Tìm hiểu công nghệ 4g LTE

1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 1G Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất 1G, sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: Tìm hiểu công nghệ 4G LTE

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN VŨ SƠN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THU HÀ Lớp : K16A

Khóa : 2013-2017

Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội - Tháng 5/ 2017

LỜI CẢM ƠN

Sau khoảng thời gian học tập tại trường, đây là khoảng thời gian khó quên đối với chúng em Thầy cô đã chỉ bảo tận tình để giúp cho chúng em trang bị kiến thức để vững vàng bước vào đời

Để được như ngày hôm nay, em xin gởi lời cảm ơn đến các thầycô trong

khoa Công nghệ - điện tử thông tin cũng như các thầy cô trong khoa

Điện-Điện tử đã hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho chúng em Em xin gởi lời

cảm ơn đặc biệt đến thầy TS Nguyễn Vũ Sơn, người đã trực tiếp tận tình

hướng dẫn để em cóthể hoàn thành đề tài này

Xin gởi lời cám ơn đến ba má đã động viên giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần cho con bao nhiêu năm qua, đồng cảm ơn đến bạn bè đã luôn luôn ở bên cạnh mình

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Người thực hiện

Nguyễn Thu Hà

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG vi

CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

LỜI NÓI ĐẦU xii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động: 1

1.1 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 2

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 3

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 4

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) 6

1.5 Đa truy nhập trong thông tin di động 7

1.5 1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA: 7

1.5 2 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA: 8

1.5 3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA: 9

1.6 Kỹ thuật OFDM và MIMO 11

1.6.1Kỹ thuật OFDM: 11

1.6.2 Kỹ thuật MIMO 22

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 26

CHƯƠNG 2 : MẠNG 4G LTE 27

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 27

2.2 Cấu trúc của LTE [1] 33

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 37

2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) [2] 39

2.5 Một số đặc tính của kênh truyền 43

2.5.1 Trải trễ đa đường 43

2.5.2 Các loại fading 43

2.5.3 Dịch tần Doppler 44

2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE 45

2.6 Chuyển giao 45

2.6.1 Mục đích chuyển giao 45

2.6.2 Trình tự chuyển giao 46

2.6.3 Các loại chuyển giao 50

2.6.4 Chuyển giao đối với LTE 53

2.7 Điều khiển công suất 55

2.7.1 Điều khiển công suất vòng hở 57

2.7.2 Điều khiển công suất vòng kín 57

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 59

CHƯƠNG 3 : TRIỂN KHAI LTE TẠI VIỆT NAM 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào 2

Hình 1.2 : Truyền đơn sóng mang 11

Hình 1.3 : Nguyên lý của FDMA 11

Hình 1.4 : Nguyên lý đa sóng mang 11

Hình 1.5 : So sánh phổ tần của OFDM với FDMA 12

Hình 1.6 : Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM 12

Hình 1.7 : Các sóng mang trực giao với nhau 14

Hình 1.8 : Biến đổi FFT 14

Hình 1.9 : Thu phát OFDM 15

Hình 1.10 : Chuỗi bảo vệ GI 15

Hình 1.11: Tác dụng của chuỗi bảo vệ 17

Hình 1.12: Sóng mang con OFDMA 18

Hình 1.13: OFDM và OFDMA 18

Hình 1.14 : Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE 19

Hình 1.15 : Cấu trúc của một khối tài nguyên 20

Hình 1.16 : Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo 21

Hình 1.17: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM 21

Hình 1.18: PAPR cho các tín hiệu khác nhau 22

Hình 1.19: Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 23

Hình 1.20 : Ghép kênh không gian 24

Hình 2.1: So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE 33

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của LTE 35

Hình 2.3: Giao thức của UTRAN 40

Hình 2.4: Giao thức của E-UTRAN 40

Hình 2.5: Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP 41

Hình 2.6: Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao 48

Hình 2.7 : Chuyển giao cứng 51

Hình 2.8 : Chuyển giao mềm 52

Hình 2.9 : Chuyển giao mềm - mềm hơn 53

Hình 2.10: Các loại chuyển giao 54

Hình 2.11: Điều khiển công suất vòng hở 57

Hình 2.12: Điều khiển công suất vòng kín 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 19 Bảng 2.1 : Các thông số lớp vật lý LTE 31 Bảng 2.2 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 32

CÁC TỪ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU

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?

Ngược dòng thời gian

Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA Đánh dấu điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136) dùng TDMA phổ biến ở Mỹ Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới

Sự thành công của mạng 2G là do dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả năng di động

Hình 1: Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào

Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc Gần đây công nghệ WiMAX cũng được thu nhận vào họ hàng 3G bên cạnh các công nghệ nói trên Tuy nhiên, câu chuyện thành công của mạng 2G rất khó lặp lại với mạng 3G Một trong những lý do chính là dịch vụ mà 3G mang lại không có một bước nhảy rõ rệt so với mạng 2G Mãi gần đây người ta mới quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast and multicast service) và IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng các dịch vụ đa phương tiện

Khái niệm 4G

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

Theo dòng phát triển…

Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng NTT DoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G Quan điểm này được xem như là một “quan điểm tuyến tính” trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100Mb/s Với cách nhìn nhận này thì 4G sẽ chính là mạng 3G LTE , UMB hay WiMAX 802.16m Nhìn chung đây cũng là khuynh hướng chủ đạo được chấp nhận ở Trung Quốc và Hàn Quốc

Bên cạnh đó, mặc dù 4G là thế hệ tiếp theo của 3G, nhưng tương lai không hẳn chỉ giới hạn như là một mở rộng của mạng tế bào Ví dụ ở châu Âu, 4G được xem như là khả năng đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với khả năng kết nối với nhiều loại hình mạng truy nhập vô tuyến khác nhau và khả năng chọn lựa mạng vô tuyến thích hợp nhất để truyền tải dịch

vụ đến người dùng một cách tối ưu nhất Quan điểm này được xem như là

“quan điểm liên đới” Do đó, khái niệm “ABC-Always Best Connected” (luôn được kết nối tốt nhất) luôn được xem là một đặc tính hàng đầu của mạng thông tin di động 4G Định nghĩa này được nhiều công ty viễn thông lớn và nhiều nhà nghiên cứu, nhà tư vấn viễn thông chấp nhận nhất hiện nay Dù theo quan điểm nào, tất cả đều kỳ vọng là mạng thông tin di động thế hệ thứ

tư 4G sẽ nổi lên vào khoảng 2010-2015 như là một mạng vô tuyến băng rộng tốc độ siêu cao Ở Việt Nam , hiện nay 3G đang phát triển rầm rộ và để tiến lên 4G không còn xa nữa Theo tin từ Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị này vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE (Long Term Evolution), công nghệ tiền 4G đầu tiên tại Việt Nam và Đông Nam Á

Đồ án nghiên cứu về Công nghệ 4G LTE là công nghệ còn mới mẻ và phù hợp với thực trạng hiện nay của Việt Nam

Nội dung của đồ án bao gồm 3 chương :

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động

Chương 2 : Mạng 4G LTE

Chương 3 : Triển khai LTE tại Việt Nam

Trong quá trình thực hiện đề tài, người thực hiện có những hạn chế về khả năng và còn nhiều sai sót , rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội

Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động:

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết

bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại

ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào

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

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật

tự các kênh trong lĩnh vực tần số Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập

1.1 1 1 Đặc điểm

• Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

• Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

• Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cell

• Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS

1 1 1 2 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng

về cả dung lượng và tốc độ Nó bao gồm các hạn chế sau :

• Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

• Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia

• Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng

• Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

• Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác

• Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

✦Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng

kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới

ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2

dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động

số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số

Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

• Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

• Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau

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

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ

2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3

❥W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136

❥CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95

Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế

hệ 2

❥Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

- 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng

- 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương

❥ Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):

- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

➘ Đường lên : 1885-2025 MHz

➘ Đường xuống : 2110-2200 MHz

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

➘ Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

➘ Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

➘Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

➘Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

➘Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu¬ chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội

bộ (WLAN) và các ứng dụng khác

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số khác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số) Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu

1.5 Đa truy nhập trong thông tin di động

1 5 1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho

N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu

kỳ một khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và các bit dữ liệu Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho

dữ liệu số và điều chế số

❥ Các đặc điểm của TDMA

- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước

và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch

- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể

- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu

1 5 2 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA:

Công nghệ FDMA là công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số Phổ tần số quy định cho lien lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách nhau một dải tần phòng vệ Mỗi dải tần được gán cho một kênh liên lạc N dải tần dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải tần kế tiếp dành cho liên lạc hướng xuống

❥Đặc điểm của FDMA

- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thao do tần số các kênh lân cận nhau là rất đáng kể BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong tế bào

- Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống di động AMPS (Advanced mobile phone system)

1 5 3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:

Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuy nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi

mã Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người

sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi,

mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau

Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên

nó được xem là trực giao với các từ mã khác Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với nó Tất cả các mã khác được xem như là nhiễu Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác

❥Đặc điểm của CDMA

- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz

- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh

- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và FDMA Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm

- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin di động tế bào Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps

1 6 Kỹ thuật OFDM và MIMO

1.6.1 Kỹ thuật OFDM:

Hình 1.2 : Truyền đơn sóng mang

Hình 1.3 : Nguyên lý của FDMA

Hình 1.4 : 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 1.5 : So sánh phổ tần của OFDM với FDMA

Hình 1.6 : Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM

LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các

ưu điểm sau:

- OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol

Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền

- 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 1.7 : 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 1.8 : 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

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 vẽ, 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 ≥τ MAX 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 ≥τ MAX với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh

Hình 1.11: 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 tuyến lên 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 1 người dùng cũng khác nhau Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng

Hình 1.12: Sóng mang con OFDMA

Hình 1.13: OFDM và OFDMA

Tài nguyên thời gian - tần số được chia nhỏ theo cấu trúc sau : 1 radio frame có chiều dài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chiều dài là 1ms, và mỗi subframe nhỏ lại được chia thành 2 slot với chiều dài của mỗi slot là 0.5ms Mỗi slot sẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 6 ký tự OFDM trong trường hợp CP mở rộng

Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không dựa vào từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên

(Resource Block) Mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot và khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz dẫn đến kết quả băng thông tối thiểu của nó là 180 KHz Đơn vị nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài nguyên (RE), nó bao gồm một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký tự OFDM Một RB bao gồm 84 RE (tức 7 x12) trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 72 RE (6x12) trong trường hợp chiều dài CP mở rộng

Hình 1.14 : Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE

Bảng 1.1 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền

Hình 1.15 : Cấu trúc của một khối tài nguyên

Tín hiệu tham khảo (RS) : LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt

để dễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộ thời gian…Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau:

Hình 1.16 : Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo

Các tín hiệu tham khảo này được phát ở ký tự OFDM thứ nhất và thứ năm của mỗi slot và ở sóng mang thứ sáu của mỗi subframe Tín hiệu tham khảo cũng được sử dụng để ước lượng tổn hao đường truyền sử dụng công suất thu tín hiệu tham khảo (RSRP)

Nhược điểm của OFDM là gì? Ta xét các hình sau

Hình 1.17: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM

Hình 1.18: PAPR cho các tín hiệu khác nhau

Từ các hình trên ta thấy, dạng sóng OFDM thể hiện sự thăng giáng đường bao rất lớn dẫn đến PAPR cao Tín hiệu với PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất có tính tuyến tính cao để tránh làm méo dạng tín hiệu

Để đạt được mức độ tuyến tính này, bộ khuếch đại phải làm việc ở chế độ công tác với độ lùi (so với điểm bão hòa cao) Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng công suất (tỷ số công suất phát với công suất tiêu thụ một chiều) thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với các thiết bị cầm tay Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DTFS-OFDM với tên gọi là SCFDMA và áp dụng cho LTE

1.6.2 Kỹ thuật MIMO

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO