Quy hoạch mạng 4g LTE và áp dụng cho thành phố hồ chí minh

DANH MỤC THUẬT NGỮ, VIẾT TẮT 3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 4G Four Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 3GPP Thi

-

NGUYỄN THỊ QUỲNH VÂN

QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG

CHO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-

NGUYỄN THỊ QUỲNH VÂN

QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG

CHO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.PHẠM HUY HOÀNG

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC THUẬT NGỮ, VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

MỞ ĐẦU 11

1 Lý do chọn đề tài 11

2 Mục đích nghiên cứu 12

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

4 Các nội dung chính, đóng góp mới 13

5 Phương pháp thực hiện 13

6 Bố cục của đề tài 13

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 15

1.1 Mạng thông tin di động hiện nay 15

1.1.1 Lịch sử phát triển 15

1.1.2 Ưu nhược điểm của mạng thông tin di động hiện nay 16

1 2 Tổng quan về mạng 4G 17

1.2.1 Thế nào là mạng 4G 17

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật cho một hệ thống 4G 19

1.2.3 4G - mạng toàn IP, vượt trội hơn so với 3G 20

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE .23

2.1 Giới thiệu công nghệ LTE 23

2.2 Cấu trúc mạng LTE 24

2.2.1 Mạng lõi Evolved Packet Core (EPC) 25

2.2.2 Mạng truy nhập E-UTRAN 26

2.3 Giao thức của LTE 27

2.3.2 Các giao thức điều khiển 29

2.4 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE 30

2.4.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM 30

2.4.2 Kỹ thuật SC-FDMA 40

2.4.3 Kỹ thuật MIMO 42

CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE 46

3.1 Giới thiệu về quy hoạch mạng vô tuyến 46

3.1.1 Nguyên lý chung 46

3.1.2 Một số đặc điểm cần lưu ý trong quy hoạch mạng 47

3.2 Quy hoạch định cỡ mạng 50

3.2.1 Định cỡ mạng truy nhập LTE 50

3.2.2 Tiến trình định cỡ LTE 52

3.3 Quy hoạch vùng phủ 54

3.3.1 Quỹ đường truyền 55

3.3.1.1 Tính toán quỹ đường lên (UL) 55

3.3.1.2 Tính toán quỹ đường xuống (DL) 57

3.3.2 Các mô hình truyền sóng cơ bản 58

3.3.2.1 Mô hình Hata-Okumura 59

3.3.2.2 Mô hình Walfish-Ikegami 60

3.3.3 Tính bán kính Cell và diện tích vùng phủ 62

3.4 Quy hoạch dung lượng 63

CHƯƠNG IV: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE CHO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 68

4.1 Hiện trạng mạng thông tin di động thành phố Hồ Chí Minh 68

4.2 Quy hoạch mạng 4G LTE cho Thành phố Hồ Chí Minh 69

KẾT LUẬN 74

1 Kết quả đã đạt được 74

2 Đề xuất cho tương lai 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sĩ “Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho thành phố Hồ Chí Minh”, chuyên ngành Công nghệ thông tin là công trình của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Phạm Huy Hoàng Các nội dung nghiên cứu và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực rõ ràng Các tài liệu tham khảo, nội dung trích dẫn đã

ghi rõ nguồn gốc

Ngày 10 tháng 09 năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Quỳnh Vân

Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè, cơ quan công tác đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này

Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2015

Học viên

Nguyễn Thị Quỳnh Vân

DANH MỤC THUẬT NGỮ, VIẾT TẮT

3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ ba 4G Four Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ tư 3GPP Third Generation Patnership

Project

Dự án hợp tác thế hệ 3

E- UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio

Access

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói

eNodeB Enhance NodeB NodeB cải tiến

FDD FrequencyDivision Ghép kênh phân chia theo tần

GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

GERAN GSM/EDGE Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE

HSDPA High Speed Downlink Packet

Truy cập gói OFDM tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Quản lý thuê bao

ITU International Telecommunication

Union

Đơn vị viễn thông quốc tế

IP Internet Protocol Giao thức internet

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược

LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

MIMO Multi Input Multi Output Đa ngõ vào đa ngõ ra

MME Mobility Management Entity Quản lý tính di động

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung

bình MU- MIMO Multi User - MIMO Đa người dùng - Đa ngõ vào đa

ngõ ra MCS Modulation Coding Scheme Kỹ thuật mã hóa và điều chế

OFDM Orthogonal Frequency Division

QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ

RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RE Resource Element Thành phần tài nguyên

RS Reference Signal Tín hiệu tham khảo

RSRP Reference Signal Receive Công suất thu tín hiệu tham

Power khảo SDR Software - Defined Radio Phần mềm nhận dạng vô tuyến SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SC- FDMA Single Carrier Frequency Division

multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao đơn sóng mang SAE System Architecture Enhance Cấu trúc hệ thống tăng cường

SU MIMO Single User Multi Input Multi

-Output

Đơn user Đa ngõ vào đa ngõ ra

TDD Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian UMB Ultra Mobile Broadband Di động băng rộng mở rộng

UTRAN UTMS Terrestrial Radio Access

Hệ thống thông tin di động

UE System User Equipment Thiết bị người dùng (Di động)

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 38 Bảng 3.1 : Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng 63 Bảng 3.2 : Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông 64 Bảng 3.3 : Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền 66 Bảng 4.1 : Các thông số kỹ thuật để tính toán quỹ đường truyền lên 70 Bảng 4.2 : Các thông số kỹ thuật để tính toán quỹ đường truyền xuống 71

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G 16

Hình 1.2 Cấu hình hệ thống tế bào 4G 20

Hình 1.3 Kiến trúc mạng 4G 20

Hình 2.1 Kiến trúc mạng LTE 25

Hình 2.2 Giao thức của UTRAN 27

Hình 2.3 Giao thức của E-UTRAN 28

Hình 2.4 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người sử dụng và điều khiển 29

Hình 2.5 Truyền đơn sóng mang 30

Hình 2.6 Nguyên lý của FDMA 30

Hình 2.7 Nguyên lý đa sóng mang 31

Hình 2.8 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA 31

Hình 2.9 Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM 32

Hình 2.10 Các sóng mang trực giao với nhau 33

Hình 2.11 Biến đổi FFT 33

Hình 2.12 Thu phát OFDM 34

Hình 2.13 Chuỗi bảo vệ GI 35

Hình 2.14 Tác dụng của chuỗi bảo vệ 36

Hình 2.15 Sóng mang con OFDMA 37

Hình 2.16 OFDM và OFDMA 37

Hình 2.17 Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE 38

Hình 2.18 Cấu trúc của một khối tài nguyên 38

Hình 2.19 Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo 39

Hình 2.20 Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM 39

Hình 2.21 PAPR cho các tín hiệu khác nhau 40

Hình 2.22 OFDMA và SC-FDMA 41

Hình 2.23 Thu phát SC-FDMA trong miền tần số 42

Hình 2.25 Ghép kênh không gian 44

Hình 3.1 Quá trình quy hoạch và triển khai mạng 46

Hình 3.2 Quá trình tính bán kính vùng phủ sóng 49

Hình 3.3 Định cỡ mạng LTE 53

Hình 3.4 Các tham số của mô hình Walfisch-Ikegami 60

Hình 3.5 Quan hệ giữa băng thông kênh truyền và băng thông cấu hình 66

Hình 4.1 Quỹ đường truyền của LTE 72

Hình 4.2 Quy hoạch vùng phủ cho thành phố Hồ Chí Minh 73

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai

Hiện nay có hai yếu tố từ nhu cầu của người dùng tác động đến sự phát triển của công nghệ 4G Thứ nhất, đó là sự gia tăng về nhu cầu của các ứng dụng của mạng không dây và nhu cầu băng thông cao khi truy nhập internet Thứ hai, người dùng luôn muốn công nghệ không dây mới ra đời vẫn sẽ cung cấp các dịch vụ và tiện ích theo cách tương tự như mạng hữu tuyến, mạng không dây hiện có mà họ đang dùng với những thói quen của họ Và hiển nhiên, nhu cầu về chất lượng dịch vụ cung cấp được tốt hơn, tốc độ cao hơn, tốc độ truy nhập Web, tải xuống các tài nguyên mạng nhanh hơn,…đó là đích hướng tới của công nghệ di động 4G

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 (LongTerm Evolution) Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần.Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối.Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, 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

Thị trường viễn thông Việt Nam được xem là một điểm sáng trên bản đồ viễn thông quốc tế với tốc độ phát triển nhanh thứ 2 thế giới.Với đà phát triển đó, trong

nền mạng 3G hiện tại nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của thị trường viễn thông trong nước Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế để triển khai mạng thông tin di động LTE/4G cần được đặt ra ngay từ thời điểm hiện nay để từng bước tiếp cận và theo sát sự phát triển công nghệ mới trên thế giới, cung cấp sở cứ khoa học cho việc xây dựng triển khai mạng 4G trong giai đoạn tiếptheo Ngoài ra, thực tế triển khai mạng 3G cho thấy, việc nghiên cứu các phương pháp qui hoạch, thiết kế và ứng dụng hệ thống qui hoạch, quản lý và cung cấp dịch vụ cũng như quản lý điều hành mạng cần được nghiên cứu giải quyết ngay từ đầu để thiết lập mạng 4G một cách hiệu quả nhất

Để hòa nhập với xu thế chung người thực hiện đã chọn đề tài “Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho Thành Phố Hồ Chí Minh” để có cơ hội nghiên cứu, tìm hiểu kỹ hơn về công nghệ mới này đồng thời qua đó tìm cách quy hoạch tối ưu trong việc triển khai công nghệ LTE trong mạng di dộng và áp dụng cho mạng di động tại thành phố Hồ Chí Minh

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung vào việc đưa ra giải pháp quy hoạch mạng 4G LTE cho thành phố Hồ Chí Minh để tối ưu hóa việc triển khai công nghệ đồng thời tiết kiệm chi phí, nhân lực và hạ tầng mạng

Để đạt được mục tiêu trên, đề tài tập trung vào các nhiệm vụ cụ thể sau:

- Tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G: 4G là gì, yêu cầu kỹ thuật và các công nghệ then chốt sử dụng trong mạng 4G, ưu điểm vượt trội của mạng 4G so với 3G

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về mạng 4G LTE: cấu trúc mạng, các đặc tính kỹ thuật và các kỹ thuật sử dụng trong LTE

- Tìm hiểu cách thức quy hoạch mạng 4G LTE: Phân tích yêu cầu và nguyên tắc thực hiện quy hoạch mạng LTE ứng với đặc trưng, cấu trúc địa lý từng vùng cụ thể, đưa ra công thức tính toán dung lượng, vùng phủ và đánh giá chất lượng dịch vụ với các mô hình thực nghiệm

- Viết chương trình mô phỏng quy hoạch mạng 4G LTE sử dụng ngôn ngữ Matlab: Phần mô phỏng trình bày lại cách tính toán để đưa ra số trạm cần thiết lắp đặt trong vùng cần phủ sóng mà cụ thể là Thành phố Hồ Chí Minh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Tập trung vào việc nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật, cấu trúc mạng, các kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ 4G LTE

+ Phân tích yêu cầu và nguyên tắc thực hiện quy hoạch mạng LTE ứng với đặc trưng, cấu trúc địa lý từng vùng cụ thể, đưa ra công thức tính toán dung lượng, vùng phủ và đánh giá chất lượng dịch vụ với các mô hình thực nghiệm

+ Cài đặt mô phỏng, tính toán quy hoạch vùng phủ cho Thành phố Hồ Chí Minh trên Matlab

4 Các nội dung chính, đóng góp mới

Luận văn đã nghiên cứu về lý thuyết công nghệ LTE, các giải pháp quy hoạch mạng 4G LTE và đã thực hiện chương trình mô phỏng quy hoạch mạng LTE cho thành phố Hồ Chí Minh Là cơ sở cho bài toán quy hoạch mạng 4G LTE tại thành phố Hồ Chí Minh để tối ưu hóa việc triển khai công nghệ đồng thời tiết kiệm chi phí, nhân lực và hạ tầng mạng

5 Phương pháp thực hiện

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu tài liệu, ngôn ngữ và công

nghệ liên quan Tổng hợp các tài liệu lý thuyết về công nghệ LTE, các giải pháp quy hoạch mạng 4G LTE

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích bài toán quy hoạch mạng

4G LTE và đưa ra giải pháp quy hoạch cho Thành phố Hồ Chí Minh Viết chương trình mô phỏng quy hoạch mạng di động cho một vùng bao phủ cụ thể là Thành phố Hồ Chí Minh

6 Bố cục của đề tài

Về nội dung, luận văn được chia làm 4 chương

Chương này trình bày tổng quan về mạng 4G, lịch sử phát triển mạng thông tin di động, ưu nhược điểm của mạng thông tin di động hiện nay, các khái niệm về 4G, các yêu cầu kỹ thuật mạng 4G, các công nghệ then chốt được sử dụng và những điểm vượt trội của 4G so với 3G

Chương 2: Nghiên cứu về hệ thống thông tin di động4G LTE

Chương này trình bày các đặc tính của LTE, cấu trúc mạng, các giao thức điều khiển và giao thức người dùng, các kỹ thuật sử dụng trong LTE

