Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA trong hệ thống 5g

Mạng di dộng không dây 5G được đưa ra với các tiêu chí về hiệu suất phổ, tốc độ dữ liệu người dùng, độ trễ, mật độ kết nối đòi hỏi số lượng kết nối, khả năng kết nối cao mà kỹ thuật truy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Hương

KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO

TRONG HỆ THỐNG 5G

LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông

HÀ NỘI - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Hương

KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO

TRONG HỆ THỐNG 5G

LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử Truyền thông

Cán bộ hướng dẫn: TS Đinh Thị Thái Mai

PGSTS Nguyễn Quốc Tuấn

HÀ NỘI - 2019

TÓM TẮT Tóm tắt: Trong những năm gần đây nhu cầu sử dụng các thiết bị đầu cuối ngày

càng tăng cao và đa dạng Để đảm bảo tính bền vững cũng như phát triển của các dịch vụ thông tin di động trong thập kỉ tới, các giải pháp công nghệ mới được đưa ra để có thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng cũng như các thách thức mới trong tương lai Mạng di dộng không dây 5G được đưa ra với các tiêu chí về hiệu suất phổ, tốc độ dữ liệu người dùng, độ trễ, mật độ kết nối đòi hỏi số lượng kết nối, khả năng kết nối cao mà kỹ thuật truy cập trực giao dùng trong các mạng 2G/3G/4G chưa thể đáp ứng được, các kỹ thuật truy cập phi trực giao được đề xuất cho mạng truy cập 5G nhằm đáp ứng tăng khả năng truy cập mạng cao gấp từ 10-100 lần so với 4G Đề tài luận văn này mong muốn tìm hiểu về công nghệ mạng 5G và các công nghệ đa truy cập phi trực giao (NOMA) với hy vọng sẽ được dùng trong mạng 5G Nội dung của khóa luận sẽ trình bày những đặc điểm, xu hướng phát triển của mạng 5G, kĩ thuật truy cập OFDM phi trực giao và phương pháp loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC, các đặc tính tối ưu của công nghệ đa truy cập OFDM phi trực giao so với OFDM thông thường

Từ khóa: 5G, Đa truy cập phi trực giao (NOMA), SIC

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đề tài “Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao trong hệ thống 5G” được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn và cô TS Đinh Thị Thái Mai Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này đều là trung thực và chưa công bố dưới bất cứ hình thức nào trước đây

Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn này đều được nêu nguồn gốc rõ ràng trong mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo

Nếu có bất kỳ phát hiện nào về sự gian lận trong luận văn này, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Hà Nội, ngày 31 tháng 05 năm 2019

Học viên

Nguyễn Thị Hương

LỜI CẢM ƠN

Khi em nghiên cứu đề tài, trong quá trình thực hiện luận văn này ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân thì em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ, động viên không nhỏ từ phía thầy giáo, cô giáo và bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Cô giáo TS Đinh Thị Thái Mai đã trực tiếp định hướng giúp đỡ em hoàn thành

đề tài luận văn cũng như tận tình hướng dẫn, giải đáp những thắc mắc cùng với sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn Thầy đã chia sẻ những kiến thức chuyên môn sâu và những kinh nghiệm quá báu giúp em hoàn thành khóa luận này

Đồng thời em xin cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn và các bạn trong Lab Hệ thống viễn thông đã nhiệt tình chia sẻ, giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình làm luận văn

Em đã rất cố gắng, nỗ lực, trong quá trình thực hiện nhưng luận văn này có nhiều kiến thức mới Cho nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và những câu văn được dịch từ tiếng Anh không được rõ nghĩa cho lắm Em rất mong nhận được

sự góp ý, chỉ bảo tận tình của quý thầy giáo, cô giáo và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2

1.1.1 Các đặc tính mạng 2G 2

1.1.2 Các đặc tính mạng 3G 3

1.1.3 Các đặc tính mạng 4G 4

1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 6

1.2.1 Mô hình mạng 7

1.2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản 10

1.3 ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 14

1.3.1 Đa truy cập mạng 2G/3G 15

1.3.2 Đa truy cập mạng 4G 16

CHƯƠNG 2: ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO 19

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 19

2.2 TRUY CẬP NOMA MIỀN MÃ –WCDMA 20

2.2.1 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 20

2.2.2 Trải mật độ thấp (LDS) 21

2.2.3 Đa truy cập mã thưa (SCMA) 22

2.3 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐƠN SÓNG MANG 23

2.3.1 Mã hóa chồng chất (SC) 25

2.3.2 Loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) 30

2.4 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐA SÓNG MANG 34

2.4.1 NOMA đa sóng mang 34

2.4.2 Truy cập trực giao OFDMA 37

CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO (NOMA) 43

3.1 XEM XÉT HIỆU NĂNG NOMA MIỀN CÔNG SUẤT 43

3.1.1 Kịch bản mô phỏng 43

3.1.2 Tham số mô phỏng 44

3.2 SO SÁNH THÔNG LƯỢNG OFDMA & NOMA 45

3.3 MỐI LIÊN QUAN EE-SE TRONG NOMA&OFDMA 48

3.4 THÔNG LƯỢNG VÀ TỔNG CÔNG SUẤT PHÁT NOMA&OFDMA 49

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

CN Core Network Mạng lõi

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

CT Cordless Telecomm Vô tuyến viễn thông không dây

DRX Discontinuous Reception Tiếp nhận gián đoạn

DVB Digital Video Broadcasting Phát quảng bá video số

eMBB Enhanced Mobile Broad band Băng thông di động nâng cao

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy cập hợp kênh phân chia tần số

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IMT International Mobile

Telecommunications

Viễn thông di động quốc tế

IP Internet Protocol Giao thức internet

ITU International

Telecommunications Union

Liên minh viễn thông quốc tế

KPI Key Performance Indicator Chỉ tiêu hiệu năng chính

LDS Low-Density Spreading Phân tán mật độ thấp

LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

MCL Maximum Coupling Loss Suy hao gép tối đa

ML Maximum Likelihood Khả năng tối đa

MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện

MS Mobile Station Trạm di động

MUD Multi User Detection Giải mã đa người dùng

NOMA Non-Orthogonal Multiple

Access

Đa truy nhập phi trực giao

OMA Orthogonal Multiple Access Đa truy cập trực giao

PSTN Public Switching Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RAT Radio Access Technologies Công nghệ truy cập vô tuyến

SC Superposition Coding Mã hóa chồng chất

SCMA Sparse-Code Multiple Access Đa truy cập hợp kênh mã thưa

SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SIC Successive Interference

Cancellation

Hủy bỏ nhiễu liên tiếp

TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập hợp kênh phân chia thời gian

UE User Equipment Thiết bị người dùng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình dự kiến mạng 5G [4] 7

