì việc xây dựng các bộ mô phỏng để chứng minh các kết quả nghiên cứu lý thuyết là hết sức cần thiết Vì vậy đề tài “Đánh giá chất lượng truyền dẫn trong hệ thống di động 4G LTE” là đề tài có ý nghĩa thực tiễn và có giá trị về khoa học

PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE [1,3,4]

1.1 Giới thiệu về công nghệ 4GPP LTE [2, tr.2-7]

Hệ thống không dây thế hệ thứ 3 (3G) dựa trên W-CDMA, Hiện đã được triển khai rộng rãi trên phạm vi toàn cầu W-CDMA duy trì được lợi thế cạnh tranh bằng cách cung cấp truy cập gói tốc độ cao (HSPA) trong cả hai chế độ đường xuống và đường lên Để đảm bảo khả năng cạnh tranh của hệ thống 3G trong tương lai, một tiến hoá dài hạn (long term evolution - LTE) 3GPP đã được chấp nhận bởi Release 8 của chuẩn 3GPP Các đặc điểm của LTE cung cấp một khuôn khổ cho việc tăng khả năng, nâng cao hiệu quả quang phổ, cải thiện vùng phủ sóng và giảm độ trễ so với việc triển khai HSPA hiện nay Ngoài ra, truyền tải với nhiều ăng ten đầu vào và nhiều ăng ten đầu ra (multi input multi output - MIMO) sẽ được hỗ trợ cho thông lượng lớn, cũng như nâng cao năng lực hoặc phạm vi hoạt động

1.1.1 Một số thuộc tính quan trọng của LTE

 Dung lượng đường xuống: Tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 172.8Mbps với băng thông 20MHz và 2x2 SU-MIMO

 Dung lượng đường lên: Tốc độ dữ liệu đỉnh lên tới 86.4Mbps với băng thông 20MHz và sơ đồ điều chế 64QAM

 Tính linh hoạt của phổ: Khả năng mở rộng băng thông lên tới 20MHz, bao gồm 1.4, 1.6, 3, 3.2, 5, 10,15 và 20 MHz trong cả hai đường lên và đường xuống

 Hiệu quả quang phổ: Tăng hiệu quả quang phổ so với Release 6 HSPA

từ 2 đến 4 lần;

 Độ trễ: 5 micro giây độ trễ cho gói tin IP nhỏ

 Di động: Tối ưu hoá cho di động tốc độ thấp từ 0 đến 15km/h, di động tốc độ cao lên đến 120km/h được hỗ trợ với hiệu suất cao

 Chỉ hỗ trợ cho chuyển mạch gói

1.1.2 Băng thông truyền dẫn

Để giải quyết vấn đề của môi trường không dây quốc tế, quy định khu vực phổ, LTE bao gôm việc thay đổi băng thông kênh có thể lựa chọn trong khoảng

từ 1.4MHz đến 20MHz, với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz, trong trường hợp dịch vụ phát sóng đa phương tiện tiến hoá (evolved multimedia broadcast multicast service - eMBMS), khoảng cách của sóng mang con cũng có thể là 7.5 kHz, khoảng cách của sóng mang con là cố định đối với bất kỳ một băng thông nào, để cho phép hoạt động trong phân bố kích thước phổ tần, băng thông truyền thay đổi bằng cách thay đổi số lượng sóng mang con của phương pháp điều chế OFDM

1.1.3 Chương trình đa truy nhâp

Chương trình đa truy nhập cho tầng vật lý của LTE là dựa trên phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (orthogonal frequency division multiplexing - OFDM) cho đường xuống (down link – DL), và đơn sóng mang phân chia tần số đa truy nhập (SC-FDMA) đường lên (up link – UL), OFDM trong DL là rất thích hợp để đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh cao, và SC-FDMA trong UL là phù hợp hơn so với OFDM do tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (peak to average power ratio – PAPR) của tín hiệu phát thấp hơn, nên hiệu quả sử dụng công suất sẽ tốt hơn, vì thế có thể tiết kiệm pin cho các thiết bị

di động

1.2 Kênh lớp vật lý

LTE DL và UL bao gồm kênh vật lý và tín hiệu vật lý, kênh vật lý mang thông tin từ các lớp cao hơn và được sử dụng để thực hiện các dữ liệu người dùng, cũng như điều khiển thông tin người sử dụng, tín hiệu vật lý không mang thông tin từ các lớp cao, và thường được sử dụng cho việc tìm kiếm và ước lượng kênh của các tế bào

Các kênh vật lý DL chính là kênh phát quảng bá vật lý (physical broadcast channel - PBCH), kênh điều khiển đường xuống (physical downlink control channel - PDCCH), và kênh chia sẽ đường xuống (physical downlink shared

channel - PDSCH), các tín hiệu vật lý DL chính là các tín hiệu tham chiếu (reference signal - RS), và các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp (primery synchronization signals P-SCH) và (secondary synchronization signals S-SCH)

Các kênh vật lý UL chính là kênh điều khiển đường lên vật lý (physical uplink control channel - PUCCH) và đường lên vật lý chia sẽ kênh (physical uplink shared channel - PUSCH), các tín hiệu vật lý UL chính là giải điều chế tín hiệu tham chiếu và truy nhập kênh vật lý ngẫu nhiên (physical random access channel - PRACH)

có thể thay đổi sang một sơ đồ điều chế thấp hơn, để truy nhập một kết nối vô tuyến ở ranh giới có thể chấp nhận được về hiệu xuất của kênh Các sơ đồ điều chế cho phép cho cả DL và UL được trình bầy ở bảng sau:

Bảng 1.1 Cơ chế điều chế cho đường lên và đường xuống [2,tr.3-4]

Tín hiệu vật lý Sơ đồ điều chế

RS Orthogonal sequence modulated by binary pseudo

random sequence P-SCH Cycle of three Zadoff-Chu sequences

S-SCH Two 31-bit BPSK M sequence

Đường lên

Kênh vật lý Sơ đồ điều chế

PUCCH Based on Zadoff-Chu

Tín hiệu vật lý Sơ đồ điều chế

PRACH Zadoff-Chu

PRACH Uthroot Zadoff-Chu

S-SCH Two 31-bit BPSK M sequence

Hình 1.1 Cấu trúc frame loại 1 [2,tr.5]

1.4 Cấu trúc frame đường xuống

Hai cấu trúc frame vô tuyến được định nghĩa trong LTE, cấu trúc frame loại 1, sử dụng cả hai kỹ thuật là kỹ thuật song công phân chia theo tần số (frequency division duplex – FDD) và kỹ thuật song công phân chia theo thời gian (time division duplex – TDD) trong cả hai chiều, cấu trúc frame loại 2 sử dụng TDD trong cả hai chiều Cấu trúc frame loại 1 được tối ưu hoá để cùng tồn tại với hệ thống 3.84 Mcps UTRA, Cấu trúc khung loại 2 được tối ưu hoá để cùng tồn tại với hệ thống 1.28 Mcps UTRA TDD, còn được gọi là TD-SCDMA

Hình 1.1 thể hiện cấu trúc frame loại 1 Một frame vô tuyến DL có chu

kỳ 10 ms và bao gồm 20 khe (slot) với chu kỳ của một khe là 0.5 ms, hai khe

bao gồm một sub-frame, một sub-frame cũng được biết đến như khoảng thời gian truyền (transmit time interval -TTI), có một chu kỳ 1 ms so với 2 ms TTI của hệ thống HSPA, TTI ngắn hơn làm giảm độ trễ trong hệ thống và sẽ bổ sung thêm dịch vụ cho bộ sử lý thiết bị đầu cuối di động

Trong hình 1.1 sự ánh xạ vật lý của tín hiệu vật lý DL là:

