Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE

Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động phát triển rất nhanh, theo hiệp hội viễn thông quốc tế(ITU)số thuê bao điện thoại di động toàn cầu hiện đạt mức 4,6 tỷ thuê bao vàdùng rộng rãi thế hệ thứ ba (3G), có thể cung cấp đa dạng dịch vụ với tốc độcao, chất lượng cao, và đang hướng đến 4G

Các mạng 3G đã triển khai nhiều nước trên thế giới, ngay cả trước khichúng được khai thác, các hoạt động nâng cấp chúng đã được quan tâm – đề

án công tác thế hệ ba (3GPP – The Third Generation Partnership Project).Khoảng 10 năm trước, số thuê bao di động 3G trên toàn thế giới khoảng trên

300 triệu, nhưng đến năm 2007 đã lên tới 3,1 tỷ và hiện nay là 4,6 tỷ (nghĩa làhơn một nửa số dân trên thế giới) Theo thống kê, hiện trên thế giới có khoảnghơn 300 mạng UMTS, trong đó có hơn 35 mạng HSPA đang hoạt động, vớihơn 200 triệu khách hàng Nói cách khác, gần 40% thuê bao 3G trên thế giớihiện đang được sử dụng công nghệ truyền tải dữ liệu tốc độ cao HSPA; ngoài

ra đến 2011 LTE – giai đoạn đầu của 4G cũng sẽ được triển khai

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA – High Speech DownlinkPacket Access) là một mở rộng của hệ thống 3G UMTS đã có thể cung cấptốc độ lên tới 10 Mbps trên đường xuống HSDPA là một chuẩn tăng cườngcủa 3GPP – 3G nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điềubiến QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA HSDPA hoạt độngtrên cơ sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và

sử dụng AMC (Adaptive Modulation and Coding – mã hóa kênh và điều biếnthích nghi) Để đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu

Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩnHSUPA (High Speech Uplink Packet Access – truy nhập gói đường lên tốc độcao) là công nghệ mạng di động ra đời sau HSDPA và được xem là công nghệ3,5G Đây là công nghệ chiếm ưu thế ở tốc độ đường lên: từ 1,4Mbps đến

5,76Mbps Ngược lại với HSDPA, HSUPA sử dụng kênh truyền nâng cao tốc

độ đường lên E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) theo các kỹ thuật tương

tự HSDPA Mục tiêu chủ yếu của HSUPA là cải tiến tốc độ tải lên cho cácthiết bị di động và giảm thời gian trễ trong ứng dụng game, email, chat HSUPA là công nghệ phát triển sau HSDPA nhằm thỏa mãn nhu cầu tươngtác thời gian thực với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ và độ tin cậy cao

Để tìm hiểu rõ hơn về HSUPA em đã chọn đề tài “Truy nhập gói đường

lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình phát triển của 3GPP LTE” nhằm mục

đích nghiên cứu cấu trúc các kênh số liệu và báo hiệu được sử dụng choHSUPA

Đồ án gồm 3 chương với nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan phát triển 3G lên 4G

Chương 2: Các công nghệ cơ bản của 3GPP LTE

Chương 3: Truy nhập gói đường lên tốc độ số liệu cao trong lộ trình pháttriển của 3GPP LTE

Em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của PGS.TS Phan HữuHuân, người đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn, và tạo mọi điều kiện giúp đỡ emhoàn thành đồ án này

Do hạn chế về thời gian và kiến thức, đồ án tốt nghiệp của em còn nhiềuthiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và cácbạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN 3G LÊN 4G

1.1 QUÁ TRÌNH TIÊU CHUẨN HÓA WCDMA/HSPA TRONG 3GPP : 1.1.1 Chuẩn hóa trong 3GPP :

a Chuẩn hóa HSDPA :

Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được đưavào kế hoạch nghiên cứu Trong năm 2000, khi tiến hành hiệu chỉnhWCDMA và nghiên cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần

có một số cải thiện cho truy nhập gói Để cho phép phát triển này, nghiên cứukhả thi (danh mục nghiên cứu) cho HSDPA vào đầu năm 2000 Nghiên cứunày được bắt đầu theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất 4 hãng ủnghộ) Các hãng ủng hộ bắt đầu nghiên cứu HSDPA gồm Motorola và Nokiathuộc phía các nhà máy, và BT/Cellnet, T-Mobile và NTT DoCoMo thuộcphía các nhà khai thác

Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên họp toàn thể TSG RAN Trongdanh mục nghiên cứu HSDPA có các vấn đề nghiên cứu để cải thiện truyềndẫn số liệu gói đường xuống so với R3 Các chuyên đề như phát lại lớp vật lý

và lập biểu dựa trên BTS đã được nghiên cứu cùng với mã hóa và điều biếnthích nghi Cùng với nghiên cứu này đã nghiên cứu công nghệ thu phát nhiềuanten (MIMO) và vấn đề chọn nhanh FCS (Fast Cell Selection)

Trong các chuyên đề liên quan đến HSDPA, danh mục nghiên cứuMIMO không hoàn thành trong chương trình khung thời gian R5 và R6, vàđây là lý do nó có mặt trong các chuyên đề R7 Nghiên cứu khả thi FCS đãđưa ra kết luận, lợi ích nhận được không nhiều so với việc tăng thêm độ phứctạp Sau kết luận này không đưa ra các nghiên cứu nào về FCS Trong khi tậptrung vào ghép song công phân chia theo tần số (FDD), ghép song công phânchia theo thời gian (TDD) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA

kể cả các giải pháp tương tự cả hai chế độ TDD(TDD băng hẹp và băngrộng).

b Chuẩn hóa HSUPA :

Chuẩn hóa HSUPA là thuật ngữ được dùng rộng rãi trên thị trường;trong quá trình chuẩn hóa HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới cái tên

“kênh riêng đường lên tăng cường” (E-DCH : Enhanced Uplink DedicatedChannel) Nghiên cứu được tiến hành trong giai đoạn hiệu chỉnh HSUPA vàđược bắt đầu bằng danh mục nghiên cứu về “tăng cường đường lên cho cáckênh truyền tải” Vấn đề này được sự ủng hộ của các nhà máy: Motorola,Nokia và của các hãng Ericsson, như chỉ ra trên hình 1.1

Hình 1.1 – Các kỹ thuật được xem xét cho HSUPA

Danh mục nghiên cứu kết thúc 03/2004 với khuyến nghị bắt đầu nghiêncứu trong 3GPP để đặc tả HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request – yêucầu phát lại tự động) lớp vật lý nhanh và cơ chế lập biểu dựa trên nút B chođường lên cũng như độ dài TTI (Transmission Time Interval) ngắn hơn.Ngoài ra, cơ chế thiết lập kênh DCH (Dedicated Channel – kênh điều khiển)nhanh hơn không đưa vào khuyến nghị này, nhưng các vấn đề này đã được đềcập trong danh mục nghiên cứu khác đối với phát hành 3GPP R6 Hình 1.2trình bày các kỹ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA

Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B

Điều biến bậc cao hơn

HARQ cho đường lên

Thiết lập kênh riêng nhanh

HSUPA ? Thiết lập TTI nhanh

cho đường lên

Hình 1.2 – Các kỹ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu

HSUPA

Quá trình nghiên cứu tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP được mô tảtrên hình 1.3

Hình 1.3 – Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP

1.1.2 Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA và HSUPA):

Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B

TTI ngắn hơn

cho đường lên

HARQ cho đường lên

Các thực hiện

để tiến vào thị trường 03/04

02/04

Bắt đầu nghiên cứu khả thi

Phân tích ảnh hưởng và lợi ích trong nhóm công tác

Trình bày kết quả cho TSG

Tạo lập danh mục nghiên cứu

Nghiên cứu chi tiết

và đưa ra các yêu cầu thay đổi

Chấp thuận yêu cầu thay đổi

Tạo lập các đặc tả

Hiệu chỉnh và kết thúc các danh mục nghiên cứu

Trong khi HSUPA được đặc tả, vẫn có các nghiên cứu phát triển để cải thiện R6 HSDPA cũng như một số các lĩnh vực khác như: đặc tả hiệu năng cho các đầu cuối tiên tiến hơn sử dụng thu phân tập và (hoặc) các máy thu tiên tiến; cải thiện tầm phủ sóng cho đường lên bằng cách sử dụng báo hiệu phản hồi đường lên; các cải thiện trong lĩnh vực di động của HSDPA bằng báo hiệu nhanh hơn và thời gian xử lý ngắn hơn.

Một danh mục nghiên cứu với tên “kết nối liên tục cho các người sửdụng số liệu gói” đã được định nghĩa bởi R7 với mục đích giảm chi phí trongcác thời gian phục vụ và duy trì liên kết nhưng không có lượng số liệu cầnthiết Một ví dụ cho kiểu dịch vụ này là dịch vụ thoại trên cơ sở gói với têngọi phổ biến là VoIP

Danh mục nghiên cứu MIMO vẫn tiếp tục được tiến hành với nhiều đềxuất Nguyên tắc chủ yếu là dùng hai (hay nhiều) anten phát với các luồngthông tin khác nhau và sau đó sử dụng hai (hay nhiều) anten kết hợp với xử lýtín hiệu tiên tiến tại đầu cuối để phân tích các luồng này như minh họa trênhình 1.4

Hình 1.4 – Nguyên lý MIMO với hai anten phát và hai anten thu

Đầu cuối với máy thu và khả năng giảm mã MIMO

PA – Bộ khuếch đại công suất

Các bộ lọc RF

và băng gốc

Phần phát BTS với khả năng có hai máy phát trên một đoạn ô

Giải trải phổ và giải mã không gian thời gian

Thách thức chủ yếu là phải chứng minh rằng liệu có nhận được tăng độlợi đáng kể so với độ lợi nhận được từ các cải thiện hiệu năng trong R6 và cácgiải pháp cải thiện dung lượng hiện có bằng cách bổ sung thêm máy phát Cáckết luận trong 3GPP cho đến thời điểm này chỉ là trong môi trường ô vĩ mô;HSDPA với MIMO hình như không mang lại lợi ích về dung lượng so vớitrường hợp thu phân tập và máy thu tiên tiến đầu cuối Vì thế thách thức nàyvẫn còn tiếp tục được xem xét trong R7; nghiên cứu sẽ hướng đến các ô nhỏhơn (các ô vi mô).

Các danh mục nghiên cứu cho HSDPA và HSUPA gồm vấn đề giảm trễthiết lập cuộc gọi chuyển mạch gói PS (Packet Switch) và chuyển mạch kênh

CS (Channel Switch) nhằm rút ngắn thời gian từ trạng thái rỗi sang trạng tháitích cực (cell – DCH) Vì hầu hết các bước trong WCDMA sẽ vẫn giữ nguyênkhông liên quan đến cuộc gọi CS hay PS, nên các cải thiện này mang lại lợiích cho cả HSDPA/HSUPA lẫn thiết lập cuộc gọi thoại bình thường, nghĩa làcác thiết bị hiện có có tiềm năng hơn vì các đầu cuối thay đổi, nhận đượcthêm các cải thiện trong hầu hết các trường hợp Phát triển HSPA trong R7(hay còn gọi là HSPA+) đã đưa đến tốc độ 28 Mbps cực đại trên đường xuống

và 11Mbps cực đại trên đường lên

1.2 KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN LTE (Long Term

Evolution):

Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các E –UTRAN TSG (Technical Specification Group – nhóm đặc tả kỹ thuật) Trongcác cuộc họp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kỹ thuật là được tán thành.Thậm chí trong các cuộc họp sau đó thì vấn đề này vẫn được xem xét lại.3GPP đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhóm nghiên cứu TSGRAN Lộ trình phát triển của LTE gắn liền với lộ trình phát triển của 3GPP,như chỉ ra trên hình 1.5

Hình 1.5 – Lộ trình phát triển 3GPP

Các vấn đề nghiên cứu thực hiện trong hai TSG :

 TSG RAN : Nghiên cứu chuẩn cho giao diện vô tuyến

 TSG SA : Nghiên cứu kiến trúc mạng

Quá trình nghiên cứu được, tiến hành trong nhóm TSG 3GPP LTE/SAEdưới điều hành của PCG ( Project Coordination Group – nhóm điều phối đề

án 3GPP ) được mô tả trên hình 1.6

TD – SCDMA

………

R5 03/2002 HSDPA IMS Thoại AMR

- WB

………

R6 05/2005 Đường lên tăng cường (E - DCH)

MBMS Tương tác WLAN - UMTS

R7, R8,….

LTE SAE Phát triển HSPA

……….

Hình 1.6 – Tổ chức các nhóm điều phối đề án 3GPP

1.3 IMT – Adv VÀ LỘ TRÌNH TỚI 4G:

Trong ITU, nhóm công tác 8F ( ITU – R WP 8F ) đang tiến hành nghiêncứu các hệ thống tiếp sau IMT – 2000 Khả năng IMT – 2000, các tăng cườngcủa nó và các hệ thống bao gồm các giao diện sau IMT – 2000 được chỉ ratrên hình 1.7 và bảng 1.1 là mục tiêu của 4G

PCG (Nhóm điều phối đề án 3GPP) (nhóm điều phối đề án 3GPP) TSG GERAN

vô tuyến)

GERAN WG1 (đặc tả lớp 1 vô tuyến)

GERANWG2 (đặc tả lớp 2 và

RR lớp 3 vôtuyến) GERAN WG3 (đặc tả IuB, Iur, Iu)

GERAN WG4 (Hiệu năng vô tuyến)

GERAN WG5 (đo kiểm lớp chuẩn đầu cuối)

GERAN SA (các vấn đề dịch

vụ và hệ thống)

TSG CT (mạng lõi và đầu cuối)

SA WG1 (các dịch vụ)

CT WG5 (Truy nhập với dịch vụ mở OSA)

SA WG3 (an ninh)

SA WG4 (codec)

SA WG5 (Quản lý viễn thông)

CT WG1 (MM/ CC/SM (In))

CT WG3 (Tương tác với mạng ngoài)

CTWG4 (MAP/GTP/ BCH/SS) BCH/SS)

SA WG2 (kiến trúc)

CT WG6 (Các vấn đề ứng dụng

hệ thông minh)

Bảng 1.1 – Mục tiêu của 4G

Tốc độ số liệu 100 Mbps cho vùng rộng, 1Gbps cho vùng hẹp

Thông tin Rộng khắp, di động, liên tục

Giá thành/bit 1/10 – 1/100 thấp hơn 3G

Giá thành cơ sở hạ tầng Thấp hơn 3G ( khoảng 1/10 )

Hình 1.7 – Các khả năng của IMT – 2000 và các hệ thống sau

IMT – 2000 theo khuyến khích M.1654 của ITU – R

ITU – R WP 8F tuyên bố rằng cần có các công nghệ vô tuyến di động mớicho các khả năng IMT – 2000, tuy nhiên chưa chỉ ra công nghệ nào Thuật

Thấp

100Mbps 10Mbps

không dây nội hạt/****

1000Mbps truy nhập vô tuyến mới

ngữ IMT-Adv được sử dụng cho các công nghệ sau IMT – 2000 và chứa cáckhả năng cho hệ thống trước đó Quá trình IMT – Adv đang được khởi thảotrong WP 8F Các công nghệ được đề cử sẽ được đánh giá dựa trên các tiêuchí đã thỏa thuận Vì các công nghệ này cần sự đồng thuận nên một số côngnghệ có thể áp dụng cho IMT-Adv không thể xác định trước, nhưng chắcchắn nó phải có sự cân đối giữa kinh tế và công nghệ; ngoài ra, khả năng sửdụng máy đầu cuối trên toàn cầu cũng được coi là một tiêu chí quan trọng.Một vấn đề nữa cũng được đặt ra trong ITU – R có liên quan đến IMT – 2000Adv là xác định phổ tần sử dụng.

Mặc dù 3GPP hiện nay chưa tiến hành nghiên cứu trực tiếp IMT – 2000Adv, tuy nhiên 3GPP sẽ đề xuất lên ITU – R IEEE 802.16 (Wimax) cũngđang được hoàn thiện khái niệm của mình để hướng đến đề xuất cho IMT –Adv trong 802.16m; tương tự 3GPP2 cũng đang tiến tới đề xuất IMT – Adv.LTE là một trong những con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại trong giaiđoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT – Adv LTE cho phép chuyển đổi từ

từ từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G, sau đó sang IMT – Adv Chuyển từLTE sang IMT- Adv là chia khóa của thành công trên thị trường

Ngoài LTE của 3GPP người ta cũng nghiên cứu các hướng đi khácsang 4G 3GPP2 để xuất là UMB (Untra Mobile Band) Ngoài ra WiMaxcũng có kế hoạch tiến tới 4G Quá trình tiến tới 4G của công nghệ hiện có mô

Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA ban đầu là 1,8 Mbps và tăng lên 3,6Mbps, rồi 7,2 Mbps vào 2006 và 2007; tiềm năng có thể đạt đến 14,4Mbpsnăm 2008.Trong giai đoạn đầu HSUPA là 1-2 Mbps trong giai đoạn hai đạtđến 4 5,7 Mbps vào 2008

2005

1995 1985

Thời gian

AMPS TACS

IMT – Advanced 4G

triển khai LTE

E3G

WIMAX/

IEEE

WCDMA Cdma200001x

Hình 1.8 - Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động đến 4G

HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng manghoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao, như hình 1.9.

Hình 1.9 - Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc

chung sóng mang với WCDMA(f1)

HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA Để nâng cấp WCDMAlên HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng trong BSC vàRNC Ban đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời gianthực, tuy nhiên R6 và R7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứngdụng tương tự khác

Khác với WCDMA trong tốc độ liệu trên các giao diện như nhau (384Kbps cho tốc độ cực đại tới hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khácnhau Hình 1.10 minh họa điều này cho HSDPA

Hình 1.10 - Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện

Iub

SGSN Tốc độ bit Iub

0 – 3 Mbps

Thông số QoS:

tốc độ bit cực đại: 3Mbps

Tốc độ HS –

DSCH đỉnh 14,4

Mbps

trên 2ms

MAC – hs: High speed: MAC tốc độ cao

Phân đoạn và lặp (RLC)

Ghép kênh (MAC - d)

Kênh riêng Phát lặp

HARQ nhanh (MAC - HS)

Phát lặp HARQ nhanh (MAC - e)

Sắp xếp lại (MAC - es)

Lớp vật lý

MAC – e: E-DCH MAC: MAC kênh E – DCH

MAC – es: thực thể MAC kênh E – DCH để sắp xếp lại thứ tự

Hình 1.11 - Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA

cho số liệu người sử dụng

1.5 TỔNG QUAN LTE :

Nhiệm vụ nghiên cứu của LTE và SAE có thể tóm tắt như sau:

Về phần vô tuyến (LTE):

 Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người dùng, trễ

 Đơn giản hóa mạng vô tuyến

 Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS

Về phần mạng (SAE):

 Cải thiện trễ, dung lượng, thông lượng

 Đơn giản mạng lõi

 Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ

 Đơn giản hóa việc hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệkhông phải 3GPP

Kết quả nghiên cứu của LTE là đưa ra các chuẩn mạng truy nhập vôtuyến với tên gọi là E –UTRAN (Enhanced Universal Terrestrial RadioAccess Network – mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường), đểđơn giản ta gọi chung là LTE Dưới đây ta xem xét tổng quan kiến trúc LTE

và kế hoạch nghiên cứu 3GPP

1.5.1 Tốc độ số liệu đỉnh :

LTE sẽ hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời tăng đáng kể Tốc độ này được định

cỡ tùy theo kích thước của phổ được ấn định Tốc độ đỉnh tức thời của LTEcho đường xuống đạt đến 100Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là20MHz (5bps/Hz), và tốc độ đỉnh đường lên là 50Mbps khi băng thông đượccấp phát cực đại là 20MHz (2,5bps/Hz) băng thông LTE được cấp phát linhhoạt từ 1,25MHz đến 20MHz, nghĩa là gấp 4 lần băng thông 3G UMTS

Tốc độ đỉnh có thể phụ thuộc vào số lượng anten phát và anten thu tại

UE (User Equipment – thiết bị người sử dụng) Trường hợp phổ được dùngchung cho cả đường lên và xuống, LTE không hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnhđường lên và xuống đồng thời

1.5.2 Thông lượng số liệu :

Thông thường đường xuống của LTE sẽ gấp 4 lần thông lượng đườngxuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một MHz Cần lưu ý rằng, thônglượng HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại nút B với tínhnăng tăng cường và một máy thu trong UE; trong khi đó LTE sử dụng cực đạihai anten tại nút B và hai anten tại UE, ngoài ra cũng cần nhấn mạnh rằng khibăng thông cấp phát tăng, thông lượng cũng tăng

Thông lượng đường lên trong LTE cũng tăng gấp hai đến ba lần thônglượng đường lên của R6 HSUPA tính trung bình trên một MHz, trong đó giảthiết rằng Re HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu tại nútB; còn đường lên trong LTE sử dụng hai anten phát tại UE và hai anten thu tạinút B

1.5.3 Hiệu suất phổ tần :

LTE đảm bảo tăng đáng kể hiệu suất phổ tần và tăng tốc độ bít tại biêntrong khi vẫn đảm bảo duy trì các vị trí đặt trạm hiện có của UTRAN vàEDGE Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của LTE tănggấp 3 đến 4 lần R6 HSDPA tính theo bit/s/Hz/trạm, trong đó giả thiết rằng R6HSDPA sử dụng một anten tại nút B và một anten máy thu; còn LTE sử dụng

2 anten tại nút B và một anten tại UE

Hiệu suất phổ tần kênh đường lên trong E – UTRAN phải gấp 3  4 lầnR6 HSUPA tính theo bit/s/Hz/trạm với giả thiết HSUPA sử dụng 2 anten tạinút B và một anten tại UE; còn LTE sử dụng 2 anten tại nút B và một antentại UE Cần lưu ý rằng, sự khác biệt về hiệu suất phổ tần trên đường xuống và

lên là do môi trường khai thác khác nhau giữa đường lên và đường xuống.Thông thường đường lên rất nhạy cảm với nhiễu vì thế giá thành để đảm bảohiệu quả tách sóng trong đường lên cao hơn đường xuống.

Bảng 1.2 – So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần

giữa LTE và HSDPAThông số HSDPA (R6) LTE Đích LTE/yêu cầu

Tốc độ đỉnh

Hiệu suất phổ tần

(bit/Hz/s) 0,75 14,84 3  4 lần HSDPA/đạt 2,5Thông lượng

người sử dụng 0,006 0,0148 2  3 lần HSDPA/ đạt

Bảng 1.3 – So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần

giữa LTE và HSUPA

Thông số HSDPA (R6) LTE Đích LTE/yêu cầuTốc độ đỉnh

50/ đã đạt

Hiệu suất phổ tần

(bit/Hz/s) 0,26 0,67 2  3 lần HSDPA/ đạt 2,6Thông lượng

người sử dụng 0,006 0,015 2  3 lần HSDPA/ đạt 2,5

LTE cần hỗ trợ sơ đồ ấn định băng thông khả định cỡ, chẳng hạn 5, 10,

20 và có thể cả 15MHz; cũng cần phải xem xét định cỡ băng thông 1,25 hay2,5 MHz để triển khai trong vùng băng thông được cấp phát hẹp Bảng 1.2 và1.3 cho thấy sự so sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữaLTE và HSPA trên đường lên và xuống

LTE cũng cần hỗ trợ các kỹ thuật cũng như các cơ chế để tối ưu hóa trễ

và mất gói khi chuyển giao trong hệ thống Các dịch vụ thời gian thực nhưthoại được hỗ trợ trong miền chuyển mạch kênh trước đây phải được E –UTRAN hỗ trợ trong miền chuyển mạch gói với chất lượng tối thiểu phảibằng chất lượng được hỗ trợ bởi UTRAN (chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo) trêntoàn bộ dải tốc độ Ảnh hưởng của chuyển giao trong hệ thống lên chất lượng(thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chất lượng được cung cấp trong miềnchuyển mạch kênh của GERAN

1.5.5.Vùng phủ :

LTE hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảmbảo các mục tiêu đã nêu ra trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại cácđài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có Thông thường hiệu suất sửdụng phổ tần và hỗ trợ nói trên phải đáp ứng các ô có bán kính 5km và vớigiảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán kính 30 km.

Như đã chỉ ra, LTE phải hoạt động trong các băng thông 1,25 MHz; 2,5MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz và 20 MHz trên cả đường lên và xuống Cầnđảm bảo chế độ làm việc đơn băng lẫn song băng Hệ thống phải hỗ trợ truyềnnội dung trên toàn thể các tài nguyên bao gồm cả các tài nguyên khả dụng đốivới các nhà khai thác (được gọi là Radio band Resource) trong cùng một băngtần hoặc trong các băng khác nhau trên cả đường lên và xuống Hệ thống phải

hỗ trợ lập biểu công suất, lập biểu thích ứng…

1.5.6.MBMS tăng cường :

Dịch vụ đa phương quảng bá đa phương tiện (MBMS – MultimediaBroadcast Multimedia Service) được đưa vào các dịch vụ của LTE Các hệthống LTE phải đảm bảo hỗ trợ tăng cường dịch vụ đa phương quảng báphương tiện LTE phải hỗ trợ các chế độ MBMS tăng cường so với hoạt độngcủa UTRA Đối với trường hợp đơn phương, LTE phải có khả năng đạt đượccác mục tiêu chất lượng như hệ thống UTRA khi làm việc trên cùng một đàitrạm Hỗ trợ MBMS của LTE cần đảm bảo các yêu cầu sau :

 Tái sử dụng các phần tử lớp vật lý : Để giảm độ phức tap đầucuối, sử dụng phương pháp đa truy nhập, mã hóa, điều biến về cơ bản áp dụngđơn phương cho các dịch vụ MBMS và cũng sử dụng tập chế độ băng thôngcủa UE cho các khai thác đơn phương cho MBMS

 Thoại và MBMS : giải pháp LTE cho MBMS phải cho phéptích hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dành riêng và các dịch vụMBMS cho người dùng

 Khai thác MBMS đơn băng : phải hỗ trợ triển khai các sóngmang LTE, mang các dịch vụ MBMS trong phổ tần đơn băng.

1.5.7.Kiến trúc và quá trình chuyển đổi :

Kiến trúc của LTE phải được sự đồng ý trong TSG Kiến trúc E –UTRAN phải được xây dựng trên cơ sở chuyển mạch gói mặc dù phải hỗ trợcác dịch vụ thời gian thực và giảm thiểu số lượng các giao diện LTE phảiđảm bảo chuyển đổi kinh tế từ kiến trúc và giao diện vô tuyến UTRAN củaR6 Thiết kế mạng LTE phải được thực hiện theo một kiến trúc LTE duy nhấtdựa trên gói (kiến trúc không dây toàn IP sẽ chiếm ưu thế trong mạng LTE).Kiến trúc LTE phải giảm thiểu xảy ra “một điểm nhiều sự cố” và vì thếphải có các biện pháp dự phỏng Kiến trúc LTE phải hỗ trợ yêu cầu QoS đầucuối đầu cuối (End – to - End) Ngoài ra, các giao thức thông tin đường trụcphải được tối ưu hóa trong LTE Các cơ chế QoS phải xét đến cho các kiểulưu lượng khác nhau để sử dụng hiệu quả băng thông

LTE phải hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau, nhất là trong miền PS(chẳng hạn VoIP, hiện diện) E – UTRAN (hay viết gọi E – RAN) phải đượcthiết kế để giảm thiểu các thay đổi trễ (Jitter) cho thông tin gói TCP/IP

Kiến trúc mô hình được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3GPP) đề xuấtcho kiến trúc LTE được chỉ ra trên hình 1.12, hình 1.13 và hình 1.14

Hình 1.12 – Kiến trúc mô hình B1 của E – UTRAN

cho trường hợp không chuyển mạng

Giao diện AAA

R1 R3

R2

G i

G i



x

G

Gn Iu

Gb

E - RAN UTRAN

SGSN GERAN

Lõi gói phát triển

PCFR

Internet

Các Server

IP tùy chọn (IMS, PSS, v.v)

Truy nhập IP của WLAN 3GPP HSS

Lõi gói phát triển

E - RAN

Truy nhập IP của WLAN 3GPP HSS

Hình 1.13 – Kiến trúc mô hình B2 của E – UTRAN trong đó

R h đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt

Trên mô hình 1.12 các ký hiệu được sử dụng như sau : R1, R2 và R3 làtên các điểm tham khảo 

x

G ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng PCRF(Policy and Charging Rules Function – chức năng các quy tắc tính cước vàchính sách) thể hiện chức năng các quy tắc tính cước và các chính sách pháttriển Các đường nối và các vòng tròn không liên tục thể hiện các phần tử vàcác giao diện mới của kiến trúc LTE

Trên mô hình kiến trúc 1.14 các ký hiệu được sử dụng như sau : Rh thểhiện chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Dự kiến giaodiện này sẽ tương đối tổng quát để đảm bảo các tổ hợp khác nhau của RAT

Hình 1.14 – Kiến trúc mô hình LTE theo TR.13.822

Neo SAE

MM E

PCFR2

Các Serve

r IP tùy chọn (IMS, DSS, v.v…) PCFR2 *

Truy nhập IP của WLAN

3GPP HSS

Internet

2.1.1.Mở đầu:

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: OrthogonalFrequency Division Multiplexing) là công nghệ truyền dẫn tiết kiệm băng tầnđược dùng trong các hệ thống vô tuyến băng rộng và siêu rộng OFDMA làphương pháp đa truy nhập dựa trên nguyên lý OFDM được dùng trong các hệthống thông tin di động băng rộng thay cho CDMA

Ứng dụng trong thông tin di động, OFDMA có ưu điểm rất lớn về khảnăng chống ảnh hưởng của truyền tín hiệu đa đường Khả năng đề kháng đạtđược nhờ hệ thống OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trựcgiao với mỗi sóng mang con hoạt động trên tốc độ bit chỉ bằng 1/N tốc độ bitthông tin cần truyền Tuy nhiên với sóng mang OFDM có sự thăng giángđường bao (biến động đường bao) rất lớn dẫn đến tỷ số giữa công suất đỉnh vàcông suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio) rất lớn Tín hiệuvới PAPR cao nhưng yêu cầu các bộ khuếch đại công suất có tính truyền cao

để tránh méo tín hiệu thì bộ khuếch đại phải làm việc ở chế độ công tác với

độ lùi (so với điểm bão hòa) cao, và dẫn đến hiệu suất sử dụng công suất củakhuếch đại thấp, nghĩa là chế độ không có lợi đối với máy thu cầm tay Ngoài

ra với OFDMA trong các hệ thống thông tin di động là cần phải dịch các tần

số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời Dịch tần phá hoại tính trựcgiao của các kênh truyền dẫn, nghĩa là gây ra nhiễu đa truy nhập

Để khắc phục các nhược điểm trên, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phươngpháp đa truy nhập đường lên theo công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần

số đơn sóng mang (SC-FDMA : Single Carrier Frequency Division MultipleAccess) và áp dụng cho LTE (Long Term Evolution), tuy nhiên việc giảmmức PAPR không cao

Truyền dẫn đa sóng mang băng rộng là một giải pháp phù hợp cho đườnglên, nghĩa là cho máy phát đầu cuối di động, tuy nhiên phải nghiên cứu xử lýméo dạng tín hiệu cho phading chọn lọc tần số trong máy di động Đây là một

công nghệ có nhiều tiềm năng cho thông tin đường lên tốc độ cao trong các hệthống thông tin di động tương lai.

2.1.2 Nghiên cứu hoạt động của OFDM:

Hình 2.1 – Ký hiệu điều biến và phổ của tín hiệu OFDM

Kiểu truyền dẫn OFDM là dạng truyền dẫn đa sóng mang, có hai đặcđiểm: sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp (Ví dụ đối với WCDMA đa sóngmang băng thông là 20MHz dùng cho 4 sóng mang mỗi băng tần con là5MHz; khi OFDM cũng với băng tần 20MHz nhưng có thể sử dụng đến 2048sóng mang con, nên băng tần coi là 15KHz); sóng mang con trực giao nhau vàkhoảng cách giữa hai sóng mang con liền kề bằng đại lượng nghịch đảo củathời gian ký hiệu điều biến sóng mang con, như chỉ ra trên hình 2.1 Vì thếcác sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDM

Nếu tín hiệu N là tổng của sóng mang con của hệ thống truyền dẫnOFDM và P là số sóng mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sửdụng, thì sơ đồ khối của hệ thống OFDM được biểu diễn trên hình 2.2

Hình 2.2 – Sơ đồ khối của một hệ thống OFDM

tín hiệu ra x(t) được truyền qua kênh đến máy thu.

- Tóm tắt nguyên lý hoạt động:

Trong máy phát, các khối ký hiệu điều biến (thường sử dụng QPSK

hay xQAM) gồm P ký hiệu điều biến, được ký hiệu là X 0, X 1 ,K,X p-1 ,được đưa

qua bộ biến đổi nối tiếp và song song (S/P) để nhận được P luồng song song

X 0, X 1 ,K,X p-1 , với độ dài ký hiệu mỗi luồng bằng TFFT (TFFT là độ dài hiệu dụng

của một ký hiệu OFDM) Mỗi ký hiệu điều biến X i (i=0,1,K,P -1) có giá trị

phức thể hiện phổ rời rạc của sóng mang con thứ i trong số N sóng mang con

của hệ thống Các sóng mang con điều biến X 0, X 1 ,K,X p-1 , được kết hợp với

N-P sóng mang con rỗng để tạo nên tập  x i , (i = 0,1,…,N-1) giá trị phức và

1

1 0



P

X

X X



x(m)

1

1 0



N

x

x x



Không

1 0



PX

X X



1 1

ADC

được đưa lên N đầu vào của bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT: InverseFast Fourier Transform) IFFT cho ra N sóng mang con trong miền thời gian

 x i , (i = 0,1,…,N-1) Các sóng mang con x i này là những mẫu rời rạc vớitần số lấy mẫu:

FFT S

T

N f N

Trong đó f là khoảng cách giữa các sóng mang con, và chu kỳ lấy mẫu:

N

T f

2 , ,

N m

m N

i j k i k

(2.1.1)

Ở đây i = 0,1,…,N-1; k là một số nguyên nằm trong miền -  , ký hiệu

cho sóng mang con thứ i của ký hiệu OFDM tại thời điểm k; X i , k là giá trịphức của tín hiệu được điều biến thông thường (QPSK hay xQAM) của sóng

mang con thứ i, tại thời điểm k; m = 0,1,…,N-1 là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu với thời gian lấy mẫu T S = T TFF /N tương ứng và tần số lấy mẫu

f s = N/T FFT

Tín hiệu đầu ra của bộ biến đổi song song vào nối tiếp (P/S) trong miền thời

gian tại thời điểm k được xác định:

2 , 1

0

N m

m N

i j k i N

2 ,

N m

m N

i j k

i e

(2.1.2)Tín hiệu đầu ra của bộ P/S sẽ đưa vào bộ chèn CP (Cyclic Prefix) đểthực hiện chèn thêm V mẫu (độ dài TCP) vào đầu ký hiệu OFDM để đạt được

độ dài ký hiệu T = T FFT +T CP, trong đó TFFT là độ dài hiệu dụng và TCP là

khoảng thời gian bảo vệ để chống nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) gây ra dophading đa đường và V mẫu được chèn là V mẫu được copy từ các mẫu cuối

cùng của tín hiệu x k ở liền trước mẫu đang xét Thông thường TCP được chọnbằng thời gian trễ trội cực đại (trễ của đường truyền đến muộn nhất còn đượcxét so với trễ của đường truyền đến sớm nhất) Bộ biến đổi tần số vào tương

tự (DAC) sẽ cho ra tín hiệu tương tự trong miền thời gian:

(2.1.3)Hay:

(2.1.4)

Ý nghĩa của việc chèn CP được giải thích như trên hình 2.3 Trongtrường hợp kênh tán thời do bị phading đa đường gây ra, một phần tính trựcgiao giữa các sóng mang con sẽ bị phá hủy Từ hình 2.3 ta thấy rằng, phầncuối của ký hiệu OFDM phát trước đó đến trễ thời gian  sẽ chồng lên phầnđầu của ký hiệu OFDM phát tiếp sau Như vậy, trong trường hợp này cótương quan trong bộ giải điều biến cho ký hiệu được xét (ký hiệu sau) dochồng lấn của một phần ký hiệu trước đó (hình 2.3-a) Vì thế phân tích tínhiệu đi thẳng từ máy phát đến máy thu luôn luôn có chứa tín hiệu (nhiễu)phản xạ của ký tự trước đó Hậu quả không chỉ xảy ra nhiễu giữa các ký hiệuISI, mà còn xuất hiện nhiễu giữa những sóng mang con (ICI), đây là nhiễunhưng sóng mang con trong kênh vô tuyến

Nguyên nhân gây ra tán thời là do đáp ứng tần số của kênh phadingchọn lọc tần số, vì thế tính trực giao giữa các sóng mang không chỉ được đảmbảo bởi phân cách giữa chúng trong miền tần số mà còn bởi cấu trúc đặc thù

của miền tần số đối với từng sóng mang, thậm chí nếu kênh miền tần sốkhông thay đổi đối với búp phổ chính của một sóng mang con OFDM và chỉ

có búp phổ bên (phụ) bị hỏng do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến, thìđiều này cũng dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng mang con cùng vớinhiễu giữa chúng Do búp bên của mỗi sóng mang con OFDM lớn, nên dùlượng tán thời đã bị hạn chế (tương ứng với tính chọn lọc tần số của kênh vôtuyến thấp) vẫn có thể gây ra nhiễu giữa các sóng mang con

việc giảm tốc độ ký hiệu OFDM Từ hình 2.3-b cho thấy tương quan vẫn

được thực hiện trên đoạn thời gian T FFT = 1/f , nghĩa là tính trực giao củasóng mang được đảm bảo ngay cả trong trường hợp kênh tán thời chừng nàođoạn tán thời còn ngắn hơn độ dài CP Nhược điểm của chèn CP là chỉ một

phần T FFT /( T FFT+ T CP ) của công suất tín hiệu thu là phần thực tế được bộ giải

mã điều biến OFDM sử dụng, nghĩa là mất một phần công suất khi giải điềubiến OFDM Bên cạnh việc mất công suất chèn CP còn gây ra mất băng thông

do tốc độ ký hiệu OFDM giảm trong khi độ rộng băng tần của tín hiệu khônggiảm Có một cách để giảm CP là giảm khoảng cách giữa các sóng mang f ,tương ứng với tăng TFFT Tuy nhiên cách này làm tăng độ nhạy cảm củatruyền dẫn OFDM với sự thay đổi nhanh của kênh trải Doppler cao và cáckiểu sai số tần số khác

Rõ ràng không thể bao phủ toàn bộ độ dài của tán thời kênh Như vậycần có sự cân nhắc giữa mất công suất do CP và hỏng tín hiệu do ISI, ICI màphần dư tán thời do CP không phủ hết gây ra, nghĩa là luôn tồn tại một TCPtối ưu

b Nguyên lý hoạt động của máy thu:

- Các khối chức năng:

Từ hình 2.2 ta thấy phần máy thu gồm các khối cơ bản sau: Bộ biếnđổi tương tự số (ADC); Bộ loại (khử) chèn CP; Bộ biến đổi nối tiếp vào songsong (S/P); Bộ biến đổi Fourier nhanh (FFT); Bộ biến đổi song song vào nốitiếp (P/S) Như vậy sau tín hiệu đầu vào máy thu y(t) sẽ nhận được đầu ra dãytín hiệuX P 1,K, X0

lại dạng rời rạc, tín hiệu này đi qua bộ loại chèn CP để nhận được ở đầu ra tín

hiệu y(m) Tín hiệu y(m) được đưa qua bộ biến đổi nối tiếp vào song song (S/ P) để nhận được đầu ra, tín hiệu song song y 0, y 1,K, y N-1; tín hiệu này được đưa

qua bộ FFT (N điểm) để nhận được đầu ra các tín hiệu song song X 0, X 1 ,K,X

P-1 ,K,X N-1 Các tín hiệu từ X 0, X 1 , K,X P-1 được đưa qua bộ biến đổi song song vào

nối tiếp để nhận lại chuỗi tín hiệu X P-1 , K,X 0 (với giả thiết hệ thống lý tưởng)

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

Như đã biết, chất lượng kênh vô tuyến luôn bị phading chọn lọc tần số làmthay đổi trong miền tần số

Hình 2.4 – Mô tả vai trò của mã hóa kênh trong OFDM (mã hóa kết hợp với đan xen tần số để cung cấp phân tập tần số

cho truyền dẫn OFDM)

Hình 2.4-a và hình 2.4-b cho thấy sự phụ thuộc của chất lượng kênh vôtuyến (công suất tín hiệu thu hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm) vào tần số đốivới trường hợp đơn sóng mang băng thông rộng, chẳng hạn WCDMA (hình2.4-a), và đa sóng mang cho OFDM (hình 2.4-b) Trong trường hợp truyềndẫn đơn sóng mang, mỗi ký hiệu điều biến được truyền trên một băng thôngrộng, trong đó do ảnh hưởng của phading chọn tần băng thông rộng có thểbao gồm cả vùng tần số có chất lượng truyền dẫn cao lẫn vùng tần số có chấtlượng truyền dẫn thấp Việc truyền dẫn thông tin trên một băng tần rộng (gồmnhiều dải băng) với nhiều chất lượng khác nhau như trường hợp này được gọi

là phân tập tần số

Trong OFDM, mỗi ký hiệu chỉ được truyền trên một băng thông hẹp (băngcon, ví dụ 15KHz), vì thế một số ký hiệu có thể rơi vào vùng tần số có chấtlượng kênh rất thấp Như vậy, từng ký hiệu riêng lẻ thông thường sẽ khôngnhận 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 sốtương đối kém và kém hơn nhiều so với tỷ số lỗi bit cơ sở trong trường hợptruyền dẫn đơn sóng mang băng rộng (chẳng hạn với WCDMA)

Tuy nhiên, trong thực tế mã hóa kênh được sử dụng trong hầu hết các hệthống thông tin số, nhất là trong thông tin di động Ta chú ý rằng, trong mãhóa kênh mỗi bit thông tin được truyền phân tán trên nhiều bit mã Nếu sau đócác bit mã này thông qua các ký hiệu điều biến và được sắp xếp lên các sóngmang con, mà sóng mang con này được phân bố hợp lý trên toàn bộ băngthông truyền dẫn của tín hiệu OFDM, như hình 2.4-c, thì mỗi một bit thôngtin sẽ nhận được phân tập tần số, nghĩa là mỗi một bit được truyền trên cácbăng tần có chất lượng khác nhau của kênh, mặc dù các sóng mang con và cácbit mã không nhận được phân tập tần số Phân bố các bit mã trong miền tần số

chỉ ra trên hình 2.4-c, đôi khi được gọi là “đan xen tần số” Đan xen tần sốtrong trường hợp này giống như “đan xen thời gian” được sử dụng kết hợpvới mã hóa kênh để chống phading thay đổi theo thời gian.

Tóm lại, ngược 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 nhanhđược ích lợi từ phân tập tần số trong kênh chọn lọc tần số Do mã hóa kênhthường được sử dụng trong thông tin di động nên đây không phải là nhượcđiểm quá nghiêm trọng của OFDM, ngoài ra cũng cần nhấn mạnh rằng ngay

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

số sẵn có

2.1.4 Chọn các thông số của OFDM cơ sở:

Chọn lựa các thông số của OFDM cơ sở gồm xác định khoảng cách giữacác sóng mang con (f ); và số lượng sóng mang con (N); chọn độ dài CP

(TCP) Ba thông số này có liên quan đến quyết định băng thông truyền dẫn của

sử dụng OFDM Ta sẽ xem xét việc chọn lựa thông số băng thông thông qua

ba thông số sau:

a Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM:

Có hai tiêu chí để cân nhắc việc chọn sóng mang con:

- Khoảng cách giữa những sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TTFF

càng lớn càng tốt) để giảm thiểu tỷ lệ chi phí cho CP(T CP /(T FFT +T CP ))

- Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng nhạy cảmcủa truyền dẫn OFDM đối với trải Doppler

Khi truyền qua kênh phading vô tuyến, do trải Doppler lớn, kênh cóthể thay đổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan TFFT, dẫn đến trực giao giữacác sóng mang bị mất do nhiễu giữa những sóng mang

Trong thực tế, đại lượng nhiễu giữa các sóng mang có thể chấp nhậnrất lớn tùy thuộc vào dịch vụ cần cung cấp và mức độ tín hiệu thu chịu đượctạp âm và các nhân tố gây giảm cấp khác Chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỷ

số tín hiệu trên tạp âm công suất nhiễu có thể khá thấp khi tốc độ số liệu thấp

Vì thế một lượng nhỏ nhiễu bổ sung giữa các sóng mang con do trải Doppler

có thể bỏ qua Tuy nhiên trong các trường hợp tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộngcao trong các ô nhỏ hay tại các vị trí gần trạm BS, khi cần cung cấp các sốliệu tốc độ cao, cùng một lượng nhiễu giữa các sóng mang con như trên cũng

có thể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều Cũng cần lưu ý rằng, ngoài trải Doppler,nhiễu giữa những sóng mang con cũng xảy ra do hoạt động không chính xáccủa máy phát và máy thu như: sai số tần số và tạp âm pha

b Số lượng các sóng mang con P:

Sau khi chọn được khoảng cách giữa các sóng mang con theo môitrường (dựa trên các cân nhắc giữa trải Doppler và tán thời), nghĩa là số lượngsóng mang con đã được xác định cho băng thông khả dụng và phát xạ ngoài

băng Độ rộng của băng tần cơ sở đối với tín hiệu OFDMA bằng P.f Tuynhiên, phổ của tín hiệu OFDM cơ sở giảm rất chậm bên ngoài độ rộng băngtần OFDM cơ sở, như chỉ ra trên hình 2.5

Hình 2.5 – Phổ của tín hiệu OFDM cơ sở 5MHz

Nguyên nhân gây ra phát xạ ngoài băng lớn là do tạo dạng xung chữnhật, dẫn đến các búp sóng bên (phụ) giảm rất chậm Tuy nhiên, trong thực tếnếu lọc hoặc tạo dạng xung có thể loại bỏ phần lớn các phát xạ ngoài băngcủa OFDM Trong thực tế dành 10% băng tần cho bảo vệ đối với tín hiệuOFDM Ví dụ, nếu băng thông khả dụng là 5MHz, thì độ rộng băng tần tín

hiệu OFDM (P.f ), chỉ có thể vào khoảng 4,5MHz (giả thiết LTE sử dụng

f

 =15KHz)

c Chọn độ dài của tiền tố CP:

Về nguyên tắc, độ dài CP (TCP), phải đảm bảo phủ được độ dài cựcđại của tán thời ước lượng có thể xảy ra Tuy nhiên tăng độ dài CP mà khônggiảm f sẽ dẫn đến tăng chí phí công suất cũng như băng thông, nghĩa làgiảm hiệu quả của hệ thống Mất công suất dẫn đến giảm kích thước ô và hệthống bị hạn chế nhiều hơn bởi công suất, vì thế cần có sự cân đối giữa côngsuất cho CP và thiệt hại tín hiệu do tán thời không được CP bao phủ hết.Ngoài ra, mặc dù khi kích thước ô tăng, tán thời cũng tăng, nhưng khi kíchthước ô vượt quá một giá trị nào đó cũng không nên tăng TCP, vì mất côngsuất cũng dẫn đến ảnh hưởng xấu lên tín hiệu nhiều hơn ảnh hưởng của tánthời do không phủ hết bởi CP Một lý do nữa để giải thích phải sử dụng TCPdài hơn liên quan đến trường hợp truyền dẫn đa ô với việc sử dụng mạng đơntần (SFN: Single Frequency Network

Như vậy, để tối ưu hiệu năng đối với các môi trường khác nhau, một

số hệ thống OFDM hỗ trợ nhiều độ dài CP Các độ dài CP khác nhau này cóthể được sử dụng trong các trường hợp sau:

- CP ngắn hơn dùng cho các ô nhỏ để giảm thiểu chi phí công suất

- CP dài hơn dùng cho các môi trường có tán thời lớn và đặc biệttrong môi trường SFN

2.1.5 Sử dụng OFDM để ghép kênh và đa truy nhập:

Hình 2.6 – Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập

a – Đường xuống; b – Đường lên

OFDM được sử dụng để ghép kênh và đa truy nhập Hình 2.6 mô tả việc

sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập để truyền dẫn đồng thời cáctín hiệu đến/từ các đầu cuối bằng cách phân chia theo tần số trực giao.Phương pháp này được gọi là ghép kênh các người sử dụng cho đường xuống(từ BS đến các đầu cuối di động) và đa truy nhập cho các đường lên (từ cácmáy đầu cuối di động đến BS).Trên đường xuống, OFDM được sử dụng làm

sơ đồ ghép kênh các người sử dụng, nghĩa là trong khoảng thời gian một chu

kỳ OFDM, toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thành các tập khácnhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau để truyền đến các đầucuối khác nhau,như chỉ ra trên hình 2.7-a Tương tự, trên đường lên, OFDMđược sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập Lúc này, trong khoảng thời gian mộtchu kỳ tín hiệu OFDM toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thànhcác tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau đểtruyền từ các đầu cuối khác nhau đến BS, như chỉ ra trên hình 2.7-b Sơ đồ đatruy nhập đường lên sử dụng OFDM được gọi là đa truy nhập phân chia theotần số trực giao (OFDMA: OFDM Access) cho đường từ UE đến BS

Hình 2.7 – Ghép kênh người sử dụng/đa truy nhập sử dụng OFDM

Trong hình 2.6 ta giả thiết các sóng mang con liên tiếp được sử dụng đểtruyền đến/từ máy di động (UE) Tuy nhiên các tập con sóng mang con đượcphân bố trên toàn bộ các sóng mang con khả dụng cũng được sử dụng đểtruyền đến/từ các máy đầu cuối di động hình 2.7 Lợi ích của sơ đồ OFDMphân bố là có thể nhận được phân tập tần số bổ sung trải rộng trên toàn bộbăng thông rộng hơn cho đường truyền Trong trường hợp OFDMA được sửdụng cho đường lên, tín hiệu OFDM phát đi từ các đầu cuối di động khácnhau được ghép kênh theo tần số, điều quan trọng là các đường truyền dẫnđược phát đi từ các đầu cuối tại các vị trí khác nhau so với trạm BS, nhưngphải đến BS đồng bộ theo thời gian Đặc biệt là sự mất đồng bộ giữa cácđường truyền dẫn từ các UE khác nhau tại trạm BS phải nhỏ hơn độ dài CP đểđảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thu được từ đầu cuối di động

để tránh nhiễu giữa các người sử dụng

Do khác nhau về khoảng cách từ các UE đến BS, nghĩa là thời gian truyềndẫn từ các UE đến BS cũng sẽ khác nhau, mà sự khác nhau này có thể lớnhơn TCP nhiều, nên cần phải thực hiện điều khiển định thời phát của từng

UE, như chỉ ra trên hình 2.8 Điều khiển định thời phát của từng UE để đảmbảo các truyền dẫn đường lên được đồng bộ tại BS Do thời gian lan truyềnthay đổi khi UE di chuyển trong ô, nên điều chỉnh định thời phát phải là quátrình tích cực liên tục cho từng UE

Hình 2.8 – Điều khiển định thời phát đường lên

Rõ ràng, ngay cả khi điều chỉnh định thời hoàn hảo, vẫn luôn có một lượng nhiễu giữa các sóng mang con do sự lệch tần số Trong trường hợp sai lệch tần số hợp lý và trải Doppler nhỏ, thì nhiễu này tương đối nhỏ Tuy nhiên điềunày chỉ xảy ra khi giả thiết công suất các sóng mang con thu tại BS gần như nhau Trên đường lên do khoảng cách của các UE đến BS khác nhau vì thế suy hao đường truyền này cũng khác nhau Nếu hai UE phát cùng một công suất thì tín hiệu thu tại BS tất nhiên sẽ khác nhau, và vì thế tín hiệu thu nào tại

BS mạnh hơn sẽ gây nhiễu lên tín hiệu yếu hơn cho dù vẫn duy trì được trực giao hoàn hảo giữa các xung của UE Để tránh điều này phải thực hiện điều khiển công suất phát của các UE với OFDMA đường lên để đảm bảo các

công suất tín hiệu đến BS từ các UE như nhau cho dù UE ở gần hay xa BS

2.1.6 Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC - FDMA) :

Trong các ứng dụng thông tin di động, OFDMA có ưu điểm quan trọng là

đề kháng đối với ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường Khả năng đề kháng nàyđạt được nhờ sử dụng OFDM phát thông tin trên N sóng mang con hoạt độngtại tốc độ bit chỉ bằng 1/N tốc độ bit của thông tin cần truyền, tuy nhiên cónhược điểm là PAPR cao Một nhược điểm nữa của OFDM trong hệ thốngthông tin di động là cần dịch các tần số hoa tiêu đối với các đầu cuối phátđồng thời Dịch tần phá hoại tính trực giao của các cuộc truyền dẫn OFDMA,nghĩa là xảy ra nhiễu đa truy nhập

Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã đề xuất sử dụng phương pháp đatruy nhập đường lên trong truyền dẫn DFTS – OFDM và được gọi là “đa truynhập phân chia theo tần số đơn sóng mang” (SC – FDMA: Single Carrier –Frequency Division Multiple Access) và được áp dụng cho LTE Tương tựOFDMA, các máy phát trong hệ thống SC – FDMA sử dụng các tần số trựcgiao khác nhau (các sóng mang con) để phát các ký hiệu thông tin, nhưng các

ký hiệu này không phát song song mà phát lần lượt Vì thế, không nhưOFDMA, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thay đổi đường bao của tínhiệu của dạng sóng phát Như vậy, các tín hiệu SC – FDMA có PAPR thấphơn các tín hiệu OFDMA đã xét trước Tuy nhiên, trong hệ thống thông tin diđộng bị ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường, nên tín hiệu FDMA nhận tạitrạm thu phát gốc (BTS) bị nhiễu giữa các ký hiệu khá lớn BTS sử dụng bộcân bằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này Cách tổ chức này phùhợp cho các hệ thống thông tin di động, nó cho phép giảm yêu cầu đối với bộkhuếch đại công suất tuyến tính trong các máy di động (MS) với việc trả giábằng thích ứng miền tần số phức tạp tại BTS Hình 2.9 mô tả nguyên lý hoạtđộng của SC – FDMA

Hình 2.9 – SC – FDMA trên cơ sở DFTS – OFDM

a – ấn định băng thông bằng nhau; b – ấn định băng thông khác nhau

Hình 2.9-a mô tả trường hợp đa truy nhập của hai đầu cuối được ấn

định băng thông bằng nhau (P1=P2), còn hình 2.9-b mô tả trường hợp đa truy nhập của hai đầu cuối được ấn định băng thông khác nhau (P 1 P 2) Bằng

cách dịch các đầu ra của DFT đến các đầu vào thích hợp của IFFT, hệ thống

có thể phát tín hiệu vào đúng vị trí miền tần số được quy định theo lập biểu

Hình 2.10 – Thí dụ minh họa sự khác nhau trong việc truyền

các ký hiệu số liệu theo thời gian đối với OFDMA và SC – FDMA (OFDMA truyền song song; còn SC – FDMA truyền nối tiếp)

Hình 2.10 cho thấy sự khác nhau trong quá trình truyền các ký hiệu số liệutheo thời gian Trên hình này ta giả thiết rằng, mỗi người sử dụng được phân

bốn sóng mang con (P=4) với băng thông bằng 15KHz, trong đó mỗi ký hiệu

OFDMA hoặc SC – FDMA truyền bốn ký hiệu số liệu được điều biến QPSKcho mỗi người sử dụng Hình 2.10 bên trái cho thấy đối với OFDMA, bốn kýhiệu số liệu này được truyền đồng thời với băng con cho mỗi ký hiệu bằng15KHz trong khoảng thời gian hiệu dụng TFFT của một ký hiệu OFDMA, cònđối với SC – FDMA (bên phải) 4 ký hiệu số liệu này được truyền lần lượttrong khoảng thời gian bằng 1/P (1/4) thời gian hiệu dụng ký hiệu SC –

FDMA với băng thông bằng P15KHz=415KHz cho mỗi ký hiệu.

Giống như OFDMA, thông lượng SC – FDMA phụ thuộc vào cách sắpxếp các ký hiệu thông tin lên các sóng mang con Có hai cách phân bố sóngmang con giữa các máy đầu cuối như sau:

a SC – FDMA khoanh vùng (LFDMA):