(Luận văn thạc sĩ) tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4g

Chương 2: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến Trong chương 2 sẽ trình bày các kiến thức cơ sở về lý thuyết liên quan giới thiệu một số mô hình cơ bản của kênh thông tin vô tu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĨNH HƯNG

TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Ngô Hồng Sơn

Hà Nội - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Vĩnh Hƣng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G 3

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

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 4

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 5

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

1.4.1 Quá trình phát triển 4G 7

1.4.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 11

Chương 2: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 13

2.1 Mô hình kênh nhiễu Gauss 13

2.2 Mô hình kênh Fading: 14

2.2.1 Các đặc trưng thống kê: 15

2.2.2 Mô hình các kênh vô tuyến di động 16

2.3 Hiệu năng khi truyền tín hiệu số trên kênh AWGN: 17

2.4 Xác suất lỗi đối với kênh fading phẳng: 18

2.5 Xác suất gián đoạn hệ thống 20

2.6 Điều chế M-ASK: 21

2.6.1Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh AWGN 21

2.6.2 Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh fading 22

2.7 Hiệu năng của hệ thống điều chế M-QAM 23

2.7.1 Hiệu năng hệ thống M-QAM truyền trên kênh AWGN 23

2.7.2 Hiệu năng của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading Rayleigh: 24

2.7.3 Xác suất gián đoạn hệ thống: 25

2.8 Hiệu năng của hệ thống M-PSK 26

2.8.2 Hiệu năng của hệ thống M-PSK truyền qua kênh fading Rayleigh 27

2.8.3 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-PSK 28

Chương 3: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 30

3.1 Mô hình hệ thống MIMO 30

3.2 Hiệu năng của hệ thống phân tập không gian ở đầu thu 32

3.3 Hiệu năng hệ thống đối với phân tập không gian ở đầu phát 35

3.3.1 Trường hợp máy phát biết được thông tin về trạng thái kênh 35

3.3.2 Trường hợp máy phát không biết thông tin kênh 35

3.4 Hiệu năng của hệ thống MIMO 37

3.5 Mô hình hệ thống OFDM 38

3.6 Hiệu năng của hệ thống OFDM 43

3.7 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM: 46

3.8 Hiệu năng của hệ thống MIMO-OFDM 46

Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH HIỆU NĂNG MẠNG 4G 54

4.1 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit trong mô hình OFDM 54

4.2 Xây dựng và tính hiệu năng LTE 56

Tỷ số lỗi bit BER: 58

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR: 58

Quan hệ của BER với SNR: 58

Xác suất lỗi 58

4.3 Kết quả mô phỏng quan hệ BER và SNR 58

Đối với trường hợp SC-FDMA điều chế thích nghi với BER = 1e-3 59

4.4 Kết quả mô phỏng xác suất lỗi đối với hệ thống OFDMA và SC-FDMA điều chế thích nghi 59

Trường hợp SC-FDMA Pe=1e-0.5 kết quả được biểu thị trong bảng 4.5 60

4.5 Kết quả mô phỏng tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR của OFDMA và FC-FDMA điều chế thích nghi 61

4.4 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit với mô hình kênh MIMO-OFDM 65

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

3GPP 3rd Generation Partnership Project

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

CDMA Code Division Multiple Access

DFT Discrete Fourier Transform

FFT Fast Fourier Transform

FDMA Frequency Division Multiple Access

GSM Global System for Mobile Communication

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ITU International Telecommunication Union

ISI Inter Symbol Interference

Telecommunications-Advanced

LTE Long Term Evolution

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PAPR Peak to Average Power Ratio

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access

SNR Signal to Noise Ratio

TDMA Time Division Multiple Access

UE User Equipment

WCDMA Wireless Code Division Multiple Access

ii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Tham số của mô hình kênh MIMO 32

Bảng 4.1 Thông số mô phỏng OFDM 54

Bảng 4.2 Bảng mô phỏng LTE 57

Bảng 4.3 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA 58

Bảng 4.4 Quan hệ BER với SNR trong trường hợp SC-FDMA 59

Bảng 4.5 Kết quả của Pe với OFDMA 60

Bảng 4.6 Kết quả của Pe với hệ thống SC-FDMA 60

Trang

iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quá trình phát triển của các mạng thông tin di động 3G-4G 8

Hình 1.2 Các khả năng của các mạng sau 3G 9

Hình 1.3 Các mạng tương lai 9

Hình 1.4 Cấu trúc lớp của mạng tương lai 10

Hình 2.1: Mô hình kênh AWGN 13

Hình 2.2: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 14

Hình 2.3 Mô hình kênh lựa chọn tần số 16

Hình 2.4 Xác suất lỗi đối với hệ thống BPSK truyền qua các kênh AWGN, Rayleigh và Rice fading có hệ số Rice K khác nhau 20

Hình 2.5 Xác suất gián đoạn đối với hệ thống BPSK trong kênh fading Rayleigh 21

Hình 2.7 Xác suất lỗi đối với hệ thống M-ASK trên kênh 22

AWGN và fading Rayleigh 22

Hình 2.8 Xác suất lỗi kí hiệu đối với hệ thống truyền tin M-QAM 24

Hình 2.9 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading với ngưỡng 3 10  t P 25

Hình 2.10 Mặt phẳng kí hiệu điều chế M-PSK 26

Hình 2.11 Xác suất lỗi kí hiệu đối với truyền M-PSK trên kênh AWGN và kênh fading Rayleigh 28

Hình 2.12 Xác suất gián đoạn đối với truyền M-PSK trên kênh fading Rayleigh với mục tiêu xác suất lỗi 29

Hình 3.1 Mô hình MIMO 30

Hình 3.2 Dàn anten ở đầu thu 32

Hình 3.3 Xác suất gián đoạn hệ thống khi sử dụng phân tập không gian trong kênh fading Rayleigh 34

Hình 3.5 Sơ đồ không gian tín hiệu 8-PSK 41

Hình 3.6 Chùm tím hiệu của 16 QAM (M=16) 43

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng OFDM 55

Hình 4.2 Mô hình truyền dẫn OFDMA 56

Hình 4.3 Mô hình truyền dẫn SC-FDMA 56

Hình 4.4 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA điều chế thích nghi 58

iv

Hình 4.5 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống SFDMA điều chế thích nghi 59

Hình 4.6 Xác suất lỗi trong hệ thống OFDMA 60

Hình 4.7 Xác suất lỗi trong hệ thống SC-FDMA 61

Hình 4.8 PAPR trong hệ thống OFDMA 61

Hình 4.9 PAPR trong hệ thống SC-FDMA 62

Hình 4.10 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế BPSK 63

Hình 4.11 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế QPSK 63

Hình 4.12 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 16 QAM 63

Hình 4.13 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 64 QAM 64

Hình 4.14 Mô phỏng MIMO 2x2 và đánh giá phân tập 65

Hình 4.15 MIMO-OFDM với bộ điều chế BPSK 66

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông

vô tuyến đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai.Với xu hướng phát triển mạng viễn thông thế giới cũng như Việt Nam đó thì trong tương lai không xa trên sẽ xuất hiện mạng 4G đầy đủ trên nền công nghệ OFDM

Để đón đầu, tiến tới làm chủ công nghệ 4G vấn đề đầu tiên cần phải nghiên cứu là hiệu năng của hệ thống và đặc trưng nhất là tỷ lệ lỗi bit BER vì vậy học viên chọn cho mình đề tài “ Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G”

A Ý nghĩa thực tiễn và tính khoa học của đề tài

B Mục tiêu của đề tài:

Nghiên cứu phân tích lý thuyết và mô phỏng kiểm chứng BER của hệ thống 4G

C Phương pháp nghiên cứu

+ Dùng toán học để phân tích

+ Dùng mô phỏng kiểm chứng

D Nội dung luận văn:

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận văn bao gồm:

Chương 1:Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và quá trình phát triển lên mạng 4G

Giới thiệu các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt quá trình của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người

sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải

2

thiện Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm

đó Để từng bước đi sâu vào tính hiệu năng mạng 4G chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu các đặc tính của kênh vô tuyến ở chương 2

Chương 2: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến

Trong chương 2 sẽ trình bày các kiến thức cơ sở về lý thuyết liên quan giới thiệu một số mô hình cơ bản của kênh thông tin vô tuyến: Mô hình kênh nhiễu cộng, kênh fading Trên cơ sở các mô hình đó sẽ tính toán hiệu năng của

hệ thống mà chỉ yếu tập trung tính xác suất lỗi bit trong từng trường hợp của mô hình đã có

Chương 3: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G

Trong chương 3 sẽ trình bày các mô hình và công thức tính hiệu năng đã được đưa ra cho hệ thống thông tin di động 4G dựa trên nên công nghệ vô tuyến MIMO, OFDM và MIMO-OFDM, đạt được hiệu quả truyền thông tốc độ cao và cải thiện hiệu năng truyền dẫn trong kênh AWGN và Fading Rayleigh

Chương 4: Xây dựng chương trình mô phỏng công nghệ trong mạng 4G và đánh giá hiệu năng (BER)

Trong chương 4, Xây dựng mô hình mô phỏng mạng 4G bao gồm Mô hình OFDM, Mô hình MIMO, Mô hình MIMO OFDM, Mô hình vật lý 4G LTE.Tính

xác suất lỗi Bit (BER) của các mô hình và đánh giá

Kết luận và hướng phát triển

Hơn ba chục năm qua các loại mạng di động khác nhau đã ra đời góp phần vào sự phát triển chung của kinh tế xã hội toàn cầu 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

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

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên ra đời vào năm 1980, 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 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

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

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 và không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dung lượng và tốc

độ

Bao gồm các hạn chế sau:

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

- Nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia

- Không đảm bảo tính bảo mật và không tương thích giữa các hệ thống khác nhau

- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

4

Để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng hệ thống thông tin số với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp trên hệ thống thông tin di động thế hệ 2

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 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

Các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh

kế cận giảm đáng kể

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 Với số lượng kênh ghép tăng nên ảnh hưởng thời gian trễ do truyền dẫn đa đường, cần sự đồng bộ phải tối ưu

Đối với hệ thống dùng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã

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

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

Tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp Vì thế cần thiết phải chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền số liệu, nâng cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ để đáp ứng nhu cầu của thị trường trong các lĩnh vực như: Dịch vụ dữ liệu máy tính, dịch vụ viễn thông, dịch vụ nội dung số như âm thanh hình ảnh

Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và đã áp dụng trong thực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động: Thông tin di động 3G

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

Trong những năm gần đây trên thị trường thế giới cũng như Việt Nam đã xuất hiện các hệ thống thông tin di động 3G dựa trên công nghệ số phục vụ truyền dẫn dịch vụ hỗn hợp thoại, số liệu, lưu lượng đa phương tiện trên cơ sở mạng hỗn hợp kênh và gói [4,5]

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, 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 hai 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

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

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

Hệ thống 3G đầu tiên được nhật bản khai thác triển khai vào tháng 2011; ở Việt Nam được triển khai vào năm 2004 với sự bùng nổ của internet, yêu cầu dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng cao cả về tốc độ lẫn chất lượng, nhu cầu tính toán khắp mọi nơi mọi lúc các hệ thống thông tin di động thế hệ ba chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó, vì vậy một loại công nghệ khác sẽ ra đời

10-trong một tương lai không xa đó là mạng di động 4G

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

Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải

dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép 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

7

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

1.4.1 Quá trình phát triển 4G

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian

là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA Đây

là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của

hệ thống 3G W-CDMA.HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại

có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009 Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE ) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên

Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là

128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz UMB (Ultra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel-Lucent,

8

Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ

lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz

Hình 1.1 Quá trình phát triển của các mạng thông tin di động 3G-4G

Trên hình vẽ ta thấy, mạng di động IMT-2000 International Mobile Telecommunications, tương ứng với hệ thống 3G, mục đích cung cấp một khoảng dịch vụ rộng đa phương tiện từ thoại đến số liệu lên đến ít nhất 144 Kbps trên xe cộ, 384 Kbps đi từ ngoài vào nhà và 2 Mbps trong nhà và các môi trường picocell Nó cung cấp liên tục dịch vụ băng tần 2GHz với công nghệ ghép kênh phân theo mã – CDM và đa truy cập phân theo mã CDMA với trợ giúp cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói Gần đây xuất hiện các hệ thống theo tiêu chuẩn 3GPP [8] và người ta coi đó là hệ thống 3.5G Một số mạng

9

LAN vô tuyến, LAN tốc độ cao dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11a [10], LAN vô tuyến hiệu năng cao HIPERLAN/2 [11] và thông tin truy nhập di động đa phương tiện (Multimedia) MMAC[12,13] đều dựa vào kỹ thuật OFDM, cung cấp truyền dẫn số liệu lên đến 54 Mbps trong băng tần 5 GHz chúng chủ yếu cung cấp thông tin giữa các máy tính môi trường trong nhà, truyền audio, video thời gian thực Xu hướng phát triển của hệ thống trên 3G, tiến tới 3G được biểu thị trên hình 1.2, 1.3, 1.4

Hình 1.2 Các khả năng của các mạng sau 3G

Hình 1.3 Các mạng tương lai

Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm

Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh

Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu

Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian

Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi

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

Ƣu điểm nổi bật của 4G

Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G

Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ

Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA

Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với WCDMA

Các ứng dụng đã tạo nên ƣu điểm của 4G LTE so với 3G

Hiệu suất phổ cao sử dụng OFDM ở downlink có khả năng chống nhiễu

đa đường , SC-FDMA ở uplink có PAPR thấp và người dùng trực giao trong miền tần số

Sử dụng MIMO Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ làm tăng tốc độ dữ liệu, tần số tái sử dụng linh hoạt, giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1

Dung lượng của hệ thống được nâng cao

Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell Nhưng đối với LTE thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu

12

Trong hệ thống di động 4G kỹ thuật chủ yếu sẽ là OFDM với những ưu điểm nổi trội Các hệ thống OFDM biến ảnh hưởng của fading được chọn trong kênh thành fading phẳng làm giảm đáng kể ảnh hưởng của fading

thông số này càng dược cải thiện Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các

cơ sở để hình thành ưu điểm đó Để từng bước đi sâu vào tính hiệu năng mạng 4G chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu các đặc tính hiệu năng của kênh thông tin

vô tuyến

13

Chương 2:

HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Chương 2, Giới thiệu một số mô hình cơ bản của kênh thông tin vô tuyến:

Mô hình kênh nhiễu cộng, kênh fading Trên cơ sở các mô hình đó sẽ tính toán hiệu năng của hệ thống mà chỉ yếu tập trung tính xác suất lỗi bit trong từng trường hợp của mô hình đã có

2.1 Mô hình kênh nhiễu Gauss

Mọi kênh truyền số liệu trong quá trình truyền dẫn đều bị tác động bởi nhiễu nhiệt, nhiễu do các thiết bị điện và các nguồn nhiễu khác gây ra Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên các đặc tính thống kê Gauss theo Định lý giới hạn trung tâm (central limit theorem) Do xếp chồng từ nhiều quá trình độc lập thống kê khác nhau tại anten thu, n(t) được

mô hình bằng phân bố Gauss trắng có các nhiễu không tương quan trong miền thời gian, mật độ phổ phân bố đềuN o / 2 Các nhiễu phân bố Gauss là độc lập thống kê

Trong mô hình đề cập ở đây được coi là không biến đổi theo thời gian và không chọn lọc theo tần số, vậy đáp ứng xung kênh ( , )h t   ( ) và đặc trưng bằng bộ lọc thông thấp ở Hình 1.1

Hình 2.1: Mô hình kênh AWGN

Mô hình phù hợp với điều kiện Nyquist, phổ của chúng đối xứng qua tần

số Nyquist f N 1 / (2 )T s do đó nhiễu băng gốc tương đương lấy mẫu tại t kT s Vẫn duy trì tính Gauss trắng có phần thực '

[ ]

n k và phần ảo n k mỗi cái có "[ ]mật độ phổ công suấtN o / 2 Do đó '

n và n"là độc lập với nhau cho nên hàm mật

độ xác suất đồng thời thỏa mãn :

2 2

E T

 thì SNR đầu ra của kênh sẽ là :

2.2 Mô hình kênh Fading:

Trong các hệ thống thông tin di động, quá trình truyền sóng vô tuyến bị tác động bởi tán xạ, phản xạ và nhiễu xạ

a) Hiện tượng phản xạ b) Hiện tượng tán xạ c) Hiện tượng nhiễu xạ

Hình 2.2: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới máy thu Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:

- Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các thành phần này khác nhau

- Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên

độ và pha của các bản sao

- Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha

- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha

và máy thu Từ (2.6) ta xác định được phổ công suất của Doppler:

c

d

1tB

 (2.8)

Còn gọi là thời gian kết hợp với tcTs, kênh gọi là kênh fading chậm, với tcTs kênh gọi là kênh fading nhanh hoặc kênh lựa chọn theo thời gian

Trường hợp kênh fading lựa chọn theo thời gian này thì người ta thường

sử dụng phân tập theo thời gian hoặc mã hóa kênh để nâng cao hiệu năng truyền dẫn

Từ (2.6) suy ra mặt chiếu thời gian trễ công suất:

16

Với kênh có BB c, trong đó B là băng tần của tín hiệu thì kênh gọi là lựa chọn theo tần số, nghĩa là kênh có những dáng điệu khác nhau theo từng phần của phổ tín hiệu Trong trường hợp này max T s thì các kí hiệu liên tiếp nhau sẽ phủ nhau và ta gọi là can nhiễu giữa các kí hiệu (Intersymbol

interference) và kênh lúc này gọi là kênh méo tuyến tính

Với kênh có BB c, kênh được gọi là kênh không lựa chọn theo tần số, điều đó có nghĩa là mật độ phổ không đổi trong băng tần đang xét người ta gọi

đó là kênh fading phẳng

2.2.2 Mô hình các kênh vô tuyến di động

Người ta thường mô hình các kênh lựa chọn theo tần số bằng các bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn FIR (impulse response filter) thời gian rời rạc [Hoher &



d

f f cos c

 là góc pha ban đầu của thành phần thứ i

Trong trường hợp giữa máy phát và máy thu ngoài các tia phản xạ còn có tia truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu, lúc đó ta gọi kênh có phân bố Rice

17

thành phần trực tiếp đó gọi là thành phần LoS có công suất LoS2 KH2 , K được gọi là hệ số Rice

2 2

 LoS H

K 



Hệ số kênh trong trương hợp này là [Proakis 2011]

h H2.K  (2.13)

2.3 Hiệu năng khi truyền tín hiệu số trên kênh AWGN:

Với kênh AWGN, tín hiệu thu y x n , hàm mật độ xác suất p( y | x )

Tập bù được xác định D, giả sử đã phát X, lỗi xuất hiện khi yD

hoặc yD Tập bù có thể được biểu thị:

hơn đến X như vậy bây giờ xác suất lỗi có thể xấp xỉ bằng [proakis 2001]

Biểu thức (2.17) biến thành đẳng thức khi và chỉ khi các tậpD , là rời

nhau Thay yX n vào (1.19) ta có:

| X X |

 (2.21)

Tiếp theo ta chuẩn hóa khoảng cách Euclide bình phương | XX | 2

bằng công suất trung bình của ký hiệu 2

2.4 Xác suất lỗi đối với kênh fading phẳng:

Đối với kênh fading phẳng kí hiệu phát X khi truyền đế máy thu được nhân với một hệ số kênh phức hvàyhxn Giả sử máy thu biết thông tin trạng thái kênh một cách hoàn hảo (CSI- Channel state information) vậyhđã biết, ta có:

Pr yD,v | h Pr{| yhX| | y hXv| }

2 2 0

1erf

H [Simon và Alouini 2000] với kênh fading

0

21

0 2

0

21

20

Hình 2.4 Xác suất lỗi đối với hệ thống BPSK truyền qua các kênh AWGN,

Rayleigh và Rice fading có hệ số Rice K khác nhau

Nhận xét: Trong hình 2.4 ta thấy

- K bé kênh fading Rice có đặc điểm gần giống kênh fading Rayleigh không có thành phần LoS

- K   thì kênh fading Rice tiến đến kênh AWGN

2.5 Xác suất gián đoạn hệ thống

Xác suất gián đoạn hệ thống P out là xác suất để tỷ lệ lỗi lớn hơn một ngưỡng nào đó Đối với kênh fading Rayleigh không lựa chọn tần số, P out mô tả xác suất

để tỉ số tín hiệu trên nhiễu tức thời 2

2

0

0 0

21

Hình 2.5 Xác suất gián đoạn đối với hệ thống BPSK trong kênh fading Rayleigh

Trong hình 2.5 Xác suất gián đoạn đối với hệ thống được tính theo công thức là P t xác định bằng SNR , ttheo công thức (2.31) Quan sát hình 2.5 chúng ta có thể thấy chất lượng hệ thống càng cao khiP t thấp, vàP out thấp

2.6 Điều chế M-ASK:

2.6.1Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh AWGN

Đặc trưng hiệu năng của kênh ta sử dụng xác suất lỗi Xác suất lỗi kí hiệu tại

máy thu là lỗi xuất hiện nếu phần thực của nhiễu n k vượt một nửa khoảng '[ ]cách 2e giữa các kí hiệu kề cận

Hình 2.6 Các kí hiệu trong điều chế 4-ASK

Với định nghĩa trên người ta đã đưa ra xác suất lỗi của hệ thống ASK truyền trên kênh nhiễu Gauss [Proakis 2001]

2.6.2 Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh fading

Khi truyền tín hiệu ASK qua kênh fading phẳng, xác suất lỗi được xác định

0 2

Hình 2.7 Xác suất lỗi đối với hệ thống M-ASK trên kênh

AWGN và fading Rayleigh

Nhận xét :

- Đối với kênh AWGN đồ thị có dạng giảm hàm mũ

- Đối với kênh fading Rayleigh đồ thị có dạng giảm gần tuyến tính đối với

23

2.7 Hiệu năng của hệ thống điều chế M-QAM

2.7.1 Hiệu năng hệ thống M-QAM truyền trên kênh AWGN

Xác suất lỗi của hệ thống M-QAM có thể được đưa ra thông qua hệ thống M-ASK đã nói ở trên, khi coi các phần thực và phần ảo của điều chế ASK là độc lập Việc quyết định thu đúng nếu và chỉ nếu cả hai thành phần đó được quyết định đúng Vì năng lượng của tín hiệuE sphân bố đều giữa các phần thực và phần ảo:

Từ (2.32 a) với E | s MASKE | s M QAM /2

Ta có tổng xác suất lỗi của M-QAM :

24

Hình 2.8 Xác suất lỗi kí hiệu đối với hệ thống truyền tin M-QAM

Nhận xét: Do các tín hiệu M-QAM có phần thực và phần ảo độc lập nhau

có xác suất lỗi của mỗi thành phần giống M ASKmỗi phần có năng lượng chỉ bằng 1/ 2 năng lượng trung bình của kí hiệu E s

Trong trường hợp M-QAM truyền trên kênh fading thì nghiệm chính xác

và nghiệm xấp xỉ khác nhau ít

Khi tăng M đạt được hiệu suất sử dụng phổ cao thì phải hi sinh xác suất lỗi

2.7.2 Hiệu năng của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading Rayleigh:

Tương tự như cách tính xác suất lỗi kí hiệu egodic cho kênh fading Rayleigh, xác suất lỗi của hệ thống M-QAM truyền trên kênh được xác định

Tính kì vọng đối với thành phần bình phương

25

2 0

2.7.3 Xác suất gián đoạn hệ thống:

Để có được xác suất gián đoạn của hệ thống, người ta đã tiến hành tính

toán số bằng cách sử dụng (2.38 a) để các định mối quan hệ giữa tvà P t có được ngưỡng t thay vào (2.34) sẽ cho xác suất gián đoạn hệ thống và được miêu tả trên hình (2.9)

Hình 2.9 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading

26

Nhận xét:

- M tăng làm tăng P out

- Với xác suất gián đoạn hệ thống 1% thì SNR yêu cầu đối với các hệ thống 4 QAM, 16 QAM, 64 QAM là 24.3 dB, 25.5 dB và 28.4 dB tương ứng

2.8 Hiệu năng của hệ thống M-PSK

Với hệ thống M-PSK, M kí hiệu được bố trí trên một vòng tròn bán kính

E / T và có năng lượng kí hiệu không đổi

a 2 PSK; b 4 PSK c 8 PSK

Hình 2.10 Mặt phẳng kí hiệu điều chế M-PSK

2.8.1 Hiệu năng của hệ thống M-PSK truyền qua kênh nhiễu AWGN

Đối với M=2 là trường hợp đặc biệt của ASK, vì vậy theo (2.35) ta có xác suất lỗi

S

0

1erf2

27

1 PSK

1erfc2

2.8.2 Hiệu năng của hệ thống M-PSK truyền qua kênh fading Rayleigh

Biểu thức tính xác suất lỗi của kí hiệu được truyền tín hiệu M-PSK qua kênh fading Rayleigh dưới dạng đúng (Simon và Alouini 2000)

sin ( / M )E / N



 (2.50)

28

Hình 2.11 Xác suất lỗi kí hiệu đối với truyền M-PSK trên kênh AWGN và

kênh fading Rayleigh

Nhận xét: Trong hình 2.11 xác suất lỗi tính bởi (2.46) và (2.47) có thể xấp xỉ nhau khi M>4 và khác nhau khi SNR rất nhỏ, dưới 0

2.8.3 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-PSK

Cách xác định gián đoạn hệ thống giống với trường hợp hệ thống của M-QAM được tính như sau:

Cho mục tiêu xác suất lỗi Pt Sử dụng công thức (2.46) các định ttương ứng vớiPt đã cho Đưa tvào (2.31) để xác định Pout

29

Hình 2.12 Xác suất gián đoạn đối với truyền M-PSK trên kênh fading

Rayleigh với mục tiêu xác suất lỗi 3

Tiếp theo giới thiệu mô hình kênh có fading tác động là yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến hiệu năng của kênh truyền dẫn số, có hai loại fading chính tác động vào kênh di động số đó là kênh fading Rayleigh và Rice Cả hai tác động đến tham số truyền dẫn của kênh biểu hiện dưới dạng hàm truyền đạt hoặc đáp ứng xung vì đây là các đại lượng ngẫu nhiên cho nên trong mô hình này biểu thị đặc trưng thống kê là kì vọng và phương sai của fading

Từ Mục 2.4 Giới thiệu cách tính xác suất lỗi khi truyền tín hiệu số qua kênh AWGN làm cơ sở cho việc tính xác suất lỗi cho kênh fading với các dạng điều chế khác nhau M-ASK, M-PSK, M-QAM Sau khi tính được xác suất lỗi cho từng trường hợp, luận văn giới thiệu tính xác suấtgián đoạn của hệ thống truyền tin với tư tưởng: Xác suất lỗi vượt qua một ngưỡng cho phép ta coi hệ thống không còn đảm bảo thông tin nữa Xác suất xảy ra hiện tượng đó gọi là xác suất gián đoạn hệ thống

30

Chương 3:

HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Hệ thống thông tin di động 4G dựa trên nên công nghệ vô tuyến MIMO, OFDM và MIMO-OFDM, đạt được hiệu quả truyền thông tốc độ cao và cải thiện hiệu năng truyền dẫn trong kênh AWGN và Fading

3.1 Mô hình hệ thống MIMO

Hình 3.1 biểu thị mô hình hệ thống thông tin nhiều anten phát – nhiều anten thu , ta gọi là hệ thống MIMO ( Multiple inputs-Outputs)

Hình 3.1 Mô hình MIMO

Từ hình 3.1 ta thấy hệ thống MIMO gồm N đầu vào, I N đầu ra Trước hết 0

ta xét trường hợp đơn giản hệ thống SISO, kí hiệu tín hiệu vào kênh tại thời điểm k là x k đáp ứng xung kênh tạ thời điểm k là h k , thời gian trễ truyền songá từ đầu phát đến đầu thu  Tín hiệu vào x N k từ đó rút ra véctơ tín hiệu

ra của kênh MIMO

Từ đây ta mở rộng cho hệ thống MIMO với NI tín hiệu đầu vào x k ,

1  N I tạo nên véctơ tín hiệu vào cho hệ thống MIMO, đầu thu ta có N0

tín hiệu ra , y kv  , 1 v   N0 Mỗi cặp đầu vào-đầu ra ( , )  v được kết nối bằng đáp ứng xung kênh

1 ,

31

Ở đây Lt kí hiệu số đốt trễ lớn nhất trong số các kênh tạo nên hệ MIMO

Số tín hiệu tạo ra của kênh là N0, vậy ta kí hiệu các véc tơ tín hiệu vào đó dưới dạng véc tơ y k   , mỗi thành phần của nó là y kv[ ]

t

T T T

2 1) Phân bố Laplacia

n có độ lệch 0

352) Phân bố

360

Thành phần Rice (K=6) đối với tia đều ,

360 để duy trì công suất