Chương 3: Lý thuyết quy hoạch mạng

Chương này trình bày các nguyên lý chung, các điểm cần chú ý trong quy hoạch, định cỡ mạng, quy hoạch vùng phủ, quy hoạch dung lượng cho mạng LTE

Chương 4: Quy hoạch mạng 4G LTE cho Thành phố Hồ Chí Minh

Chương này trình bày hiện trạng mạng thông tin di động thành phố Hồ Chí Minh Mô phỏng tính toán quy hoạch vùng phủ cho thành phố Hồ Chí Minh

Trong quá trình thực hiện luận văn, do kiến thức và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong được sự góp ý của các thầy cô và bạn bè

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1.1 Mạng thông tin di động hiện nay

1.1.1 Lịch sử phát triển

Lịch sử ra đời và sự phát triển của dịch vụ di động từ thế hệ đầu tiên 1G tới thế hệ 4G trải qua nhiều giai đoạn khác nhau Quá trình bắt đầu với các thiết kế đầutiên được biết đến như là 1G trong những năm 70 của thế kỷ trước Các hệ thống

ra đời sớm nhất được thực hiện dựa trên công nghệ tương tự và cấu trúc tế bào cơ bản của thông tin di động

Các hệ thống 2G cung cấp các dịch vụ thông tin dữ liệu chuyển mạch kênh ở tốc độ thấp Tính cạnh tranh lại một lần nữa dẫn tới việc thiết kế và thực hiện các hệ thống bị phân hoá thành các chuẩn khác nhau không tương thích như: GSM (hệ thống di động toàn cầu) chủ yếu ở châu Âu, TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian) IS-54/IS-136 ở Mỹ, PDC (hệ thống di động tế bào số cá nhân) ở Nhật và CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) IS95, một hệ thống khác tại Mỹ Các hệ thống này hoạt động rộng khắp trên lãnh thổ quốc gia hoặc quốc tế và hiện nay chúng vẫn chiếm vai trò là các hệ thống chủ đạo, mặc dù tốc độ dữ liệu của các thuê bao trong hệ thống bị giới hạn nhiều

Bước chuyển tiếp giữa 2G và 3G là 2.5G Thế hệ 2,5G được phát triển từ 2G với dịch vụ dữ liệu và các phương thức chuyển mạch gói, và nó cũng chú trọng tới các dịch vụ 3G cho các mạng 2G

Các hệ thống 3G hứa hẹn cung cấp những dịch vụ viễn thông tốc độ cao hơn, bao gồm thoại, fax và internet ở bất cứ thời gian nào, bất cứ nơi đâu với sự chuyển vùng roaming toàn cầu không gián đoạn Chuẩn 3G toàn cầu của ITU đã mở đường cho các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo Mạng 3G đầu tiên được thiết lập tại Nhật Bản Các mạng 2.5G, như là GPRS (dịch vụ vô tuyến gói chung) triển khai rộng rãi

ở Châu Âu Công nghệ 3G hỗ trợ băng thông 144 Kbps với tốc độ di chuyển lớn (trên xe hơi), 384 Kbps (trong một khu vực), và 2 Mbps (đối vớitrường hợp trong

Hình 1.1 Lộ trình phát triển thông tin di động lên 4G

1.1.2 Ưu nhược điểm của mạng thông tin di động hiện nay

Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó Với việc cấu trúc mạng dùng giao thức IP kết hợp với công nghệ ATM, cùng với việc hỗ trợ tốc độ lên tới 2Mbps, mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể hỗ trợ người dùng các dịch vụ như: hội nghị truyền hình, truy cập internet tốc độ cao, download các file dữ liệu nhỏ,…

Tuy nhiên, mạng di động này cũng có một số nhược điểm như: Tốc độ truyền dữ liệu là 2Mbps, vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc download các file dữ liệu lớn,…

Mạng thông tin di động thế hệ ba WCDMA chưa đáp ứng được các yêu cầu như:

- Hàng nghìn tỷ được các nhà mạng Việt Nam đầu tư cho 3G, nhưng xem ra kế hoạch thu hồi vốn khó được hoàn tất đúng thời gian dự định

- Các nhà mạng cung cấp dịch vụ 3G khác sau những đầu tư ban đầu khá rầm rộ, ở thời điểm hiện tại phải tính toán, đã giảm tốc độ phát triển 3G, cụ thể giảm tốc độ mở rộng vùng phủ sóng và nâng cao chất lượng phủ sóng 3G

1 2 Tổng quan về mạng 4G

1.2.1 Thế nào là mạng 4G

Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây Thế nhưng, nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ mạng thông tin di động tương lai 4G?

Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu?

Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định 4G còn là hiện thể của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu ở các trường đại học, các viện, các công

ty như Motorola, Qualcomm, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng được

Nhiều tổ chức, cá nhân đã sử dụng thuật ngữ “4G” để chỉ một giao thức công nghệ viễn thông thế hệ mới có tính năng hoạt động tốt hơn nhiều so với chuẩn 3G hiện tại

Trên thực tế, không giống như 3G – đã được định nghĩa rõ ràng trong hệ thống thông tin di động toàn cầu cho năm 2000 (IMT 2000 – International Mobile Telecommunications 2000), chưa có một tổ chức hay cá nhân nào đưa ra một định

nghĩa đầy đủ, rõ ràng 4G là gì IMT- Advanced là hệ thống mới nhất chúng ta có thể tìm thấy có đưa ra một khái niệm lờ mờ về yêu cầu của một mạng 4G

Khác với 1G, 2G và 3G, 4G không phải là công nghệ ứng dụng thông qua giao diện vô tuyến Trái lại, 4G sẽ không có gì liên quan đến các loại giao diện vô tuyến cơ sở Để hỗ trợ thông lượng, chuẩn mục tiêu được phác thảo bởi Liên minh viễn thông quốc tế (ITU – International Telecommunications Union), chắc chắn nó

sẽ dựa trên điều biến giải pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao) FDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) với công nghệ MIMO (multiple input, multiple output) và các cải tiến antenna thông minh khác

4G chính là viễn cảnh của một mạng băng thông di động qua giao thức internet không đồng nhất hỗ trợ các giao diện vô tuyến, các mạng hội tụ di động cố định, các nhân tố hình thành thiết bị và cung cấp cho khách hàng hiệu quả băng thông có kết nối tốt nhất, góc trễ thấp nhất và chất lượng dịch vụ cao

Tóm lại:

Mặc dù thuật ngữ 4G vẫn chưa được bất kỳ một tổ chức chuẩn hóa nào định nghĩa một cách rõ ràng, tuy nhiên 4G được kỳ vọng đáp ứng các đặc điểm sau:

- Đặc tính được kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối ABC, mọi lúc, mọi nơi Để thỏa mãn được điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn tạp (bao gồm nhiều công nghệ khác nhau), kết nối, tích hợp nhau trên nền toàn

IP Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công nghệ, đa mốt để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau Muốn vậy, thiết bị di động sẽ sử dụng giải pháp SDR (Software Defined Radio) để có thể tự cấu hình nhiều loại radio khác nhau thông qua phần cứng radio duy nhất

- Mạng 4G cung cấp giải pháp chuyển giao liên tục, không vết ngắt giữa nhiều công nghệ mạng khác nhau và giữa nhiều thiết bị di động khác nhau

- Mạng 4G cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ tầm 100Mb/s và cơ chế nhằm đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực

- Để vượt lên khỏi tình trạng bão hòa của thị trường viễn thông, các nhà cung cấp mạng sẽ phải tìm kiếm khách hàng bằng các dịch vụ tùy biến theo yêu cầu của khách hàng

- Mạng 4G sẽ lấy người dùng làm tâm điểm

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật cho một hệ thống 4G

Các yêu cầu về tốc độ dữ liệu

Nhu cầu về tải số lượng lớn thông tin ngày càng tăng sẽ trở nên cao hơn và cao hơn Ghép dữ liệu mềm dẻo nhiều dải các tốc độ thông tin lớn hơn các hệ thống

vô tuyến 3G hiện nay là yêu cầu cho các liên kết đường xuống (trạm gốc tới máy di động) Yêu cầu đặt ra cho các tốc độ dữ liệu có thể là:

- Các điểm nóng và môi trường đông dân cư: 100Mbit/s đến 1Gbit/s

- Môi trường phương tiện vận tải: ~ 100Mbit/s

Do giới hạn của nhiều băng tần hiện nay, các hệ thống yêu cầu phải có hiệu suất phổ rất cao Để đạt được điều này, các hệ thống anten đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO) sẽ đóng một vai trò quan trọng

Mạng truy nhập vô tuyến

Lưu lượng gói sẽ thống trị lưu lượng chuyển mạch kênh trong tương lai Phần vô tuyến của mạng sẽ gần với một mạng WLAN, nhưng với sự quản lý tính di động vùng rộng như trong các hệ thống tế bào 2G/3G Các hệ thống tế bào yêu cầu nhiều chức năng kiểm soát cuộc gọi và cơ sở dữ liệu được phân phối Tất cả các chức năng này sẽ được liên kết qua mạng toàn IP Lưu lượng thoại sẽ được truyền như các gói IP nhưng làm cách nào để đảm bảo các yêu cầu QoS khác nhau và giảm trễ là vấn đề kỹ thuật chính mà các hệ thống 4G phải đối mặt

Hình 1.2 Cấu hình hệ thống tế bào 4G

Hình 1.3 Kiến trúc mạng 4G

1.2.3 4G - mạng toàn IP, vượt trội hơn so với 3G

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps

tải lên Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz Đối với 4G LTE thì hoạt động ở băng tần : 700 MHz - 2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Tốc độ DL:100Mbps ( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA

Cũng như 3G, các mạng 4G dựa vào giao thức Internet (IP) để gửi và nhận

dữ liệu theo gói Tuy nhiên, có điều khác là 4G sử dụng IP cho cả dữ liệu thoại Đây

là một chuẩn truyền thông không dây dựa vào mạng toàn IP (all-IP) Hiện tại các hệ thống 4G vẫn chưa phải là mạng toàn IP, vì vẫn còn dùng chung với các mạng 3G và 2G đang phổ biến tại nhiều quốc gia và khu vực trên thế giới Sẽ cần thêm một thời gian phát triển nữa mới có các mạng 4G trọn vẹn, dựa hoàn toàn trên nền IP

4G không phải cuộc cách mạng mà là một sự tiến hóa, cải thiện đáng kể trải nghiệm Internet 3G

Cải thiện tốc độ là yếu tố gây ấn tượng và dễ nhận thấy nhất Về lý thuyết, theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Thế giới (ITU), 4G có thể tăng tốc độ tải

về của thiết bị lên tới 100 Mbps khi di chuyển, và đạt xấp xỉ 1 Gbps trong điều kiện đứng yên Bỏ qua yếu tố tốc độ, 4G còn có một số ưu điểm nổi bật, thực sự là một hệ thống không dây tiên tiến, mang lại trải nghiệm kết nối di động băng rộng vượt trội so với các thế hệ trước

4G có công suất cao hơn, nghĩa là có thể hỗ trợ một lượng lớn người dùng tại một thời điểm bất kỳ 4G hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao hơn, do vậy các ứng dụng

đa truyền thông như thoại có hình hay các đoạn video chạy trên YouTube sẽ mượt hơn Một trạm phát 3G có thể phục vụ cùng lúc khoảng 60 đến 100 người dùng dịch

300 - 400 người Đặc biệt, 4G có khả năng giảm độ trễ xuống ở mức rất thấp, lý tưởng cho các dịch vụ đòi hỏi đáp ứng theo thời gian thực

4G có hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn 3G, cho phép dung lượng dữ liệu truyền lớn hơn Đó là nhờ 4G sử dụng các chương trình mã hóa thông minh hơn Thêm nữa, 4G nén được nhiều bit dữ liệu hơn trong mỗi herzt trên phổ tần số so với 3G

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE

2.1 Giới thiệu công nghệ LTE

LTE viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, nghĩa là tiến hóa dài hạn Trong cách đặt tên này, các nhà mạng muốn gắn bó với công nghệ này lâu dài, vì việc nâng cấp hạ tầng mỗi năm là rất tốn kém LTE có ưu điểm dễ mở rộng qui mô

cả về dung lượng và hiệu suất LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển

Các đặc tính của công nghệ LTE

LTE được thiết kế hỗ trợ tốc độ truy nhập dữ liệu cao và trễ thấp Dung lượng băng thông của UE đến 20 MHz cho cả phát và thu (UL, DL) Tuy nhiên nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai với các băng tần khác nhau Điều này cho phép

họ khả năng mềm dẻo trong triển khai, có thể lựa chọn dải tần nhỏ với chi phí thấp trong thời gian đầu và nâng cao dung lượng khi có yêu cầu

 Tốc độ: Tốc độ tải xuống (Downlink - DL) cao nhất ở băng thông 20MHz

có thể lên đến 100Mbps, cao hơn từ 3-4 lần so với công nghệ HSDPA (3GPP Release 6) và tốc độ tải lên (Uplink - UL) có thể lên đến 50Mbps, cao hơn từ 2-3 lần so với công nghệ HSUPA (3GPP Release 6) với 2 anten thu và 1 anten phát ở thiết bị đầu cuối

 Độ trễ: Thời gian trễ tối đa đối với dịch vụ người dùng phải thấp hơn 5ms

 Độ rộng băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với băng thông 5MHz,

10MHz, 15MHz và 20MHz, thậm chí nhỏ hơn 5MHz như 1,25MHz và 2,5MHz

 Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/giờ, và vẫn hoạt động tốt

với tốc độ di chuyển từ 15-120km/giờ, thậm chí lên đến 500km/giờ tùy băng tần

 Phổ tần số: hoạt động theo chế độ phân chia theo tần số (FDD Mode) hoặc

chế độ phân chia theo thời gian (TDD mode) Độ phủ sóng từ 5-100km (tín

hiệu suy yếu từ km thứ 30), dung lượng hơn 200 người/cell (băng thông 5MHz)

 Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho

các thiết bị VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ gần như không có) thông qua các mạng chuyển mạch UMTS

 Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện

có và các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ còn lại

 Chi phí: Chi phí triển khai và vận hành giảm

Để đạt được các mục tiêu trên, LTE sẽ phải sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số trực giao) cho hướng DL và SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - Truy cập đa phân chia theo tần số sóng mang đơn) cho hướng

UL Thêm vào đó, việc sử dụng anten MIMO cũng là một yêu cầu tất yếu Để đơn giản hóa kiến trúc, LTE có một số thay đổi lớn liên quan đến SAE (System Architecture Evolution) Chế độ hoạt động của LTE gồm FDD (Frequency Division Duplex – Phân chia theo tần số song công) và TDD (Time Division Duplex – Phân chia theo thời gian song công) LTE TDD hay TD-LTE cung cấp bước tiến triển dài hạn cho các mạng dựa trên kỹ thuật TD-SCDMA (Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access – Phân chia theo thời gian- Đa truy cập phân chia theo mã đồng bộ)

2.2 Cấu trúc mạng LTE

LTE được thiết kế để hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói, đối lập với chuyển mạch kênh truyền thống Nó hướng đến cung cấp các kết nối IP giữa các UE (User Equipment) và PDN (Packet Data Network), mà không có bất kì sự ngắt quãng nào đối với những ứng dụng của người dùng trong suốt quá trình di chuyển Trong khi thuật ngữ LTE đề cập quanh sự tiến triển việc truy cập vô tuyến thông

qua E-UTRAN (Evolved-UTRAN), nó còn được kết hợp cùng với các phương diện cải tiến “ không vô tuyến” dưới thuật ngữ SAE (System Architecture Evolution)_bao gồm mạng lõi gói cải tiến EPC (Evolved Packet Core) LTE cùng với SAE tạo thành hệ thống gói cải tiến EPS (Evolved Packet System)

Hình 2.1 kiến trúc mạng LTE

2.2.1 Mạng lõi Evolved Packet Core (EPC)

 Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ thống 3G, và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói Vì vậy, nó có một cái tên mới: Evolved Packet Core (EPC)

 EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác EPC gồm có một vài thực thể chức năng

- MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên

- Gateway dịch vụ (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác

- P-Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng

về mạng dữ liệu gói bên ngoài Nó cũng là Router đến mạng Internet

- PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra bảng giá

và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP Multimedia Subsystem) cho mỗi người dùng

- HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả

dữ liệu của người dùng Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong trung tâm của nhà khai thác

2.2.2 Mạng truy nhập E-UTRAN

Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node Vì vậy, người phát triển đã chọn một cấu trúc đơn node Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B).Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến.Chức năng của EnodB là:

 Quản lí nguồn tài nguyên vô tuyến

 Nén IP Header và mã hóa dòng dữ liệu người sử dụng

 Bảo mật

 Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập

 Bảo đảm chất lượng dịch vụ

 Thực hiện các cuộc chuyển giao với các UE

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2.Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi S1 chia

làm hai loại là S1 -U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1 -MME là giao diện giữa eNodeB và MME X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

2.3 Giao thức của LTE

2.3.1 Giao thức mặt phẳng người dùng

Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng như chức năng của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề Vì vậy, các giao thức liên quan của lớp

vô tuyến được chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNC bây giờ chuyển thành giữa UE và eNodeB

Hình 2.2 Giao thức của UTRAN

Giao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm L1 và MAC mới Nó bao gồm các lớp con PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control) và MAC (Medium Access Control)

Hình 2.3 Giao thức của E-UTRAN

- PDCP (Packet Data Convergence Protcol: giao thức hội tụ số liệu gói): đảm bảo nén tiêu đề giao thức và thực hiện mật mã hoá số liệu