- Điểm quy chiếu tín hiệu đã được truyền đi ở biểu tượng OFDM 0 và 4 của mỗi khe Điều này phụ thuộc vào cấu trúc frame và số lượng ăng-ten

- P-SCH được truyền tải trên ký hiệu 6 của khe 0 và 10 của mỗi frame vô tuyến, nó chiếm 72 sóng mang con, xung quanh trung tâm sóng mang phụ DC

- S-SCH được truyền tải trên ký hiệu 5 của khe 0 và 10 của mỗi frame vô tuyến, nó chiếm 72 sóng mang con tập trung xung quanh sóng mang con

DC

- Kênh vật lý PBCH được truyền trên 72 sóng mang con tập trung xung quanh sóng mang con DC

1.4.1 Cấu trúc khe đường xuống

Đơn vị thời gian nhỏ nhất cho đường truyền xuống được gọi là tài nguyên nguyên tố, là một biểu tượng trên một sóng mang con, một nhóm 12 sóng mang con kề nhau trong tần số và một slot trong một lần, tạo thành một khối tài

Hình 1.2 Lưới tài nguyên đường xuống [2,tr.6]

nguyên (RB-resource block) thể hiện ở hình 1.2 Dữ liệu được phân bổ cho từng thiết bị người dùng (UE) trong đơn vị của RB

Một cấu trúc frame loại 1 sử dụng tiến tố lặp (cyclic prefic) thông thường, một RB kéo dài 12 sóng mang con liên tiếp tại một không gian sóng mang con 15kHz, và 7 ký hiệu liên tiếp qua một chu kỳ khe của 0.5 ms như trong bảng dưới đây, một CP được gắn vào ký hiệu như là khoảng bảo vệ, do đó, một RB có

84 tài nguyên nguyên tố (12 sóng mang con x 7 ký hiệu) tương ứng với một khe trong miền thời gian và 180 kHz (12 sóng mang con x 15 kHz khoảng cách) trong miền thời gian, kích thước của một RB là như nhau cho tất

Bảng 1.2 Chỉ số tương ứng với hai loại cấu trúc frame

Cấu hình Cấu trúc frame loại 1 Cấu trúc frame loại 2

1.4.2 Frame đường lên và cấu trúc khe đường lên

Cấu trúc frame loại 1 là tương tự như frame DL về khe, và chiều dài khung, một cấu trúc khe phụ thuộc vào chiều dài CP, đối với một CP thông thường, có bảy ký hiệu SC-FDMA trên một khe, để mở rộng CP có sáu ký hiệu SC-FDMA trên một khe

Giải điều chế tín hiệu tham chiếu UL, được sử dụng để ước tính kênh cho giải điều chế phù hợp, được truyền đi trong bốn ký hiệu (tức là ký hiệu số 3) của khe

Hình 1.3 frame đường lên và định dạng khe cho cấu trúc frame loại 1 [2,tr.7]

1.5 So sánh LTE với HSPA và WiMAX [4]

Đối với việc phát triển một hệ thống di động thể hệ mới điều quan trọng hơn cả đó chính là khả năng tái sử dụng được các cơ sở hạ tầng có sẳn cũng như tái sử dụng các nguồn tài nguyên Đối với LTE khả năng tái sử dụng cơ sở hạ tầng và tài nguyên là rất hiệu quả như việc tăng hiệu suất mạng mà không cần sửa đổi hệ thống ăng-ten, hiệu suất của giao thức LTE có tốc độ cao nhờ khả năng tương thích với cả phương thức TDD và FDD trong khi mWiMAX (moble WiMAX) chỉ tương thích với TDD

Từ bảng trên chúng ta có thể thấy rằng LTE so với các công nghệ khác có một số đặc điểm nổi trội như: lưu lượng LTE đạt lưu lượng lớn hơn nhiều so với các công nghệ khác như đối với HSPA lưu lượng của LTE tăng gấp hai lần,

nó cũng tăng gấp ¼ lần so với mWiMAX Về vùng phủ sóng, công nghệ LTE đạt hiệu quả về vùng phủ sóng cao, so với HSPA vùng phủ sóng của LTE tăng gấp hai lần còn đối với mWiMAX thì LTE tăng gấp ¾ lần Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm trên thì LTE cũng có một số nhược điểm so với các HSPA và mWiMAX như: Độ phức tạp và giá thành, LTE có độ phức tạp cao hơn so với các kỹ thuật còn lại cụ thể nó phức tạp hơn hai lần HSPA và ¼ lần so với mWiMAX, giá thành của LTE cũng cao hơn ½ so với HSPA và cao gấp 3 lần so với mWiMAX

Hơn nữa, giữa các công nghệ có nhiều các khác biệt về mặt kỹ thật dẫn đến sự khác nhau về hiệu quả sử dụng Đối với LTE tốc độ dữ liệu đỉnh tăng đáng kể vì thứ nhất, sử dụng 20+20MHz cho cả hai kênh FDD trong khi HSPA chỉ sử dụng 5+5MHz cho cả hai kênh FDD còn mWiMAX thì sử dụng 20MHZ cho kênh TDD, vì thế tốc độ lý thuyết của LTE đạt 100 Mbps DL và 50 Mbps

UL, còn về mặt thực tế đạt 75 Mbps DL và 37.5 Mbps UL cao hơn rất nhiều so với HSPA và mWiMAX Tốc độ dữ liệu tăng còn phụ thuộc vào việc LTE sử dụng các phương pháp điều chế bao gồm 64QAM/16QAM- 3/4 trong khi đó HSPA chỉ sử dụng 16QAM/QPSK - 3/4

Sự khác biệt còn thể hiện cả trong phạm vi phủ sóng của mạng LTE, HSPA và mWiMAX, trong khi HSPA tầm phủ sóng chỉ đạt 4 km cho DL và 30

Km2 cho UL, với mWiMAX vùng phủ sóng còn hạn chế hơn so với HSPA chỉ đạt ~3.3km cho DL và ~20km2 cho UL, riêng với LTE độ rộng của vùng phủ sóng rất lớn, trên 30-100km

Nếu so sánh về thời gian truyền của tín hiệu, LTE có thời gian truyền tín hiệu là thấp nhất vì thế độ trễ trong việc truyền dẫn trên kênh là thấp hơn so với HSPA, vì thế có thể dẫn đến có thể giảm thiểu được các hiện tượng như hiện tượng đa đường

1.6 Kết luận

Việc phát triển các mạng viễn thông không dây lên 4G LTE là một tất yếu khi nhu cầu sử dụng đa phương tiện tốc độ cao trên các thiết bị di động đầu cuối ngày càng tăng cao, hơn nữa LTE là nột công nghệ có ưu thế hơn rất nhiều so với các công nghệ cũ như HSPA hoặc mWiMAX, mặc dù việc sản xuất các thiết

bị di động đâu cuối yêu cầu độ phức tạp lớn nhưng nó không phải là vấn đề, mà cái chính là nó có thể truyền tải dữ liệu ở tốc độ cao và chất lượng cũng như số lượng dịch vụ tăng lên

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ [1, tr.5-16]

2.1 Lý do sử dụng điều chế số

Việc chuyển sang điều chế số cung cấp nhiều năng lượng thông tin, khả năng tương thích với các dịch vụ dữ liệu số, bảo mật dữ liệu cao hơn, chất lượng truyền thông tốt hơn, và tính sẳn sàng hệ thống nhanh hơn Việc phát triển các

hệ thống truyền thông đối mặt với những khó khăn sau:

2.2 Các đặc điểm tín hiệu có thể được sửa đổi

Có ba đặc điểm cơ bản của tín hiệu sóng mang có thể được thay đổi đó là biên độ, tần số và pha (hình 2.1), dựa vào ba đặc điểm trên người ta đưa ra ba phương pháp điều chế số tương ứng, đó là điều chế dịch biên, điều chế dich tần

2.3 Định dạng I/Q

Trong truyền thông số, điều chế thường thể hiện trong một mối quan hệ của I và Q Đây là một hình chữ nhật đại diện của biểu đồ cực, trên một biểu đồ cực, trục I năm trên tham chiếu có pha bằng không, và trục Q là được xoay 900

so với trục I, vectơ tín hiệu chiếu vào trục I là thành phần I và chiếu lên trục Q là thành phân Q của nó

Hình 2.2 : Định dạng I/Q

Điều chế số sẽ trở nên dễ dàng thực hiện với bộ điều chế I và Q, hầu hết các ánh xạ điều chế dữ liệu số vào một số điểm rời rạc trên mặt phẳng I/Q, chúng được gọi là các điểm chòm sao, khi tín hiệu di chuyển từ điểm này đến điểm khác, đồng thời biên độ và pha điều chế thường là kết quả, để thực hiện được điều này với một bộ điều biên và một bộ điều pha là rất khó khăn và phức tạp, nó cũng là không thể với một bộ điều pha thông thường, các tín hiệu có thể,

về nguyên tắc, được khoanh tròn một gốc theo một hướng, đòi hỏi phải có vô hạn khả năng chuyển đổi pha, ngoài ra, điều chế đồng thời cả AM và PM là dễ dàng với bộ điều chế I/Q

2.4 Điều chế dịch pha:

2.4.1 Điều chế dịch pha nhị phân BPSK

Một trong những hình thức điều chế đơn giản nhất của điều chế số là nhị phân hoặc điều chế dịch pha nhị phân (BPSK) Pha của đơn sóng mang có biên

độ cố định gao động giứa 00 và 180o Trên một biểu đồ I và Q, trạng thái I có

I

Q

Gía trị Q

Giá trị I Chiếu tín hiệu

trên I và Q

hai giá trị khác nhau, có hai vị trí có thể có trong biểu đồ trạng thái, vì vậy mỗi một ký hiệu sẽ được đặc trưng bởi bit 0 hoặc 1, tốc độ ký hiệu bằng tốc độ bit

Trong sơ đồ điều chế BPSK, dữ liệu số đầu vào 0 hoặc 1 được chuyển đổi vaò pha có giá trị tương ứng là 0 hoặc , vì vậy dạng sóng của nó sẽ có dạng

Trong đó là chuổi bit thông tin

Hình 2.3 Mô hình chòm sao của BPSK và QPSK 2.4.2 Điều chế dịch pha cầu phương

Một ứng dụng khác rất phổ biến của phương pháp điều chế dịch pha đó là phương pháp điêu chế dịch pha cầu phương (quadrature phase shift keying -QPSK), nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như là: CDMA, DVB-S, Cầu phương có nghĩa là tín hiệu dịch chuyển giữa các trạng thái pha lệch nhau

90o , tín hiệu chuyển lệch nhau 90o từ 45 đến 135, -45, hoặc -135, Các điểm này được lựa chọn vì có thể dể dàng thực hiện bằng cách sử dụng một bộ điều chế I/Q Chỉ có hai giá trị của I và hai giá trị của Q là cần thiết và một ký hiệu lúc này sẽ mang hai bít, có bốn trạng thái vì 22=4 Do đó, nó mang lại hiệu quả băng thông gấp đôi so với phương pháp điều chế BPSK

2.5 Điều chế khoá dịch biên:

Sử dụng một sóng mang có tần số và pha không đổi, tuy nhiên tuỳ thuộc vào dữ liệu tín hiệu số đầu vào, sẽ biến đổi biên độ của sóng mang theo các giá

Một bit tr n ký hiệu Hai bit tr n một ký hiệu

trị dữ liệu vào, cụ thể với tín hiệu vào là 0 thì biên độ được ánh xạ tới giá trị là 0

và ngược lại nếu dữ liệu tín hiệu đầu vào là 1 thì biên độ của sóng mang sẽ được định nghĩa bằng một giá trị khác không nào đó Đơn giản nhất của phương pháp điều chế này chính là BASK (binary ASK), dạng sóng của phương pháp điều chế này có dạng:

S(t)=dkcos(2fct) (2.1) Trong đó dk là giá trị bit nhị phân của dữ liệu tín hiệu số đầu vào

2.6 Điều chế biên độ cầu phương

Một phương pháp điều chế khác trong số các phương pháo điều chế số chính là phương pháp điều chế biên độ cầu phương (quadrature amplitude modulation – QAM), nó là sự kết hợp của hai phương pháp điều chế dịch biên

và dịch pha, phương pháp này được sử dụng trong các ứng dụng như DVB-C, LTE, Wimax

Phương pháp điều chế QAM được phân chia theo số bit trên một ký hiệu,

ví dụ nếu có 4 bit trên một ký hiệu gọi là điều chế 16QAM, nếu có 6 bit trên một

ký hiệu thì được gọi là phương pháp điều chế 64QAM

Các giới hạn thực tế hiện nay của phương pháp này là 256QAM, mặc dù các nhà khoa học đang nghiên cứu để có thể mở rộng giới hạn đến 512QAM hoạc 1024QAM

Hình 2.4: Giản đồ véctơ và sơ đồ chòm sao trong điều chế QAM

Giản đồ vé tơ Mô hìn chòm sa

Bốn bit tr n một ký hiệu Bốn bit tr n một ký hiệu Tốc đọ ký hiệu =1/4 tốc độ bit Tốc đọ ký hiệu =1/4 tốc độ bit

Trong bất kỳ một hệ thống điều chế số nào, nếu tín hiệu đầu vào mà bị méo hoặc bị suy giảm bên nhận sẽ bị mất hoàn toàn khoá biểu tượng, nếu bên nhận không thể phục hồi được thời gian ký hiệu, nó sẽ không thể giải điều chế tín hiệu hoặc phục hồi bất kỳ thông tin nào Với sự suy thoái không đáng kể, thời gian ký hiệu có thể được phục hồi, nhưng nó là nhiễu và vị trí của ký hiệu bản thân nó lại là nhiễu Trong một số trường hợp, một ký hiệu sẽ bị ảnh hưởng

và vượt ra ngoài phạm vi của trạng thái của bản thân nó trong sơ đồ chòm sao, I

và Q lúc này sẽ nhận dạng sai điểm này và vì thế bên nhận sẽ gây ra lỗi bít do tác động của nhiễu Với QPSK hiệu quả phổ không thực sự cao, nhưng các trạng thái của nó trong sơ đồ chòm sao là cách xa nhau vì thế khi nhiễu tác động vào, thì vị trí của trạng thái có thể bị thay đổi nhưng do phạm vi của điểm này là rộng nên bên nhận sẽ ít có khả năng đoán nhầm vị trí và vì thế khả năng lỗi bít

sẽ thấp hơn QPSK đòi hỏi công suất máy phát ít hơn QAM để đạt được cùng một tỷ lệ lỗi bit

Chúng ta có thể kết luận rằng điều chế số là hết sức quan trọng, nó là nền tảng cho các kỹ thuật truyền dẫn tiên tiến ngày nay, hiệu năng và công suất phát tín hiệu của các phương pháp điều chế là khác nhau Có nghĩa là phương pháp điều chế làm tăng hiệu quả phổ, tăng tốc độ truyền dẫn thì lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, đòi hỏi công suất phát phải lớn và yêu cầu các thiết bị nhận và phát tín hiệu phức tạp hơn, ngược lại các phương pháp điều chế đơn giản thì đòi hỏi công suất phát không quá lớn, khả năng bị tác động của nhiễu là thấp và yêu cầu máy phát và máy thu không quá phức tạp nhưng tốc độ truyền dẫn lại không cao

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO

Các kênh của mạng vô tuyến di động được mô tả bởi sự tiếp nhận đa đường: tín hiệu nhận được bên nhận bao gồm không chỉ là sóng vô tuyến truyền thẳng (line of sight - LOS), mà là có một số lượng lớn của các sóng vô tuyến phản xạ sẽ đến được bên nhận tại các thời điểm khác nhau Tín hiệu chậm trễ là kết quả của hiện tượng phản xạ từ các chướng ngại vật như là cây cối, đồi, núi hoặc các toà nhà, Hiện tượng phản xạ này làm cho các sóng chậm giao thoa với sóng truyền thẳng và đó chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ( intersysbol interference - ISI), với sự đổi hướng là nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất hoạt động của mạng Một mạng không dây sẽ được thiết kế để giảm thiểu khả năng bị ảnh hưởng của hiện tượng này

Để tăng băng thông cho mạng truyền thông đa phương tiện di động, rất cần sử dụng tốc độ truyền bít lớn lên tới vài megabit trên một giây Tuy nhiên, nếu dữ liệu số được truyền đi tại tốc độ vài megabit trên một dây, thời gian trễ của sóng trễ là lớn hơn thời gian của một ký tự, vì vậy việc sử dụng kỹ thuật cân bằng thích ứng tại bên nhận là một thuộc tính cho việc cân bằng các tín hiệu này Có một vài khó khăn về thực hành trong việc vận hành bộ cân bằng này tại

tốc độ một vài megabit trên một giây về việc thu gọn thiết bị hoặc giá thành phần cứng

Để khắc phục một môi trường đa đường với sự phức tạp thấp và để đạt được hệ thống truyền thông đa phương tiện băng không dây thông rộng (wireless broadband multimedia communication system – WBMCS), người ta đưa vào sử dụng mô hình truyền dẫn đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao (orthogonal frequency division multiplexing - OFDM)

3.2 Lịch sử của OFDM [7]

OFDM là trường hợp đặc biệt của kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang, có một luồng dữ liệu được truyền qua một số sóng mang con (sub carrer - SC) với tốc độ thấp hơn OFDM có thể được xem như là một kỹ thuật điều chế dồn kênh

và tăng khả năng sử dụng băng thông hiệu quả Một lý do chính để sử dụng OFDM là tăng khả năng chống chịu hiện tượng fading lựa chọn tần số hoặc sự giao thoa băng hẹp Trong một hệ thống đơn sóng mang, một hiện tượng fade đơn hoặc nhiễu có thể tác động và gây ra lỗi cho toàn bộ liên kết, nhưng trong

hệ thống đa sóng mang, chỉ có một tỷ lệ nhỏ của các SC bị ảnh hưởng và người

ta sử dụng mã phát hiện lỗi sau đó để sữa chữa những sai sót trong các SC, các khái niệm về sử dụng truyền các dữ liệu song song và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) đã được phát triển vào giữa những năm 1960

Trong một hệ thống dữ liệu song song cổ điển, tổng băng tần tín hiệu được chia thành N kênh con có tần số không chồng lấn, mỗi kênh con được điều chế với một ký hiệu riêng biệt, và sau đó N kênh con này được ghép tần số lại với nhau, nó là một cách tốt để tránh chồng chéo quang phổ của các kênh để giảm thiểu nhiễu liên kênh, tuy nhiên điều này dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả quang phổ, để khắc phục sự kém hiệu quả này, những ý tưởng đề xuất giữa những năm 1960 có sử dụng dữ liệu song song và FDM với việc chồng lấn các kênh con, trong đó kênh con mang theo một tỷ lệ tín hiệu b, b là khoảng cách

giữa các tần số để tránh việc sử dụng các tốc độ cao bằng nhau và để chống lại nhiễu và méo do đa đường, cũng như việc sử dụng toàn bộ băng thông sẵn có

Từ "orthogonal-trực giao" chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa tần số của các sóng mang trong hệ thống, trong một hệ thống FDM bình thường, nhiều sóng mang được cách nhau trong một khoảng mà các tín hiệu có thể nhận được bằng cách sử dụng bộ lọc thông thường và bộ giải điều chế ở bên nhận, các giải băng bảo vệ được đưa vào giữa các sóng mang và trong miền tần số nó gây nên việc kém hiệu quả của quang phổ

Điều đó là có thể, tuy nhiên, để sắp xếp các sóng mang trong tín hiệu OFDM sao cho các dải của các sóng mang riêng lẽ chồng lấn lên nhau và các tín hiệu nhận được vẫn không bị nhiễu giữa các sóng mang này, để làm được điều

đó các sóng mang phải trực giao về mặt toán học, bên nhận hoạt động như một ngân hàng của các bộ điều chế, dịch tất cả các thành phần sóng mang không cùng tần số về mức DC và kết quả sẽ nhận được tín hiệu

3.3 Điều chế đa sóng mang [8]

Hình 3.1 Điều chế đa sóng mang không chồng lấn (a), điều chế đa sóng mang chồng lấn (b)

Tần số

Tần số

Kho ng băng thông tiết kiệm

(a)

(b)

Như đã trình bầy ở trên, tín hiệu sóng được truyền đi trong môi trường không khí thường xảy ra hiện tượng fading lựa chọn tần số, cụ thể là thành phần tần số khác nhau bị mờ dần một cách khác nhau bởi các kênh

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu vấn đề này một cách rộng rãi và đề xuất nhiều giải pháp Trong các hệ thống sóng mang thông thường, chương trình cân bằng phức tạp được áp dụng để chống lại fading chọn lọc tần số này, các bộ cân bằng lý tưởng là có một phản ứng tần số đó là nghịch đảo chính xác của kênh, điều này thường đòi hỏi một số lượng vô hạn của máy cân bằng, tồi hơn, nhiễu gây ra trên các tín hiệu có thể được tăng cường thông qua các bộ cân bằng khi hiện tượng fading xảy ra Kết quả là, ngay với bộ cân bằng tốt nhất, một fading vẫn có thể dẫn đến lỗi liên kết truyền thông trong các hệ thống đơn sóng mang Đề xuất đầu tiên sử dụng truyền dữ liệu song song để chống lại kênh fading lựa chọn tần số được công bố khảng năm 1967 Trong hệ thống đó, chỉ

có một số ít các kênh con sử dụng các sóng mang thuộc phạm vi mỗi băng tần của fading sâu, với sự trợ giúp của các mã sữa lỗi, dữ liệu bị hỏng dọc theo các kênh con có thể được phục hồi, vì thế mã sữa lỗi là một yếu tố không thể thiếu trong các hệ thống đa sóng mang Trong hệ thống truyền tải song song đầu tiên, một số kênh con không chồng chéo chia sẽ toàn bộ băng tần, như trong hình 3.1(a), Dữ liệu độc lập được điều chế vào kênh con khác nhau và sau đó những kênh con này được ghép theo tần số, mục đích của việc không chồng lấn các kênh con lên nhau là để loại bỏ sự can thiệp có thể có giữa các kênh con liền kề nhau, còn được gọi là sự giao thoa giữa các sóng mang con (inter-carrier interference - ICI), Chú ý rằng, khoảng bảo vệ giữa hai kênh con liền kề tạo nên

sự lãng phí của quang phổ, vào giữa những năm 1960, hiệu quả quang phổ được cải thiện bằng cách lồng ghép các kênh con, như thể hiện ở hình 3.1(b), do đó đã tiết kiệm được khoảng 50% hiệu quả quang phổ, hướng tới mục tiêu này phương pháp điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được đề xuất

và phát triển OFDM không chỉ là một kỹ thuật ghép kênh tần số trực giao giữa các tín hiệu kênh con, mà còn là một trường hợp đặc biệt của điều chế đa sóng