Hình 1.2: Phổ tín hiệu của OFDM và FDM 17

Hình 1.3: Cơ chế điều chế và giải điều chế OFDM 18

Hình 1.4: Các sóng mang con lí tưởng trực giao 18

Hình 2.1 Phân bổ nguồn tài nguyên trong CDMA 20

Hình 2.2 Phân bổ nguồn lực trong PD-NOMA 23

Hình 2.3: Minh họa của hai người dùng SC 27

Hình 2.4: Một ví dụ về mã hóa SC (a) chòm sao tín hiệu của người sử dụng 1 (b) chòm sao tín hiệu của người dùng 2 (c) chòm sao của tín hiệu chồng chất 29

Hình 2.5: Kỹ thuật giải mã tín hiệu chồng chất tại trạm thu 30

Hình 2.6: SIC với công suất giảm dần 31

Hình 2.7 Lược đồ đa truy cập cho kịch bản hai người dùng (a) NOMA (b) OMA 33

Hình 2.8: NOMA trong kịch bản đường lên 34

Hình 2.9: Các sóng mang con và mức công suất cho NOMA[17] 35

Hình 3.1: Kịch bản mô phỏng 44

Hình 3.2 Thông lượng người dùng trong trường hợp kênh đối xứng 47

Hình 3.3: Thông lượng người dùng trong trường hợp kênh không đối xứng 48

Hình 3.4: Hiệu suất năng lượng và hiệu suất phổ 49 Hình 3.5: Tổng công suất phát so với cho người dùng ở giữa và ô trung tâm 50

LỜI NÓI ĐẦU

Từ điện thoại tương tự đến dịch vụ Internet (bao gồm cả thoại và dữ liệu), mỗi quá trình chuyển đổi đã được khuyến khích bởi sự cần thiết phải đáp ứng các yêu cầu của thế hệ công nghệ di động mới Hiện nay, công nghệ truyền thông di động hiện đang phải đối mặt với một thách thức mới, tạo ra một xã hội siêu kết nối thông qua sự xuất hiện của các dịch vụ thế hệ thứ năm (5G) Với tiềm năng to lớn cho cả người tiêu dùng và công nghiệp, hệ thống thông tin di động 5G dự kiến sẽ triển khai vào năm 2020 Công nghệ 5G đòi hỏi hiệu suất phổ cao (10-100 – tức gấp 2 cho tới

10 lần hiệu suất phổ trong 4G), tốc độ dữ liệu người dùng cao (10 - 20 Gbps tức là 10-20 lần tốc độ dữ liệu đỉnh trong 4G), độ trễ thấp (cỡ 1 mili giây - một phần năm

độ trễ trong 4G)., mật độ kết nối dày đặc với khả năng kết nối cao Do đó, cần phải có những công nghệ đa truy cập mới đáp ứng được những yêu cầu đã đề ra ở trên Đa truy cập phi trực giao (NOMA) là một trong số những công nghệ đó

NOMA là một công nghệ hứa hẹn nhằm tăng cường thông lượng và năng lực của hệ thống NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên thời gian và tần

số trong cùng một không gian bằng cách đơn giản hóa việc đa truy cập hợp kênh miền công suất hoặc đa truy cập hợp kênh miền mã một cách tuyến tính Nhiễu xảy

ra do NOMA được kiểm soát bằng việc phân bổ nguồn tài nguyên phi trực giao, với chi phí tăng độ phức tạp của máy thu khi sử dụng cơ chế loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) hoặc khả năng tối đa ML (Maximum Likelihood)

Nội dung luận văn sẽ được trình bày như sau: Chương 1 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di đông; tiếp sau đó, chương 2 sẽ trình bày tổng quan, phân loại các công nghệ được sử dụng trong NOMA; cuối cùng chương 3 sẽ đánh giá hiệu năng của NOMA và so sánh với OMA

Thông qua các vấn đề được đề cập đến trong luận văn, em mong rằng sẽ có

sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ NOMA và những chỉ tiêu, thông

số của mạng di động 5G trong tương lai

+ Đặc điểm:

- Dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế cho truyền thông di động đồng nhất

- Chuyển vùng quốc tế

- Mã hóa số

- Các dịch vụ tăng cường (Dữ liệu + Thoại)

- Tiêu thụ công suất thấp

- Thiết bị đầu cuối có kích thước nhỏ gọn, tiện lợi và nhẹ

- Công nghệ truyền dẫn TDMA/CDMA

- Dung lượng lớn

Mạng 2G dựa trên 2 kĩ thuật chính tùy theo từng nước sử dụng

+ GSM: Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số Hầu hết thì hoạt động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng tần số

850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 MHz hay 450 MHz chỉ có

ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác Các mạng sử dụng tần số 900 MHz thì đường lên (từ thuê bao di động đến trạm truyền dẫn) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đường xuống sử dụng tần

số trong dải 935–960 MHz Các băng tần này được chia thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz Trong hệ thống GSM, phương pháp GMSK (Gausian Minimum Shift Keying) được sử dụng để điều chế tín hiệu

GSM sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (time division multiplexing), cho phép truyền 8 kênh thoại trên 1 kênh vô tuyến Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA Tốc độ dữ liệu cho cả tám kênh là 270.833 kbit/s

+ CDMA 2000: là một tiêu chuẩn công nghệ di động họ 3G[1], tiêu chuẩn này sử dụng kỹ thuật truy cập kênh đa sóng mang CDMA, để gửi thoại, dữ liệu và

dữ liệu báo hiệu giữa các điện thoại di động và trạm gốc, hỗ trợ tốc độ dữ liệu gói lên tới 153 kbps với truyền dẫn dữ liệu thực trung bình đạt 60–100 kbps trong hầu hết các ứng dụng thương mại trên thế giới

Tiêu chuẩn CDMA2000 được thiết kế vận hành với băng thông 1,25MHz Trong kỹ thuật này, nhiều sóng CDMA2000 trải phổ trực tiếp (sóng mang 1,25MHz) được kết hợp lại để tạo thành tín hiệu CDMA dải rộng hỗn hợp (5MHz) Tốc độ chip của CDMA2000 được chọn là 1,2288 Mchip/s [1]

1.1.2 Các đặc tính mạng 3G

Mạng 3G (Third-generation technology) là mạng di động thế hệ thứ ba theo chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả thoại số và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh ) Mạng thông tin

di động 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh

Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio không hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay [2]

Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định

và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc

chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail; Video streaming; High-ends games;

+ Đặc điểm:

- Kênh có băng thông rộng hon nhiều so với 2G

- Công nghệ truyền dẫn W-CDMA Hiệu suất phổ cao hơn (~2 b/s/Hz)

- Tốc độ bit cao

+ Các thông số kĩ thuật chính

Các tiêu chuẩn chung sau đây tuân thủ tiêu chuẩn IMT2000 / CDMA là triển khai phổ biến nhất, thường hoạt động trên băng tần 2,100 MHz Một số khác sử dụng các băng tần 850, 900 và 1,900 MHz.HSPA là một

3G:W-sự pha trộn của một số nâng cấp lên chuẩn W-CDMA ban đầu và cung cấp tốc

độ 14,4 Mbit / s và 5,76 Mbit / s Tốc độ chip của WCDMA được chọn là 3,84 Mchip/s WCDMA truyền nhiều kênh cùng một lúc với các mã trực giao khác nhau, những kênh mã này có thể gây nhiễu với nhau khi giao thoa “pha” nhận được bởi một trạm gốc không được lý tưởng

1.1.3 Các đặc tính mạng 4G

4G mạng thông tin đi động thế hệ thứ 4 Dự án hợp tác thế hệ 3 (3GPP) chuẩn hoá Hệ thống thông tin di động 4G cải thiện các mạng truyền thông hiện hành bằng cách đưa ra một giải pháp hoàn chỉnh và đáng tin cậy dựa trên IP Các tiện ích như thoại, dữ liệu và đa phương tiện sẽ được truyền tải tới người đăng ký ở mọi thời điểm và ở mọi nơi với tốc độ dữ liệu khá cao liên quan đến các thế hệ trước đó Các ứng dụng đang được thực hiện để sử dụng mạng 4G là: Dịch vụ Nhắn tin Đa phương tiện (MMS), Video kỹ thuật số (DVB) và trò chuyện video, nội dung Tivi có độ nét cao và TV di động

+ Đặc điểm:

- Kênh có băng thông rất rộng,

- Công nghệ truyền dẫn hợp kênh phân chia tần số trực giao

- Hiệu suất phổ cao hơn nhiều so với 3G (~ 8 b/s/Hz)

- Sử dụng các kĩ thuật phân tập (Thời gian, tần số, không gian)

- Tốc độ bít rất cao

+ Các kĩ thuật chính

Mạng 4G hiện hoạt động trên băng tần LTE Tiêu chuẩn LTE có thể được dùng với nhiều băng tần khác nhau Ở Bắc Mỹ, dải tần 700/ 800 và 1700/

1900 MHz được quy hoạch cho LTE; 800, 1800, 2600 MHz ở châu Âu; 1800 và

2600 MHz ở châu Á; và 1800 MHz ở Australia Đặc tả kỹ thuật LTE chỉ ra tốc độ tải xuống đỉnh đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên đỉnh đạt 75 Mbit/s và QoS quy định cho phép trễ truyền dẫn tổng thể nhỏ hơn 5 ms trong mạng truy nhập vô tuyến

LTE có khả năng quản lý các thiết bị di động chuyển động nhanh và hỗ trợ các luồng dữ liệu quảng bá và đa điểm LTE hỗ trợ băng thông linh hoạt, từ 1,25 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ cả song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD)

Phần lớn tiêu chuẩn LTE hướng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng

có thể thực sự trở thành công nghệ truyền thông di động 4G Một lượng lớn công việc là nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, vì nó chuyển từ mạng UMTE sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh + chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn IP E-UTRA là giao diện vô tuyến của LTE Nó có các tính năng chính sau [3]:

+ Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị người dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông

là 20 MHz) 5 kiểu thiết bị đầu cuối khác nhau đã được xác định từ một kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh Tất cả các thiết bị đầu cuối đều có thể xử lý băng thông rộng 20 MHz

+ OFDMA được dùng cho đường xuống, SC-FDMA dùng cho đường lên để tiết kiệm công suất

+ Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz,

10 MHz, 15 MHz và 20 MHz được chuẩn hóa (W-CDMA yêu cầu độ rộng băng thông là 5 MHz, dẫn tới một số vấn đề với việc đưa vào sử dụng công nghệ mới tại các quốc gia mà băng thông 5 MHz thương được ấn định cho nhiều mạng, và thường xuyên được sử dụng bởi các mạng như 2G GSM và cdmaOne)

+ Hỗ trợ kích thước tế bào từ bán kính hàng chục m (femto và picocell) lên tới các macrocell bán kính 100 km Trong dải tần thấp hơn dùng cho các khu vực

nông thôn, kích thước tế bào tối ưu là 5 km, hiệu quả hoạt động hợp lý vẫn đạt được

ở 30 km, và khi lên tới 100 km thì hiệu suất hoạt động của tế bào vẫn có thể chấp nhận được Trong khu vực thành phố và đô thị, băng tần cao hơn (như 2,6 GHz ở châu Âu) được dùng để hỗ trợ băng thông di động tốc độ cao Trong trường hợp này, kích thước tê bào có thể chỉ còn 1 km hoặc thậm chí ít hơn

+ Hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối dữ liệu hoạt động trong mỗi tế bào có băng thông 5 MHz

+ Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói

1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

Kể từ khi hệ thống 1G được Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1981, cứ khoảng 10 năm lại xuất hiện một thế hệ điện thoại di động mới Các hệ thống 2G đầu tiên bắt đầu tung ra vào năm 1991, các hệ thống 3G đầu tiên xuất hiện lần đầu vào năm 2001 và hệ thống 4G hoàn toàn tuân thủ các tiêu chuẩn

"IMT nâng cao" đã được chuẩn hóa vào năm 2012 Sự phát triển các hệ thống tiêu chuẩn của các mạng 2G (GSM) và 3G (IMT-2000 và UMTS) mất khoảng 10 năm

kể từ khi các dự án R & D chính thức bắt đầu, và quá trình phát triển hệ thống 4G

đã được bắt đầu từ năm 2001 hoặc 2002 Các công nghệ làm tiền đề cho một thế hệ mới thường được giới thiệu trên thị trường từ một vài năm trước đó, ví dụ như hệ thống CdmaOne/IS95 tại Mỹ vào năm 1995 được xem là tiền đề cho 3G, hệ thống Mobile WiMAX ở Hàn Quốc năm 2006 được xem là tiền đề cho 4G, và hệ thống thử nghiệm đầu tiên cho LTE là ở Scandinavia năm 2009 Từ tháng 4 năm 2008, Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp - một tổ hợp trong NASA Research Park - dưới sự lãnh đạo của Geoff Brown - bắt đầu phát triển công nghệ thông tin liên lạc 5G [4]

Các thế hệ điện thoại di động thường dựa trên các yêu cầu đối với các tiêu chuẩn di động không-tương-thích-ngược dưới đây - theo ITU-R, như IMT-2000 cho 3G và IMT-Advanced cho 4G Song song với sự phát triển của các thế hệ điện thoại

di động của ITU-R, IEEE và các cơ quan tiêu chuẩn hóa khác cũng phát triển các công nghệ truyền thông không dây, thường cho tốc độ dữ liệu cao hơn và tần số cao hơn, nhưng phạm vi truyền ngắn hơn Các tiêu chuẩn Gigabit IEEE đầu tiên là IEEE 802.11ac, đưa vào thương mại từ năm 2013 và gần như lập tức được tiếp nối bởi tiêu chuẩn đa Gigabit khác là IEEE 802.11ad

1.2.1 Mô hình mạng

Mạng di động 5G được lên kế hoạch sử dụng thêm bước sóng milimét, phổ tín hiệu RF giữa các tần số cao 20GHZ và 300GHz Các bước sóng này có thể truyền tải khối lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao, nhưng không truyền được xa và khó xuyên qua tường, vượt các ngại vật như các bước sóng tần số thấp trong mạng 4G Vì vậy khi xây dựng mạng 5G, các nhà mạng đã sử dụng một lượng lớn ăng ten

để có cùng độ phủ sóng như 4G hiện tại

Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang được sử dụng bởi mạng 2G, 3G

và 4G, có thể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations), được biết như là những chiếc máy bay cố định ở độ cao trung bình 20 km

so với mặt đất Chúng hoạt động như vệ tinh và thay thế các ăng ten để giúp đường truyền tín hiệu của mạng không dây mới được thẳng và vùng phủ sóng rộng, ổn định hơn, không bị hạn chế bởi các thiết kế kiến trúc cao tầng [3]

Kiến trúc của 5G được mở rộng và nâng cấp, các yếu tố mạng của nó và thiết

bị đầu cuối khác nhau được nâng cấp để đủ khả năng đáp ứng các yêu cầu mới Tương tự như vậy, các nhà cung cấp dịch vụ có thể thực hiện công nghệ tiên tiến để

áp dụng các dịch vụ giá trị gia tăng một cách dễ dàng [4]

Hình 1.1: Mô hình dự kiến mạng 5G [4]

Tuy nhiên, khả năng nâng cấp dựa trên công nghệ vô tuyến nhận thức bao gồm các tính năng quan trọng khác nhau như khả năng của thiết bị để xác định vị trí địa lý cũng như thời tiết, nhiệt độ, vv Công nghệ vô tuyến nhận thức hoạt động như một bộ thu phát nhận biết và phản hồi tín hiệu radio trong môi trường hoạt động Hơn nữa, nó nhanh chóng phân biệt những thay đổi trong môi trường của nó

và do đó đáp ứng phù hợp để cung cấp dịch vụ chất lượng không bị gián đoạn

Vì cấu trúc cell 5G không đồng nhất do đó khái niệm cell thông thường như trong mô hình mạng 2/3/4G được gọi macrocell Một macrocell bao gồm các small cell, pico cell hay femto cell với các trạm BS và relays

Một khái niệm small cell di động là một phần không thể tách rời của mạng di động không dây 5G và một phần gồm các khái niệm di động và chuyển tiếp small cell Nó đang được giới thiệu để người sử dụng mạng di động trong xe ô tô và tàu cao tốc Các small cell di động được đặt bên trong ô tô di chuyển để truyền thông với người sử dụng bên trong ô tô, nhờ công nghệ MIMO khối bao gồm các mảng anten lớn được đặt bên ngoài ô tô để liên lạc với trạm cơ sở bên ngoài

Người sử dụng small cell di động có tốc độ dữ liệu cao cho các dịch vụ dữ liệu theo yêu cầu với mức tín hiệu giảm đáng kể Vì kiến trúc mạng di động không dây 5G chỉ gồm hai lớp logic: mạng vô tuyến và đám mây mạng ảo Các loại khác nhau của các thành phần mạng thực hiện các chức năng khác nhau cấu thành mạng

vô tuyến điện Đám mây ảo hóa chức năng mạng (NFV) bao gồm một thực thể mặt phẳng người dùng (UPE) và một thực thể mặt phẳng điều khiển (CPE) thực hiện các chức năng lớp cao hơn liên quan đến mặt phẳng người dùng và điều khiển (User và Control) Chức năng mạng đặc biệt như là một dịch vụ (XaaS) sẽ cung cấp dịch vụ theo nhu cầu, tổng hợp tài nguyên là một trong những ví dụ XaaS là kết nối giữa một mạng vô tuyến và một đám mây mạng

Hệ thống bao gồm một thiết bị đầu cuối người dùng chính và sau đó là một

số công nghệ truy cập vô tuyến độc lập và tự động Mỗi công nghệ vô tuyến được coi là liên kết IP cho thế giới Internet bên ngoài Công nghệ IP được thiết kế độc quyền để đảm bảo dữ liệu kiểm soát đầy đủ cho việc định tuyến thích hợp các gói IP liên quan đến một kết nối ứng dụng nhất định, tức là các phiên giữa các ứng dụng khách và máy chủ ở đâu đó trên Internet

Thiết kế RAN cho công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) thế hệ tiếp theo sẽ được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu sau [5]:

+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ tương tác chặt chẽ các công nghệ truy cập vô tuyến mới và LTE

+ Có tín hiệu năng cao giữa các RAT di động và sự kết hợp các luồng dữ liệu thông qua ít nhất hai kết nối giữa LTE và RAT mới Điều này sẽ được hỗ trợ khai thác cả trạm được phân bổ lẫn trạm không được phân bổ

+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ kết nối thông qua nhiều điểm truyền tải, hoặc được phân bổ lẫn không được phân bổ

+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép phân tách báo hiệu mặt phẳng điều khiển và

dữ liệu mặt phẳng người dùng từ các trạm khác nhau

+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ giao diện hỗ trợ phối hợp lập lịch hiệu quả giữa các trạm

+ Được phép lựa chọn các tùy chọn khác nhau và linh hoạt để chia tách kiến trúc RAN

+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép triển khai linh hoạt

+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép phân tách mặt phẳng điều khiển C-plane và mặt phẳng người dùng U-plane

+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép triển khai sử dụng mạng chức năng Ảo

+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép RAN và CN phát triển độc lập

+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép mạng hoạt động chia cắt

+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ chia sẻ RAN giữa đa thao tác

+ Việc thiết kế cấu trúc RAN sẽ cho phép triển khai nhanh chóng và hiệu quả các dịch vụ mới

+ Thiết kế của kiến trúc RAN sẽ cho phép hỗ trợ các lớp dịch vụ được định nghĩa theo chuẩn 3GPP (ví dụ: tương tác, nền, streaming và đàm thoại)

+ Việc thiết kế cấu trúc RAN sẽ cho phép CAPEX/OPEX thấp hơn đối với các mạng hiện tại để đạt được cùng mức độ dịch vụ

+ Các giao diện RAN - CN và các giao diện nội bộ của RAN (giữa các nút/chức năng hợp lý RAT và giữa các nút/chức năng hợp lý RAT và LTE mới) sẽ

mở ra cho khả năng tương tác giữa các nhà cung cấp

+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ thao tác liên kết (thiết bị với thiết bị) của nhà điều hành được kiểm soát, cả trong phạm vi phủ sóng và ngoài phạm vi phủ sóng

1.2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản

- Tốc độ dữ liệu đỉnh

Tốc độ dữ liệu đỉnh là tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt được dưới điều kiện lý tưởng (đơn vị: bit/s), tức là các bit dữ liệu nhận được không bị lỗi của một trạm di động đơn lẻ sử dụng toàn bộ tài nguyên vô tuyến được ấn định

Yêu cầu này được định nghĩa cho kịch bản sử dụng eMBB (Enhanced Mobile Broadband / Extreme Mobile Broadband) Theo đó, mục tiêu tốc độ dữ liệu đỉnh là

20 Gbit/s đối với đường xuống và tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên là 10 Gbit/s [4]

-Hiệu suất phổ đỉnh

Hiệu suất phổ cao nhất là tốc độ dữ liệu lý thuyết cao nhất (chuẩn bởi băng thông), là tốc độ truyền dữ liệu nhận được giả định các điều kiện không có lỗi được chuyển cho một trạm di động duy nhất, khi tất cả tài nguyên vô tuyến được phân bổ cho hướng liên kết tương ứng được sử dụng (ví dụ, tài nguyên được sử dụng để đồng bộ lớp vật lý, tín hiệu tham khảo hoặc sóng mang, dải bảo

vệ và thời gian bảo vệ)

Mục tiêu cho hiệu suất phổ đỉnh là 30 bps/Hz cho đường xuống và 15 bps/Hz cho đường lên [4]

- Tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm

Tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm đường xuống là 100 Mbit/s và tốc độ

dữ liệu người dùng trải nghiệm đường lên 50 Mbit/s

Tốc độ dữ liệu thực tế của người dùng có thể được đánh giá theo bộ đệm lưu lượng không đầy đủ và cho bộ đệm lưu lượng đầy đủ

Đối với bộ đệm lưu lượng không đầy đủ, tốc độ dữ liệu thực tế người dùng là 5% của thông lượng người sử dụng Thông lượng người dùng (trong thời gian hoạt động) được định nghĩa là kích thước của một cụm dữ liệu (burst) chia cho thời gian giữa gói tin đầu tiên của burst và gói tin cuối cùng của burst

Giá trị tốc độ dữ liệu thực tế mong muốn người dùng được kết hợp với việc ước lượng bộ đệm lưu lượng không đầy đủ Tốc độ dữ liệu thực tế người dùng bộ đệm lưu lượng không đầy đủ là khả năng mức độ lưu lượng tại dung lượng lưu lượng vùng bộ đệm lưu lượng không đầy đủ

Đối với bộ đệm lưu lượng đầy đủ, tốc độ dữ liệu thực tế của người dùng có thể được tính

Tốc độ dữ liệu thực tế của người dùng = 5% hiệu suất phổ người dùng băng thông

Để cải thiện tốc độ dữ liệu người dùng thực tế, 3GPP có thể phát triển các tiêu chuẩn để nâng cao hơn 5% hiệu suất phổ người dùng Để đạt được điều này, 5% hiệu suất phổ người dùng tăng gấp ba lần so với IMT-Advanced Hơn nữa, 3GPP có thể phát triển các tiêu chuẩn với các phương tiện hỗ trợ băng thông lớn

Để đạt được điều này, cần có băng thông tổng hợp ít nhất 1 GHz

Cả độ rộng băng thông và mật độ UE trong diện tích/khu vực đều có tác động mạnh đến tốc độ dữ liệu người dùng thực tế, vượt quá tầm kiểm soát của 3GPP.Mục tiêu: tốc độ DL-100 Mbps và tốc độ UL - 50 Mbps

- Độ trễ

+ Độ trễ mặt phẳng điều khiển

Độ trễ cho mặt phẳng điều khiển đề cập đến thời gian để di chuyển hiệu quả trạng thái hoạt động thiết bị (ví dụ từ trạng thái chờ đến khi bắt đầu truyền dữ liệu liên tục) Mục tiêu độ trễ mặt phẳng điều khiển là 1 ms

+ Độ trễ mặt phẳng người dùng

Xác định thời gian thực hiện thành công cung cấp đơn vị dữ liệu (2/3 SDU - Service Data Unit) từ lớp ứng dụng tới lớp giao thức vô tuyến ở cả đường lên và đường xuống giữa trạm thu và trạm phát không bị hạn chế bởi thu gián đoạn (DRX

- Discontinuous Reception)

Đối với truyền thông độ trễ thấp độ tin cậy siêu cao (URLLC), độ trễ mặt phẳng của người dùng mong muốn đạt là 0,5 ms đối với UL và 0,5 ms đối với DL Hơn nữa, nếu có thể, độ trễ cũng phải thấp, đủ để hỗ trợ việc sử dụng các công nghệ truy cập thế hệ tiếp theo như một công nghệ truyền tải không dây có thể được sử dụng trong kiến trúc truy cập thế hệ tiếp theo

Đối với các trường hợp khác, mục tiêu cho độ trễ mặt phẳng của người dùng

là 4 ms cho UL và 4 ms cho DL

+ Thời gian gián đoạn di động

Thời gian gián đoạn di động có nghĩa là thời gian thời gian ngắn nhất được

hỗ trợ bởi hệ thống; Trong thời gian đó một thiết bị đầu cuối người dùng không thể trao đổi các gói dữ liệu người từ mặt phẳng sử dụng với bất kỳ trạm gốc trong thời gian chuyển Mục tiêu thời gian gián đoạn di động là 0ms

Có thể có các yêu cầu khác nhau đối với sự gián đoạn di động trong tần số và liên tần số và cho các dịch vụ khác nhau Trong trường hợp đa kết nối được hỗ trợ,

sẽ không có thời gian gián đoạn hoạt động

- Tính di động hệ thống

Là tốc độ chuyển động của trạm di động (km/h) mà vẫn đạt được chất lượng dịch vụ (QoS) theo yêu cầu 5G sẽ hỗ trợ tốc độ tối đa của trạm di động lên tới 500 km/h Với yêu cầu này, người dùng thiết bị đi dộng trên các tàu cao tốc vẫn đảm bảo được kết nối Tốc độ tàu cao tốc lớn nhất hiện nay như của Nhật Bản hoặc CGV của Châu Âu là 320 km/h [4]

Ngoài ra còn có các yêu cầu khác để đánh giá đạt tiêu chuẩn công nghệ

IMT-2020 trong các kịch bản sử dụng khác nhau như: Hiệu quả sử dụng năng lượng, độ tin cậy, thời gian gián đoạn khi di động, tổng lưu lượng vùng Tính di động hệ thống đề cập đến khả năng hỗ trợ tính di động của thuê bao giữa hệ thống IMT-

2020 và ít nhất một hệ thống IMT IMT không phải là một công nghệ cụ thể mà là một đặc tả và danh sách các yêu cầu đối với dịch vụ băng rộng di động tốc độ cao

+ Độ tin cậy

Độ tin cậy có thể được đánh giá bởi xác suất thành công của việc truyền như

20 byte trong vòng 1 ms, đó là thời gian cần để phân phát một gói dữ liệu nhỏ từ lớp giao thức vô tuyến 2/3 SDU vào điểm truy cập vào lớp giao thức vô tuyến 2/3 SDU điểm xuất phát của giao diện vô tuyến, với chất lượng kênh nhất định (ví dụ, tại biên của vùng phủ sóng)

Mục tiêu về độ tin cậy phải đạt trong vòng 1 ms

lượng không đầy đủ

Mô hình bộ đệm không đầy đủ:

Tổng lưu lượng trong khu vực địa lý (đơn vị Mbit/s/ ) Cả tốc độ dữ liệu người dùng thực tế và dung lượng lưu lượng khu vực cần phải được đánh giá đồng thời sử dụng cùng một mô hình lưu lượng dữ liệu

Mô hình bộ đệm hữu hạn là một phiên bản đơn giản của kiểu lưu lượng tương tác hoặc lưu lượng nền Bộ đệm hữu hạn bao gồm cả lưu lượng người dùng đến (birth) và lưu lượng người dùng đi (death) Với mô hình lưu lượng này, lưu lượng người dùng được chỉ định một tải trọng hữu hạn để truyền hoặc nhận khi nó đến và khi nó rời khỏi hệ thống sau khi quá tải hoặc nhận tín hiệu được hoàn thành Quá trình truy cập đến người dùng của mô hình này cho thấy thực tế là các lưu lượng người dùng trong mạng không đồng thời hoạt động cùng lúc, nhưng họ trở nên hoạt động khi họ bắt đầu phiên dữ liệu yêu cầu tải xuống / tải lên dữ liệu

Dung lượng vùng lưu lượng là một thước đo mức lưu lượng truy cập mà một mạng có thể thực hiện trên một đơn vị diện tích Nó phụ thuộc vào mật độ diện tích, băng thông và hiệu quả phổ Trong trường hợp đặc biệt của một hệ thống đơn lớp-đơn dải (single-layer single band), nó có thể được biểu diễn như sau [1]:

Dung lượng vùng lưu lượng (bps/ ) = mật độ trạm (site/ ) băng thông

(Hz) hiệu suất phổ (bps/Hz/site)

Dựa vào các kết quả trên, người ta đề xuất sử dụng hiệu suất phổ không chỉ

là tỷ số của bps với băng thông mà còn trên mật độ trạm để có được thông tin quan trọng (KPI) này về dung lượng vùng lưu lượng một cách định lượng

Mục tiêu chỉ số KPI này là: 10Mbit/s/

- Mật độ kết nối

Mật độ kết nối đề cập đến tổng số thiết bị thực hiện QoS (Quality of Service)

cụ thể trên mỗi đơn vị diện tích ( ) Định nghĩa QoS nên tính đến lượng dữ liệu hoặc yêu cầu truy cập được tạo ra trong thời gian X (được nghiên cứu trong tương lai) có thể được gửi hoặc nhận trong một khoảng thời gian nhất định, Y (sẽ được nghiên cứu trong tương lai), với Z% được nghiên cứu trong tương lai) xác suất.Mục tiêu mật độ kết nối cần là 1.000.000 thiết bị / trong môi trường đô thị

+ Tính di động

Tính di động là tốc độ người sử dụng tối đa (km / h) mà tại đó một QoS được xác định có thể đạt được Mục tiêu là 500 km/h

1.3 ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Trong mạng thông tin di động sử dụng truyền thông không dây, không gian (môi trường truyền tin) cùng được sử dụng chung cho tất cả các trạm Do đó các trạm truyền tin không dây trong một mạng phải tuân thủ cơ chế đa truy cập áp dụng cho mạng đó Hai cơ chế đa truy cập cơ bản là:

+ Truy cập kênh tĩnh sử dụng các kênh trực giao để truyền dữ liệu mỗi khi một trạm được phép truyền thông không dây để truyền dữ liệu của mình theo cơ chế kênh, tránh xung đột hay nhiễu từ dữ liệu người dùng này tới dữ liệu người dụng kia

+ Truy cập kênh động sử dụng truyền dữ liệu dạng gói với hai cơ chế cơ bản

- Truy cập ngẫu nhiên (Random Access): Một kênh dùng chung cho các trạm truyền thông tin báo hiệu (điều khiển) để đăng kí yêu cầu truyền tin Cơ chế giải quyết xung đột được sử dụng để nhận thông tin điều khiển theo từng mạng Vào những năm 1970, Norman Abramson cùng các đồng sự tại Đại học Hawaii đã phát minh ra một phương pháp mới ưu hạng dùng để giải quyết bài toán về cấp phát kênh truyền Ở đây, chúng ta sẽ thảo luận về hai phiên bản của ALOHA: pure (thuần túy) và slotted (được chia khe)

Slotted ALOHA: Thời gian được chia thành nhiều slot có kích cỡ bằng nhau

để mô hình hóa cơ chế kênh (bằng thời gian truyền một khe thời gian) Một trạm muốn truyền một khung thì phải đợi đến đầu slot thời gian kế tiếp mới được truyền

Dĩ nhiên là sẽ xảy ra xung đột và khung bị đụng độ sẽ bị hư Tuy nhiên, dựa trên tính phản hồi của việc truyền quảng bá, trạm phát luôn có thể theo dõi xem khung

của nó phát đi có bị hủy hoại hay không bằng cách lắng nghe kênh truyền Những trạm khác cũng làm theo cách tương tự Trong trường hợp vì lý do nào đó mà trạm không thể dùng cơ chế lắng nghe đường truyền, hệ thống cần yêu cầu bên nhận trả lời một khung báo nhận (acknowledgement) cho bên phát Nếu phát sinh đụng độ, trạm phát sẽ gởi lại khung tại đầu slot kế tiếp với xác suất p cho đến khi thành công

Pure ALOHA: Kỹ thuật Pure ALOHA đơn giản hơn Slotted ALOHA do

không có sự đồng bộ hóa giữa các trạm, nó mô hình hóa cơ chế truyền thông gói Mỗi khi muốn truyền một khung thông tin, trạm sẽ truyền nó ngay mà không cần đợi đến đầu của slot thời gian kế tiếp

- Truy cập lập lịch (Scheduling): Dữ liệu gói của các trạm được lập lịch để truyền trên các kênh trực giao dùng chung, tránh xung đột hay nhiễu từ dữ liệu người dùng này tới dữ liệu người dụng kia trên kênh dùng chung đó

1.3.1 Đa truy cập mạng 2G/3G

Sử dụng cơ chế truy cập kênh tĩnh

Phương pháp đa truy cập dùng trong GSM kết hợp GPRS truyền song công dựa trên phân chia theo tần số (FDMA) và đa truy cập theo phân chia thời gian (TDMA) Trong suốt một kết nối cuộc gọi, người dùng được gán cho một cặp khe thời gian tương ứng với kênh tần số tải lên và kênh tần số tải xuống Có tới 8 khe thời gian trong một khung trên một kênh tần số và có tới 124 kênh tần số đường lên hay đường xuống cho hệ thống GSM chuẩn Điều này sẽ giúp cho vài người dùng có thể chia sẻ cùng một kênh tần số Các khe thời gian có độ dài cố định cho phép truyền dữ liệu người dùng với tốc độ 13 kb/s

CDMA (Code Division Multiple Access) là đa truy nhập (đa người dùng) phân chia theo mã Khác với GSM phân phối tần số thành những kênh nhỏ, rồi chia

sẻ thời gian các kênh ấy cho người sử dụng Trong khi đó thuê bao của mạng di động CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung Mọi khách hàng có thể đồng thời truyền tín hiệu của mình trên cùng một giải tần, trong suốt thời gian cuộc gọi Dữ liệu mỗi người dùng được truyền trên một kênh mã, mỗi người dùngsử dụng các kênh mã khác nhau và trực giao với nhau Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác nhau sẽ được mã hoá bằng các tín hiệu giả ngẫu nhiên, sau đó được trộn lẫn và phát

đi trên cùng một giải tần chung và chỉ được phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê bao (máy điện thoại di động) với mã giả ngẫu nhiên tương ứng

1.3.2 Đa truy cập mạng 4G

Sử dụng cơ chế lập lịch cho phép truyền dữ liệu người dùng trên các sóng mang con trực giao

LTE là một chuẩn cho công nghệ truyền thông dữ liệu không dây và là một

sự tiến hóa của các chuẩn GSM/UMTS Mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21 này Một mục tiêu cao hơn là thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP với độ trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc mạng 3G Giao diện không dây LTE không tương thích với các mạng 2G và 3G, do đó nó phải hoạt động trên một phổ vô tuyến riêng biệt

Một trong những ưu điểm quan trọng của mạng 4G LTE là tăng hiệu suất sử dụng tần số và tiết kiệm băng thông Nguyên nhân là do mạng 4G sử dụng kĩ thuật truy cập OFDMA ở đường xuống và SC-FDMA ở đường lên [6] Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành N chuỗi con song song (1,2,…, N) có tốc độ thấp hơn (R/N) N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang con trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời

Bản chất trực giao của các sóng mang con OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và vẫn tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference) Ta có thể thấy được điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên Hình 1.2

Hình 1.2: Phổ tín hiệu của OFDM và FDM

Công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT [2] Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh

IFFT cho bộ điều chế OFDM Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …,

N-1) Công thức của phép biến đổi DFT là:

e n x k

N

k

j N

N kn

e k X n

Hình 1.3: Cơ chế điều chế và giải điều chế OFDM

Hình 1.4: Các sóng mang con lí tưởng trực giao

Hai cơ chế đa truy cập riêng biệt được sử dụng cho mạng LTE là OFDMA tại đường xuống và SC-FDMA tại đường lên

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi COFDM (code OFDM) Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang con là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau Kỹ thuật này đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở châu Âu Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

đa truy cập phù hợp là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc nâng cao năng lực hệ thống

Đa truy cập cho phép nhiều người dùng chia sẻ kênh truyền thông một cách hiệu quả Người gửi tín hiệu một cách độc lập tới người nhận thông thường thông qua các kênh tương ứng Việc truyền phải nằm trong phạm vi băng thông của toàn

bộ hệ thống với những hạn chế về năng lượng của người sử dụng Thông thường, việc truyền tải dữ liệu từ người dùng phải được phối hợp và đồng bộ với các trạm

cơ sở, sao cho các tín hiệu nhận được kết hợp Đa truy cập có thể dựa trên cơ chế đa truy cập trực giao (OMA) và đa truy cập phi trực giao (NOMA) [7]

Đa truy cập trực giao (OMA) cho phép người dùng truy cập các kênh trực giao sao cho không có nhiễu vào dạng sóng tín hiệu của người dùng kia Do đó, tín hiệu từ máy thu phát cho mỗi cặp người dùng không có nhiễu từ cặp người dùng khác với lỗi tương tự như của một cặp người dùng Cơ chế đa truy cập trực giao cho phép bộ thu hoàn hảo tách hoàn toàn các tín hiệu không mong muốn khỏi tín hiệu mong muốn khi sử dụng các chức năng cơ bản khác nhau Đa truy cập hợp kênh phân chia thời gian (TDMA) và đa truy cập hợp kênh phân chia tần

số (FDMA) và đa truy cập hợp kênh phân chia tần số trực giao (OFDMA) là một vài ví dụ về các chương trình OMA

NOMA là một công nghệ đầy hứa hẹn nhằm tăng cường thông lượng hệ thống và độ tin cậy cao [11] NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên thời gian và tần suất trong cùng một lớp không gian thông qua chồng chất tuyến tính đơn giản hoặc mul-tiplexing tên miền Trong OMA, mặc dù người dùng ghép kênh trực giao có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của

kênh Tuy nhiên việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng làm giảm đi một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân chuỗi bảo

vệ không mang thông tin có ích Ngược lại với OMA, NOMA cho phép phân bổ một kênh tần số cho nhiều người dùng cùng một lúc trong cùng một tế bào và mang lại một số lợi thế, bao gồm hiệu suất phổ được cải thiện, cao hơn tế bào LTE-A, phản hồi kênh thoải mái (chỉ nhận được cường độ tín hiệu, thông tin trạng thái kênh chính xác), và độ trễ truyền thấp Các kỹ thuật NOMA sẵn có có thể được thực hiện trong các miền: NOMA miền công suất (Power-Domain), NOMA miền mã (Code-Domain) và 1 số miền khác: NOMA PDMA

2.2 TRUY CẬP NOMA MIỀN MÃ –WCDMA

Giống như kĩ thuật đa truy cập hợp kênh theo mã (CDMA), Code-Domain NOMA chia sẻ toàn bộ tài nguyên có sẵn thời gian - tần số Nhưng Code-Domain NOMA sử dụng chuỗi (dãy) trải người dùng cụ thể hoặc là các dãy thưa thớt hoặc các dãy tương quan chéo phi trực giao với hệ số tương quan thấp

2.2.1 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)

Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) được minh họa trong Hình 2.14, ban

đầu được phát triển cho quân đội để cho phép nhiều người dùng M truyền tải trên

mạng cùng một lúc Nó được thực hiện bằng cách nhân dữ liệu của mỗi người sử dụng với một trong những dãy trải duy nhất , - Mã trải được tổ hợp chuẩn

hóa N chip Mã trải làm tốc độ truyền cao hơn nhiều so với tốc độ của người dùng

dẫn dến việc băng thông được mở rộng Máy thu biết rõ mã trải của mình sẽ giải phóng tín hiệu thu được trở lại băng thông ban đầu và trong quá trình này, hủy bỏ hoặc giảm thiểu nhiễu từ những người dùng khác

Hình 2.1 Phân bổ nguồn tài nguyên trong CDMA

Bản chất băng rộng của WCDMA làm cho nó rất dễ bị trải trễ giữa các tuyến độc lập ảnh hưởng đến thu kết hợp để có độ phân tập cao và loại bỏ ảnh hưởng fading đa đường Hơn nữa, truyền tín hiệu qua băng thông lớn dẫn đến khả năng phục hồi giảm do nhiễu theo băng thông lớn hơn, mức tín hiệu bị ẩn trong ồn Ngoài

ra, số lượng người dùng tối đa trên một kênh nhất định có tỷ lệ bit bằng nhau được giới hạn bởi số lượng các dãy trải phổ

2.2.2 Trải mật độ thấp (LDS)

Trải mật độ thấp (LDS-CDMA) là một phiên bản được cải tiến của CDMA với các dãy trải thưa được sử dụng thay vì các dãy trải có mật độ thông thường Số lượng các dãy trải khác không nhỏ hơn nhiều so với CDMA, dẫn tới nhiễu giữa các chuỗi ít hơn tức là , -<< , - Trong khi các dãy trải trực giao sẽ làm giảm đáng kể nhiễu của người sử dụng, chúng thường không được thiết kế cho kênh quá tải

Tại máy thu, SIC hoặc bộ phát hiện đơn giản được gọi là thuật toán truyền tin (Message-Passing Algorithm - MPA) có thể được sử dụng để phát hiện đa người dùng (MUD) Trong MPA, một trạm có thể biến đổi biểu diễn biểu tượng truyền và tham số trạm tương ứng với tín hiệu nhận được ở mỗi chip.Độ tin cậy của các biểu tượng được tráo đổi giữa các trạm giúp cải thiện hiệu suất lỗi Hơn nữa, giả sử số lượng người dùng

tối đa được chồng chất lên cùng một chip w, do cấu trúc LDS, độ phức tạp thu là O(Q w )

so với tới O(Q M ), M > w cho CDMA thông thường Trong đó Q biểu thị bậc chòm

sao Một ưu điểm nữa là CDMA có thể được chuyển đổi trực tiếp sang OFDM, tại đó chip được thay thế bởi các sóng mang con trong OFDM

LDS-Hệ thống hợp kênh phân chia tần số trực giao LDS (hay LDS-OFDM) có thể được coi là một phiên bản kết hợp của LDS-CDMA và OFDM, trong đó chip được thay thế bởi sóng mang con của OFDM nhằm chống lại fading đa đường Trong LDS-OFDM, các ký hiệu được truyền trước tiên được ánh xạ tới các dãy LDS nhất định, sau

đó truyền đi trên các sóng mang con OFDM khác nhau Số ký hiệu có thể lớn hơn số sóng mang con, nghĩa là quá tải được phép cải thiện hiệu quả phổ Thuật toán thông qua (MPA) trong LDS-CDMA cũng có thể được sử dụng trong bộ thu LDS-OFDM

Về cơ bản, LDS-OFDM có thể được xem như là một dạng cải tiến của CDMA đa sóng mang (MC-CDMA) bằng cách thay thế các dãy trải mật độ thông thường với LDS

Do cấu trúc biểu tượng mật độ thấp, mọi biểu tượng dữ liệu sẽ chỉ được truyền trên một tập con nhỏ các sóng mang con (hiệu quả điều chế đạt được) và cũng sẽ được sử dụng tất cả các sóng mang con bởi một tập con nhỏ các biểu tượng

dữ liệu có thể thuộc về người dùng khác nhau Cấu trúc LDS có thể bị chiếm bởi mật độ, do đó, tương tự như việc áp dụng LDS cho CDMA, việc phát hiện LDS-OFDM có thể dựa trên thuật toán MPA

2.2.3 Đa truy cập mã thưa (SCMA)

Để cải thiện hiệu suất trong điều chế bậc cao, đa truy cập mã thưa (SCMA) được giới thiệu trong [11], đó là một kỹ thuật trải phi trực giao Trong SCMA các dãy bit đến được ánh xạ trực tiếp tới các mã thưa khác nhau Tất cả các từ mã trong cùng một sách mã chứa các zero trong cùng không gian hai chiều và vị trí của các zero trong các sách mã khác nhau được phân biệt nhằm tránh xung đột từ mã đa chiều của các sách mã SCMA giữa hai người dùng bất kì nào Mỗi lớp trong sách

có từ mã riêng của nó Hình dạng đạt được của chòm sao đa chiều là một trong những nguồn chính của cải tiến hiệu suất so với sự lặp lại đơn giản của các ký hiệu QAM trong LDS

Như vậy, LDS khác cơ bản với SCMA là có chòm sao đa chiều được thiết kế cho SCMA để tạo ra các sách mã, sách mã sẽ cho độ lợi “định hình” (sharping gain)

mà LDS không thể có Để đơn giản hóa thiết kế chòm sao đa chiều, một chòm sao

mẹ được tạo ra bằng cách tối thiểu hóa năng lượng mẫu biểu tượng trung bình để có được khoảng cách Euclide tối thiểu cho trước giữa các điểm chòm sao và cũng ảnh hưởng đến hoạt động từ mã như quay pha, liên hợp phức và chiều hoán vị Chòm sao con dựa vào đó được tạo ra để có sách mã dùng cho SCMA

Các hệ thống SDMA cho phép hai hoặc nhiều người dùng kết hợp cùng một trạm cơ sở, sử dụng cùng một khoảng thời gian và tần suất và tài nguyên mã dựa trên vị trí thực tế hoặc khoảng cách không gian Vì vậy, chúng ta có thể phân biệt giữa những người sử dụng bằng cách khai thác thực tế là những người dùng khác nhau xung đột các tín hiệu không gian khác nhau trên mảng anten nhận Điều này thường được thực hiện với anten định hướng Kỹ thuật SDMA có thể được sử dụng

để tăng vùng phủ sóng di động Ngoài ra, chúng còn hữu ích trong việc giảm nhiễu, cải thiện chất lượng dịch vụ [11]