- RLC (Radio Link Control: điều khiển liên kết vô tuyến): chịu trách nhiệm truyền số liệu tin cậy, lớp con của lớp 2

- MAC (Medium Access Control: điều khiển môi trường): chức năng của Mac bao gồm

o Lập biểu

o Điều khiển ưu tiên (Priority handling)

o Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC, cũng như trong WCDMA có chức năng sau:

 Truyền lại trong trường hợp giao nhận ở các lớp thấp (MAC và L1) bị hỏng, tương tự trong trường hợp ở chế độ ACK của RLC ở UTRAN

 Phân đoạn để phù hợp cho các giao thức đơn vị dữ liệu

 Cung cấp các kênh vật lý cho các lớp cao hơn

Hình 2.4 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người sử dụng và điều khiển

2.3.2 Các giao thức điều khiển

Giao thức RRC cấu hình các thông số kết nối, điều khiển báo cáo đo lường thiết bị đầu cuối, các lệnh chuyển giao…Mã ASN1 được sử dụng cho RRC của LTE, nó dãn cách sự khác biệt giữa các phiên bản ở đường tương thích lùi Giao thức RRC sẽ bao gồm ít trạng thái hơn E-UTRAN Chỉ có trạng thái “tích cực” hay

“rỗi” được dự đoán bởi vì đặc tính linh động của sự phân bố nguồn tài nguyên Các trạng thái của RRC trong LTE là:

- RRC-rỗi: thiết bị sẽ quan sát bản tin paging và sử dụng cell cho di động Không có RRC nào lưu trữ trong bất kỳ eNodeB cá nhân nào UE chỉ có duy nhất một ID nhận dạng nó ở trong vùng di chuyển

- RRC-kết nối: biết vị trí của UE ở cell nào và dữ liệu được phát và nhận Kết nối RRC tồn tại đến một eNodeB Điều khiển chuyển giao bởi mạng được sử

2.4 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE

LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai ghép

2.4.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM

Hình 2.5 Truyền đơn sóng mang

Hình 2.6 Nguyên lý của FDMA

Hình 2.7 Nguyên lý đa sóng mang

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

Hình 2.8 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA

Hình 2.9 Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM

 Ưu điểm của OFDM:

 OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền

(Inter- Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống

 Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

 OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

 Cấu trúc máy thu đơn giản

 Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số

 Tương thích với các bộ thu và các anten tiên tiến

Hình 2.10 Các sóng mang trực giao với nhau

Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong các hệ thống thông tin di động là cần dịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời Dịch tần phá hỏng tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập Vì vậy nó rất nhạy cảm với dịch tần Ở LTE chọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, đối với

khoảng cách này là khoảng cách đủ lớn đối với dịch tần Doppler

Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữa miền thời gian và miền tần số

Hình 2.11 Biến đổi FFT

Chiều dài biến đổi FFT là 2n với n là số nguyên Với LTE chiều dài có thể là

512 hoặc 1024 Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi điều chế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song Sau đó được đưa đến bộ biến đổi IFFT Mỗi ngõ vào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt (thành phần tần số riêng biệt của tín hiệu miền thời gian) và mỗi sóng mang được điều chế độc lập với các sóng mang khác Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu được chèn thêm tiền tố vòng (CP) và phát đi Ở bộ thu ta làm ngược lại

Hình 2.13 Chuỗi bảo vệ GI

Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP) Sự sao chép này có tác dụng

chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường

Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu

có chiều dài là TS, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này

có chiều dài là T = TS+TG Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau Trong hình 2.14, hình a, tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này Trong trường hợp TG ≥τMAX như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là:TG ≥ τMAXvới τMAXlà trễ truyền dẫn tối đa của kênh

a, Không có GI

b, Có GI Hình 2.14.Tác dụng của chuỗi bảo vệ

OFDM lượng tử hóa trong miền tần số dựa trên ước lượng đáp ứng tần số của kênh Do đó nó hoạt động đơn giản hơn WCDMA và nó không phụ thuộc vào chiều dài của kênh (chiều dài của đa đường trong các chip) như khi lượng tử WCDMA Trong WCDMA các cell khác nhau được phân biệt bởi các mã trải phổ khác nhau nhưng trong OFDM trải phổ không có giá trị, nó sử dụng các ký hiệu tham khảo riêng biệt giữa các cell hoặc giữa các anten khác nhau

LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho đường xuống OFDMA gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là công nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng của mô hình điều chế số OFDM

Kỹ thuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm Ở các thời điểm khác nhau, nhóm sóng mang con cho một người dùng cũng khác nhau Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng