Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống mimo OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4g 5g

Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống Mimo OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G5G Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống Mimo OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G5G Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống Mimo OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G5G Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống Mimo OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G5G Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống Mimo OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G5G

Luận văn tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN KHUYẾN

Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho

hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng cho các

mạng thông tin thế hệ 4G-5G

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG

HÀ NỘI – 2018

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu thông tin của con người là cực kỳ lớn và diễn ra mọi lúc mọi nơi Các thiết bị di động không dây tốc độ cao, băng rộng ngày càng phổ biến với số lượng thuê bao rất lớn và ngày càng tăng Do đó, yêu cầu đặt ra cho hệ thống viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi hệ thống phải cung cấp các dịch vụ có chất lượng tốt và tốc độ cao Điển hình là công nghệ mạng 4G và sắp tới là công nghệ mạng thế

hệ thứ 5 sẽ được ứng dụng rộng rãi thì yêu cầu càng cao về hệ thống cung cấp dịch

vụ mạng trong thực tế Để đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tính di động cao của các dịch vụ cung cấp cho người dùng, kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều ăng-ten phát và thu (MIMO) đã được chọn làm giải pháp truyền dẫn chính của mạng băng rộng hiện nay Tuy nhiên, với số lượng thuê bao lớn thì hiệu quả của hệ thống MIMO-OFDM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thông tin trạng thái kênh truyền và bị suy giảm rất nhiều do ảnh hưởng của nhiễu giao thoa liên thuê bao

Để đạt được những chỉ tiêu về chất lượng, tốc độ đề ra, hệ thống OFDM không ngừng bổ sung các kỹ thuật hỗ trợ Một trong số các phương pháp đưa

MIMO-ra là kỹ thuật tiền mã hóa Với kỹ thuật này, hệ thống sẽ tiết kiệm được băng tần, thời gian, tăng hiệu suất tần số và loại bỏ được thành phần nhiễu giao thoa liên thuê bao

Từ những ưu điểm của kỹ thuật tiền mã hóa, cùng với mong muốn tìm hiểu kỹ

hơn về kỹ thuật này, em chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp là: “Nghiên

cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng cho các thông tin thế hệ 4G-5G”

Luận văn được chia làm bốn chương chính sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng 4G-5G

Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM

Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống OFDM

MIMO-Luận văn sẽ đi sâu phân tích vấn đề liên quan đến kỹ thuật tiền mã hóa trong MIMO-OFDM và mô phỏng bằng phần mềm matlab để thấy rõ hơn ảnh hưởng của tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM Tuy không phải là đề tài quá mới, nhưng tại Việt Nam lĩnh vực này vẫn còn nhiều cơ hội và thách thức

Dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS Nguyễn Quốc Khương, Thầy đã tận tình dạy bảo, để em thực hiện và hoàn thành luận văn này Em rất biết ơn công lao chỉ dạy của Thầy Qua thầy em đã biết cách tìm hiểu cơ sở lý thuyết, phân tích và tiếp cận vấn đề, đưa ra và triển khai thực hiện ý tưởng Em cũng rất biết ơn những công lao chỉ dạy của tất cả các thầy, các cô trong quá trình tham gia học tập tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các thầy cô vừa trực tiếp và vừa gián tiếp tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018

Học viên

Nguyễn Văn Khuyến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và tham khảo có dẫn chứng cụ thể Chương trình được mô phỏng trên phần mềm Matlab 2017b

Học viên Nguyễn Văn Khuyến

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

LỜI CAM ĐOAN 4

MỤC LỤC 5

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC CÁC BẢNG 11

DANH MỤC HÌNH VẼ 12

MỞ ĐẦU 14

Lý do chọn đề tài 14

Lịch sử nghiên cứu 14

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 15

Mục tiêu của đề tài 15

Phương pháp nghiên cứu 15

Nội dung của luận văn 15

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G-5G 17

1.1 Giới thiệu chương 17

1.2 Công nghệ mạng 4G 17

1.2.1 Thế hệ mạng di động tiền 4G 17

1.2.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 18

1.2.3 Công nghệ LTE 18

1.2.4 Một số công nghệ quan trọng của mạng 4G-LTE 20

1.2.5 Kiến trúc hệ thống 4G-LTE hướng xuống 21

1.2.6 Các tham số hệ thống 4G-LTE 23

1.2.7 Các tham số kênh truyền 23

1.2.8 Kết luận về 4G-LTE 24

1.3 Công nghệ mạng 5G 24

1.3.1 Mạng 5G là gì 24

1.3.2 Mạng 5G hoạt động như thế nào 25

1.3.3 Tiêu chuẩn mạng 5G 26

1.3.4 Những ứng dụng được kỳ vọng trong công nghệ 5G 28

1.4 Kết luận chương 31

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 32

2.1 Giới thiệu chương 32

2.2 Kỹ thuật OFDM 32

2.1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM 32

2.2.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 33

2.2.3 Sơ đồ khối OFDM 36

2.2.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM 41

2.2.5 Các đặc tính của OFDM 43

2.2.6 Các đặc tính kênh truyền 44

2.2.7 Kết luận về kỹ thuật OFDM 50

2.3 Hệ thống MIMO 50

2.3.1 Giới thiệu hệ thống MIMO 50

2.3.2 Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO 51

2.3.3 Các kỹ thuật phân tập 52

2.4 Hệ thống MIMO-OFDM 54

2.4.1 Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM 54

2.4.2 Mô tả tổng quan hệ thống MIMO-OFDM 56

2.4.3 Cấu trúc khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM 57

2.4 Kết luận chương 58

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 59

3.1 Giới thiệu chương 59

3.2 Giới thiệu kỹ thuật tiền mã hóa 59

3.2.1 Mục đích của tiền mã hóa 59

3.2.2 Phân loại tiền mã hóa 60

3.3 Kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM 61

3.3.1 Hệ thống tiền mã hóa MIMO-OFDM 61

3.3.2 Nguyên tắc tiền mã hóa của hệ thống MIMO-OFDM 62

3.3.3 Khảo sát SNR trong hệ thống MIMO-OFDM không có tiền mã hóa và có mã hóa 63

3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa ZF (Zero-forcing) 64

3.4.1 Giới thiệu 64

3.4.2 Thuật toán tiền mã hóa ZF 66

3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa DPC (Dirty Paper Coding) 67

3.5.1 Giới thiệu 67

3.5.2 Thuật toán tiền mã hóa DPC 68

3.6 Lựa chọn người dùng 70

3.7 Kết luận chương 70

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 72

4.1 Giới thiệu chương 72

4.2 Cách xây dựng chương trình 72

4.3 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa 72

4.4 Kết quả mô phỏng 74

4.4.1 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, DPC 74

4.4.2 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, DPC theo mức điều chế 75

4.4.3 Khảo sát BER của các phương pháp khi thay đổi số thuê bao 76

4.5 Kết luận chương 78

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 82

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

CFO Carrier frequency offsets Độ lệch tần số sóng mang

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DAC Digital-to-Analog Chuyển đổi số sang tương tự DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh ICI Inter- Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

IDFT Inverse Discrete Fourier

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier đảo

ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

IUI Inter- User Interference Nhiễu giao thoa liên thuê bao MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra

M-QAM M Quadrature Amplitude

QAM Quadrature Amplitude

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Các tham số hệ thống LTE 23Bảng 1-2: Các tần số Doppler xác định cho mô hình kênh LTE 24Bảng 1-3: Các đặc tính công suất trễ của mô hình kênh LTE 24

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Quá trình phát triển lên LTE 19

Hình 1-2: Sơ đồ khối phía phát LTE downlink 22

Hình 1-3: Cách thức hoạt động của mạng 5G trong thử nghiệm tại Nhật Bản 25

Hình 2-1: So sánh tính hiệu quả sử dụng phổ của OFDM và FDM 34

Hình 2-2: Phổ sóng mang con OFDM 36

Hình 2-3: Sơ đồ khối máy phát OFDM 37

Hình 2-4: Sơ đồ khối máy thu OFDM 37

Hình 2-5: Kỹ thuật xen kẽ 38

Hình 2-6: 4-QAM 39

Hình 2-7: 16-QAM 39

Hình 2-8: Cấu trúc của ký tự OFDM 41

Hình 2-9: Biến đổi IFFT và chèn CP 41

Hình 2-10: Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi 42

Hình 2-11: Hiệu ứng đa đường trong thông tin di động 45

Hình 2-12: Hiệu ứng Doppler 47

Hình 2-13: Lỗi dịch tần số gây ra nhiễu ICI trong OFDM 49

Hình 2-14: Sơ đồ thống MIMO 51

Hình 2-15: Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM 55

Hình 2-16: Các khối cơ bản của sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM 56

Hình 2-17: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM 57

Hình 3-1: Hệ thống tiền mã hóa MIMO-OFDM 61

Hình 3-3: Sơ đồ hệ thống ZF 65

Hình 4-1: Sơ đồ khối chương trình chính cho kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM 73

Hình 4-2: Sơ đồ khối từng bước trong OFDM 73

Hình 4-3: BER của các phương pháp ZF, DPC 74

Hình 4-4: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi mức điều chế 75

Hình 4-5: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi mức điều chế 76

Hình 4-6: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi số thuê bao 77Hình 4-7: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi số thuê bao 77

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Ngày nay, việc nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông là một trong những vấn

đề được quan tâm hàng đầu trong truyền thông vô tuyến Trong các mạng thông tin

di động thế hệ mới như 4G LTE, 5G thì yêu cầu sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát trở nên quan trọng Việc sử dụng nhiều ăng-ten thu phát là một giải phát cần thiết nhưng chưa hoàn toàn tối ưu trong việc khai thác sử dụng băng tần Kỹ thuật tiền mã hóa tín hiệu để tối ưu hóa sử dụng băng thông giống như định hướng chùm tia tín hiệu phát đến tín hiệu thu mà không cần tăng công suất phát tín hiệu là một trong những giải pháp đã được áp dụng đối với các hệ thống MIMO Luận văn nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G-5G” nhằm mục tiêu này

Lịch sử nghiên cứu

Nếu như mạng di động thế hệ đầu tiên (1G) chỉ đơn thuần cung cấp dịch vụ thoại; mạng 2G cung cấp dịch vụ thoại và nhắn tin; mạng 3G cung cấp dịch vụ thoại + nhắn tin + dữ liệu; mạng 4G cung cấp các dịch vụ 3G với tốc độ cao hơn, thì sự ra đời của thế hệ mạng 5G sẽ cho phép triển khai các dịch vụ tiên tiến cho người dân,

từ khả năng truy cập với chất lượng tốt hơn tới dịch vụ y tế, hệ thống giao thông thông minh (bao gồm cả xe ô tô tự lái) và điều khiển máy móc từ xa Vậy, 4G và hơn nữa

là 5G với yêu cầu cao về tốc độ, khối lượng xử lý công việc, nên cần có các công nghệ và giải pháp để có được đường truyền cũng như tốc độ tốt nhất Việc sử dụng nhiều ăng-ten thu phát là một giải phát cần thiết nhưng chưa hoàn toàn tối ưu trong việc khai thác sử dụng băng tần Kỹ thuật tiền mã hóa tín hiệu ra đời để tối ưu hóa sử dụng băng thông giống như định hướng chùm tia tín hiệu phát đến tín hiệu thu (Beaforming) mà không cần tăng công suất phát tín hiệu là một trong những giải pháp

đã được áp dụng đối với các hệ thống MIMO-OFDM

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu là trên cơ sở tìm hiểu về hai phương pháp tiền mã hóa, đề tài tiến hành phân tích, mô phỏng và đánh giá hiệu năng của các phương pháp thông qua tỷ

lệ lỗi bít tín hiệu BER, đồng thời đưa ra các so sánh về các ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp

Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu về mạng thế hệ 4G-5G; Hệ thống MIMO-OFDM; Các phương pháp tiền mã hóa tuyến tính ZF (Zero Forcing) và phi tuyến DPC (Dirty Paper Coding)

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM với 2 phương pháp tiền mã hóa ZF và DPC

Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu tổng quan về mạng 4G-5G

- Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

- Tìm hiểu và phân tích kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

- Đưa ra mô phỏng và đánh giá việc ứng dụng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM để nâng cao chất lượng hệ thống mạng thông tin,

Phương pháp nghiên cứu

Như trình bày trong luận văn, thì phương pháp nghiên cứu của tác giả là tiến hành việc nghiên cứu lý thuyết về hai công nghệ mạng 4G-5G Nghiên cứu tìm hiểu hai kỹ thuật tiền mã hóa ZF và DPC cho hệ thống MIMO-OFDM Nghiên cứu phân tích đưa ra các đặc trưng về từng kỹ thuật để phù hợp với yêu cầu Luận văn đề ra

Nội dung của luận văn

Phần nội dung chính của luận văn gồm 4 chương, cụ thể như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng 4G và 5G

Giới thiệu tổng quan về 4G cũng như 5G, một số tiêu chuẩn kỹ thuật và các

ứng dụng của nó

Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM

Trình bày về sự kết hợp của OFDM với hệ thống nhiều ăng-ten thu phát

Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

Tập trung nghiên cứu một số kỹ thuật tiền mã hóa có thể sử dụng trong hệ thống MIMO-OFDM Gồm các kỹ thuật tiền mã hóa tuyền tính ZF (Zero Forcing), MMSE và kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến như DPC (Dirty paper Coding)

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá

Đưa ra kết quả mô phỏng bằng matlab cho chương 3 và đánh giá các kỹ thuật tiền mã hóa được sử dụng trong hệ thống MIMO-OFDM

Kết luận

Cô đọng nhất kết luận cho kiến thức đã tìm được về luận văn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G-5G

1.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày tổng quan về các mạng thông tin di động 4G-LTE và 5G, cũng như tìm hiểu chi tiết các tham số hệ thống 4G-LTE, từ đó lựa chọn các tham

số phù hợp để mô phỏng hệ thống

1.2 Công nghệ mạng 4G

1.2.1 Thế hệ mạng di động tiền 4G

Hai công nghệ xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 (802.11m) và LTE (Long

Term Evolution) vì chưa đáp ứng được chuẩn 4G là cho phép truyền tải ở tốc độ 100MB/s khi di chuyển và tới 1 GB/s khi đứng yên

Về bản chất, Wimax2 là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà cung cấp dịch vụ GSM Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động trên các băng tần khác nhau

Long term Evolution (LTE): công nghệ di động đã được phát triển và chuẩn hóa

bởi 3GPP, nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện đầy đủ yêu cầu Advance LTE có tốc độ bit lý thuyết 100 MB/s cho download và 50 MB/s cho upload

IMT-Wimax-2: được phát triển bởi IEEE (IEEE 802.16m) Wimax được cung cấp khả

năng kết nối internet không dây nhanh hơn với wifi, tốc độ up và down cao hơn sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và không

bị ảnh hưởng bởi địa hình Wimax có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại có tốc độ bit

net lý thuyết là 128 MB/s cho download và 64 MB/s cho upload

Công nghệ không dây thế hệ thứ 4: Được biết sẽ là chuẩn tương lai của thiết bị

không dây, các dịch vụ di động 4G với khả năng cung cấp băng thông rộng, dung

lượng lớn, truyền dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ họa 3D linh hoạt, các dịch vụ âm thanh số

Với sự xuất hiện của mạng 4G nó sẽ giải quyết được:

- Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, internet không dây

- Băng thông rộng hơn

- Tính di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ

- Hạ giá thành

- Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động

1.2.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi

có hình ảnh 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL: 1885-

2025 MHz; DL: 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Tốc độ DL: 100Mbps( ở BW 20MHz), UL: 50 Mbps với 2 aten thu một ăng-ten 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

1.2.3 Công nghệ LTE

LTE (Long Term Evolution), là một hệ thống công nghệ được phát triển từ 3GPP, thuộc họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới, hướng đến thế hệ thứ 4 (4G)

LTE sử dụng tần số một cách linh động, có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz cho tới 20 MHz Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (về lý thuyết) của LTE có thể đạt tới 250 Mb/s khi độ rộng băng tần là 20 MHz

• Quá trình phát triển LTE

- Chuẩn LTE đầu tiên là phiên bản Release 8 của 3GPP vào tháng 12 năm

2008 dựa vào nền tảng của công nghệ viễn thông GSM (Global System for

Mobile Communications)

- Chuẩn LTE: thế hệ thứ 4 của UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô

tuyến gói dữ liệu tối ưu

- Chuẩn LTE-Advanced (3/2011): là một bước chuyển lớn của LTE, LTE Advanced tương thích với các thiết bị của LTE phiên bản cũ, và dùng chung

băng tần với các LTE phiên bản cũ

Hình 1-1: Quá trình phát triển lên LTE [3]

• Yêu cầu của LTE

- Tốc độ tối đa (peak data rate)

- 100 Mbps tải xuống, 50 Mbps tải lên trên băng thông kênh truyền 20 MHz

- Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell (5 MHz)

- Tính lưu động

- Tối ưu hóa từ 0 ~ 15 km/h

- Hiệu suất cao trong khoảng 15 ~ 120 km/h

- Hỗ trợ lên đến 350 km/h hoặc thậm chí lên đến 500 km/h

- Tăng cường dịch vụ phát sóng đa phương tiện (E-MBMS)

- Độ trải phổ linh hoạt: 1,25 ~ 20 MHz

- Tăng cường hỗ trợ chất lượng dịch vụ đế người dùng đầu cuối

• Kỹ thuật sử dụng LTE

- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

- Frequency domain equalization

- SC-FDMA (Single Carrier FDMA)

- MIMO (Multi-Input Multi-Output)

- Multicarrier channel-dependent resource scheduling

- Fractional frequency reuse

1.2.4 Một số công nghệ quan trọng của mạng 4G-LTE

• OFDM

OFDM là công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn Do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang

OFDMA là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM, là một dạng cải tiền của OFDM Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hóa

• MIMO

MIMO là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều ăng-ten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu… MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau Tóm lại, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu để truyền và nhận dữ liệu

Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên cùng một băng thông, giảm chi phí truyền tải Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu đó

Trong việc truyền thông bằng sóng vô tuyến, những chướng ngại vật trên đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như các tòa nhà cao ốc, dây điện và những cấu trúc khác trong khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ hoặc khúc xạ Những yếu tố này làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hoặc mất hẳn Trong truyền thông kỹ thuật

số, những yếu tố trên có thể làm giảm tốc độ truyền cũng như chất lượng của dữ liệu

Trong công nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều ăng-ten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định Điều này tương

tự đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ bên ngoài, sau đó não bộ sẽ lọc, phân loại những âm thanh đó Các sản phẩm wifi sử dụng công nghệ MIMO được nhiều nhà sản xuất quan tâm vì chúng có khả năng cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, tầm phủ sóng và độ tin cậy

1.2.5 Kiến trúc hệ thống 4G-LTE hướng xuống

Ở đây ta có một chú ý rằng, 4G-LTE được coi là bước phát triển tiếp theo của

hệ thống mạng không dây 3G dựa trên nền tảng công nghệ di động GSM/UTMS được coi là công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G

Để chi tiết hơn về LTE đường xuống, ta tìm hiểu mô hình hệ thống dự trên sơ

đồ nhiều ăng-ten thu phát và OFDM Việc kết hợp MIMO-OFDM tạo nên công nghệ

lớn và then chốt cho LTE Nó phù hợp cho các hệ thống băng thông rộng, tốc độ dữ liệu cao, hơn nữa OFDM giúp khắc phục ISI trong môi trường fading đa đường hiệu quả phổ cao cho LTE downlink Dưới đây là mô hình LTE downlink với 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu

• Phía phát

Hình 1-2: Sơ đồ khối phía phát LTE downlink [3]

Từ hình vẽ ta thấy trên, ở bước đầu tiên, dữ liệu vào dạng nối tiếp được chuyển thành hai dữ liệu song song nhờ bộ chuyển đổi S/P Mọi dòng dữ liệu này được điều chế vào các tần số sóng mang con khác nhau sử dụng sơ đồ ánh xạ chòm sao như BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Trong hình 1-2 sơ đồi khối phía phát LTE downlink là trường hợp 64-QAM Phương pháp điều chế càng cao thì băng thông và tốc độ càng cao trong LTE Kết quả phù hợp với cấu trúc khung con trong LTE downlink, các mẫu chòm sao phức của mỗi dòng dữ liệu và pilot ánh xạ lên lưới OFDM Mẫu sắp xếp các mẫu pilot khác nhau cho mỗi ăng-ten được sử dụng với mục đích ước lượng kênh Trong khối STC (Space Time Coding) có khối zero padding, bởi vì tốc độ lấy mẫu lớn hơn nhiều so với băng thông truyền của hệ thống Trong khối zero padding, chiều dài phổ tín hiệu được tăng lên bởi số lượng zero Tín hiệu được chèn zero được đưa tới khối IFFT đề điều chế OFDM Trong điều chế OFDM, dòng dữ liệu đầu vào nối tiếp được chia thành các luồng song song với tốc độ thấp hơn, các luồng song song này được phát đồng thời qua các sóng mang con khác nhau Khi đó cần khoảng cách tần số tối thiểu giữa các sóng mang con để đảm bảo tính trực

giao dạng sóng của chúng trong miền thời gian Trong miền tần số các sóng mang con khác chồng lấn lên nhau Vì thế băng thông được sử dụng một cách hiệu quả Thuật toán IFFT là một thuật toán hiệu quả sử dụng để phát một mẫu OFDM và giảm

độ phức tạp của máy, cuối cùng tín hiệu OFDM điều chế trước khi truyền đi được chèn khoảng bảo vệ (GI) Nếu kênh truyền không thay đổi theo thời gian thì tín hiệu OFDM phát đi có thể được giải điều chế không có nhiễu Hay nói cách khác, nếu kênh truyền là thay đổi theo thời gian thì tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ mất Điều này gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI (Inter-Symbol Interference) cũng như

là nhiễu xuyên sóng mang ICI (Inter-Carrier Interference) Để khắc phục nhiễu và sự thay đổi của kênh theo thời gian, thì CP sẽ được sử dụng trong hệ thống OFDM

• Phía thu

Phía thu sẽ thực hiện ngược lại các hoạt động tương tự của máy phát và có thêm một số thuật toán như ước lượng kênh truyền để khôi phục lại thông tin một cách chính xác nhất Nó được mô tả chi tiết trong [3]

1.2.6 Các tham số hệ thống 4G-LTE

Bảng 1-1: Các tham số hệ thống LTE [3]

Độ dài sóng mang con (𝑻𝒔𝒖𝒃) ( 𝑚𝑠) 0.5

Khoảng cách các sóng mang con

Tần số lấy mẫu 𝒇𝒔 (MHz) 1.92 3.84 7.68 15.36 23.04 30.72

Số sóng mang con chiếm đóng 𝑵𝑩𝑾 75 150 300 600 900 1200

1.2.7 Các tham số kênh truyền

Các bảng dưới đây chỉ ra các tham số kênh truyền như: Tần số Doppler, đặc tính công suất trễ của mô hình kênh LTE

Bảng 1-2: Các tần số Doppler xác định cho mô hình kênh LTE [3]

Doppler thấp Doppler trung bình Doppler cao

Trễ trung bình ( 𝑛𝑠)

1.2.8 Kết luận về 4G-LTE

Việc kết hợp MIMO-OFDM tạo nên công nghệ lớn và then chốt cho LTE Nó phù hợp cho các hệ thống băng thông rộng, tốc độ dữ liệu cao, hơn nữa OFDM giúp khắc phục ISI trong môi trường fading đa đường hiệu quả phổ cao cho LTE downlink

1.3 Công nghệ mạng 5G

1.3.1 Mạng 5G là gì

Ta biết, 5G là thế thế hệ thứ 5 (5th Generation) của mạng di động Mỗi thế hệ

tương ứng với một tập hợp các yêu cầu riêng, quyết định chất lượng thiết bị và hệ thống mạng nào đủ chuẩn đáp ứng yêu cầu và tương thích với các hệ thống mạng khác, mô tả những công nghệ mới, mang lại khả năng giao tiếp mới

Đầu tháng 01/2012, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU - International Telecommunications Union) chứng nhận chỉ có 2 công nghệ là LTE-Advanced và WirelessMAN-Advanced (WiMAX 2) mới đạt chuẩn mạng 4G Theo tiêu chuẩn của ITU, mạng 4G phải đạt được tốc độ 100Mbit/giây khi di chuyển tốc độ cao và tốc độ 1Gbit/giây đối với những thiết bị cố định

Do chuẩn 5G xuất hiện sau 4G nên nó được mong đợi còn có tốc độ nhanh hơn nhiều chuẩn kết nối 4G hiện tại

1.3.2 Mạng 5G hoạt động như thế nào

Mạng di dộng 5G được lên kế hoạch sử dụng bước sóng milimet, quang phổ tín hiệu RF giữa các tần số cao 20GHZ và 300GHz Các bước sóng này có thể truyền tải khối lượng lớn dữ lệu 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

Hình 1-3: Cách thức hoạt động của mạng 5G trong thử nghiệm tại Nhật Bản

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

1.3.3 Tiêu chuẩn mạng 5G [12]

Cuối cùng, Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU đã quyết định các thông số của mạng 5G Theo đó, tổng công suất download cho một cell 5G đơn phải đạt được ít nhất 20 Gbps Để so sánh, tốc độ dữ liệu đỉnh cho các cell LTE hiện tại chỉ khoảng 1 Gbps

Chuẩn 5G sắp tới cũng sẽ phải hỗ trợ được cho 1 triệu thiết bị kết nối trên mỗi kilomet vuông, và tiêu chuẩn này sẽ đòi hỏi các nhà mạng phải có băng tần trống ít nhất 100 MHz, và có thể mở rộng tới 1 GHz khi cần

Các yêu cầu này đến từ dự thảo thông báo về về tiêu chuẩn kỹ thuật cho giao diện vô tuyến IMT-2020 (hay là 5G), được công bố vào thời gian qua vừa qua Tài liệu kỹ thuật này chỉ là dự thảo ở thời điểm hiện tại, nhưng nó cho thấy một ý nghĩa quan trọng, dường như nó sẽ được chấp nhận và hoàn thiện vào tháng Mười Một năm nay, để bắt đầu công việc xây dựng hạ tầng 5G

Dưới đây là một số tiêu chuẩn kỹ thuật nổi bật của hệ thống mạng mới này:

vi phủ sóng của cell đó

• Mật độ kết nối 5G

Các trạm phát sóng 5G phải hỗ trợ cho ít nhất một triệu thiết bị kết nối trong mỗi kilomet vuông Con số này nghe có vẻ lớn, nhưng phần lớn trong số này là các thiết bị Internet of Things (IoT) chứ không chỉ thiết bị của cá nhân người dùng Khi

mọi đèn giao thông, bãi đậu xe, và phương tiện đều có kết nối mạng, bạn sẽ thấy mật

độ kết nối này cần thiết như thế nào

• Tốc độ di chuyển trong 5G

Tương tự như LTE và LTE-Advanced, các trạm phát sóng 5G có thể hỗ trợ truy cập mạng cho mọi thứ di chuyển trên đường, với tốc độ từ 0 km/h cho đến

“phương tiện tốc độ cao tới 500 km/h”

Trong khi, với những khu vực mật độ dân cư dày đặc như đô thị hay trong nhà

sẽ không phải lo lắng gì về vấn đề tốc độ, nhưng với các khu vực ngoại ô, việc hỗ trợ cho người dùng di chuyển với tốc độ cao là rất cần thiết

• Hiệu quả năng lượng của 5G

Theo bản mô tả thông số kỹ thuật, giao diện vô tuyến 5G có mức tiêu thụ năng lượng hiệu quả khi đang tải, nhưng khi không sử dụng, mức năng lượng tiêu thụ cũng tụt về chế độ năng lượng thấp một cách nhanh chóng

Để làm được việc này, bộ kiểm soát độ trễ sẽ được thiết lập ở mức độ lý tưởng chỉ 10ms – nghĩa là một thiết bị 5G sẽ chuyển từ trạng thái tốc độ cao sang trạng thái tiết kiệm năng lượng chỉ trong 10ms

• Độ trễ của 5G

Trong những trường hợp lý tưởng, mạng lưới 5G sẽ mang đến cho người dùng

độ trễ tối đa chỉ 4ms, thấp hơn hẳn so với mức 20ms trong các cell LTE Thông số 5G cũng cho phép độ trễ thấp hơn nữa, chỉ 1ms cho việc truyền tin độ trễ thấp siêu

ổn định

• Hiệu suất băng tần 5G

Thông số này cho biết, có bao nhiêu bit được truyền qua không khí trên mỗi hertz băng tần Tiêu chuẩn của 5G rất gần LTE-Advanced, với 30 bit/Hz cho đường

tải xuống và 15 bit/Hz cho đường tải lên Các con số này đang giả định trong cấu hình MIMO 8x4 (8 ăng tên phát tín hiệu và 4 ăng ten nhận tín hiệu)

• Tốc độ dữ liệu 5G trong thế giới thực

Cuối cùng, cho dù công suất đỉnh của mỗi cell 5G đến 20 Gbps, bản đặc điểm

kỹ thuật chỉ thiết lập tốc độ download của mỗi người dùng là 100 Mbps và tốc độ upload 50 Mbps Con số này gần tương tự với tốc độ bạn có thể đạt được với mạng LTE-Advanced, tuy nhiên với mạng 5G, có vẻ bạn sẽ luôn đạt được tốc độ này, thay

vì chỉ vào một ngày đẹp trời như trước

Dự thảo thông số kỹ thuật 5G cũng thiết lập việc tăng tính ổn định (ví dụ các gói tin hầu như luôn tới được trạm phát sóng trong 1ms) và thời gian bị gián đoạn khi

di chuyển giữa các cell 5G sẽ chỉ là 0ms – tức là kết nối luôn là tức thời, không bị ngắt quãng

Bước tiếp theo của dự thảo này, đó là làm thế nào để biến các thông số kỹ thuật trên thành công nghệ thực Làm thế nào đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh 20 Gbps? Những block băng tần nào sẽ thực sự sử dụng 5G? Rất khó đạt được 100 MHz băng tần trống

ở mức dưới 2,5 GHz, nhưng điều này lại dễ dàng đạt được ở trên 6 GHz? Liệu mật

độ kết nối có ảnh hưởng đến các thông số khác hay không?

Chúng ta sẽ chỉ có câu trả lời cho những điều trên trong vài năm tới, khi các nhà viễn thông và các nhà sản xuất chip bắt đầu phát triển công nghệ 5G

Hiện tại, đã có một câu trả lời chính thức về thời gian triển khai mạng 5G, tại thế vận hội Olympic mùa đông 2018 tại Hàn Quốc và sau đó triển khai đồng bộ tại trên một số nước vào năm 2020 Và phần tiếp theo sẽ chỉ rõ những ứng dụng được

kỳ vọng trong cộng nghệ 5G

1.3.4 Những ứng dụng được kỳ vọng trong công nghệ 5G [12]

Với những bước tiến dài về mặt công nghệ mới, đặc biệt là sự ra đời của hàng loạt các công nghệ mới thông minh, xu hướng công nghiệp 4.0 và kết nối vạn vật

(Internet of Things - IoT), thời của thế hệ mạng 5G đang mở ra bởi các hãng công nghệ lớn trên thế giới

Một số hãng công nghệ thông tin dự kiến, đến năm 2019 sẽ có thử nghiệm và triển khai thử các công nghệ 5G trên thực tế Giữa năm 2019 sẽ có các nhà mạng đầu tiên cung cấp dịch vụ 5G

Theo các chuyên gia hãng Qualcomm, 5G sẽ phục vụ các kết nối

“luôn luôn sẵn sàng”; góp phần cải thiện di động băng rộng và phục vụ sự bùng nổ của IoT Hãng này ước tính vào năm 2020 sẽ có 20 tỷ thiết bị IoT trên thị trường Điều này đòi hỏi cần có một giải pháp mới để đáp ứng được nhu cầu kết nối của số lượng khổng lồ các thiết bị

Ngoài ra, với các dịch vụ nền tảng, cốt lõi như cứu hỏa, máy bay không người lái khi bay qua các vùng nguy hiểm sẽ đòi hỏi những kết nối tốc độ cao được đảm bảo và ổn định, khác so với việc kết nối các thiết bị thông thường Có rất nhiều lĩnh vực có thể ứng dụng giải pháp kết nối 5G như an ninh công cộng, nông nghiệp thông minh để tiết kiệm chi phí sản xuất, sử dụng năng lượng hiệu quả, kết nối phương tiện, thành phố thông minh hơn

Báo cáo di động mới nhất của Ericsson đã khẳng định, công nghệ 5G đang phát triển nhanh chóng và sẽ đạt nửa tỉ thuê bao vào năm 2022 Sự phát triển này sẽ mang lại những cơ hội mới rất khác biệt cho con người, doanh nghiệp và xã hội trong tương lai

Các chuyên gia Ericsson đã chỉ rõ những kỳ vọng của người dùng đối với thế

hệ mạng 5G Theo đó, với 5G, người dùng sẽ trải nghiệm truy cập băng thông rộng tại những khu vực có mật độ người dùng cao như các buổi hòa nhạc, sự kiện thể thao

và lễ hội, loại bỏ các vấn đề về dung lượng, độ nhiễu và độ tin cậy

Khách hàng sử dụng 5G sẽ được tận hưởng các bộ phim 4K được tải về trong vòng vài giây mà không cần kết nối Wi-Fi, trong khi các chương trình truyền hình và

sự kiện thể thao trực tiếp sẽ mang lại trải nghiệm thực tế ảo, giống như bạn đang có mặt trực tiếp tại nơi diễn ra sự kiện 5G cũng sẽ tối đa hóa chất lượng trải nghiệm với kết nối cả trong nhà và ngoài trời, đồng thời cung cấp kết nối băng thông rộng có chất lượng cao ngay cả trong các điều kiện khó khăn về mạng

Không chỉ vậy, 5G còn giúp tương tác con người - máy móc, giúp con người tiếp cận IoT dễ dàng hơn 5G cũng cho phép kiểm soát từ xa các máy móc hạng nặng;

từ đó mở ra những khả năng mới như nâng cao hiệu suất và hạ thấp chi phí, rủi ro trong những môi trường nguy hiểm, độc hại

Công nghệ 5G sẽ mở rộng cơ hội và mô hình kinh doanh thông qua chức năng giám sát, theo dõi và tự động hóa trên quy mô lớn Từ những nông trại và cánh đồng được kết nối cho tới những thành phố và tòa nhà thông minh, 5G góp phần hạ thấp chi phí, nâng cao hiệu suất và cung cấp dữ liệu thời gian thực theo những cách thức mới, ấn tượng

Các chuyên gia cho biết, với độ trễ thấp của 5G hỗ trợ dịch vụ video gần như theo thời gian thực, công nghệ này có thể được sử dụng để điều khiển từ xa và áp dụng cho các ứng dụng trong doanh nghiệp Trước đây, việc này chỉ được thực hiện trên kết nối có dây và thường được sử dụng trong các lĩnh vực y tế, theo dõi, máy móc công nghiệp nặng, nhưng giờ đây có thể được mở rộng qua mạng không dây với công nghệ 5G

Với cánh tay robot biết cảm nhận cử chỉ có thể được ứng dụng trong nhiều công việc khác nhau, bao gồm cả phẫu thuật từ xa, xử lý tai nạn giao thông và các tình huống mà sự có mặt của con người có thể là không an toàn

Ngoài ra, việc chuyển đổi hướng tới 5G đồng nghĩa với việc công nghệ truyền thông máy móc trên quy mô lớn sẽ cho phép các thành phố, hệ thống giao thông và

cơ sở hạ tầng giao thông truyền dữ liệu theo thời gian thực, để nâng cao hiệu quả bảo trì và hoạt động Đây là một trong những yếu tố quan trọng cho phát triển giao thông thông minh

1.4 Kết luận chương

Nếu như mạng di động thế hệ đầu tiên (1G) chỉ đơn thuần cung cấp dịch vụ thoại; mạng 2G cung cấp dịch vụ thoại và nhắn tin; mạng 3G cung cấp dịch vụ thoại + nhắn tin + dữ liệu; mạng 4G cung cấp các dịch vụ 3G với tốc độ cao hơn, thì sự ra đời của thế hệ mạng 5G sẽ cho phép triển khai các dịch vụ tiên tiến cho người dân,

từ khả năng truy cập với chất lượng tốt hơn tới dịch vụ y tế, hệ thống giao thông thông minh (bao gồm cả xe ô tô tự lái) và điều khiển máy móc từ xa Mạng 5G sẽ là sự kế thừa của 4G nhưng ở một tầm vóc cao hơn hẳn về tốc độ cũng như các yêu cầu khắt khe Và một điểm không thể bỏ qua trong công nghệ truyền thông tốc độ cao là kỹ thuật Beamforming, cho sóng phát theo một hướng cố định sẽ làm giảm tỷ lệ lỗi bít giữa trạm phát và người dùng

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 2.1 Giới thiệu chương

MIMO-OFDM là kỹ thuật dùng nhiều ăng-ten phát và ăng-ten thu, chia dòng

dữ liệu ban đầu thành nhiều dòng dữ liệu con theo một thuật toán cho trước Các dòng

dữ liệu này được thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, trước khi được đưa đến ăng-ten tương ứng và truyền đi Phía thu cũng sẽ nhận được dòng dữ liệu này

từ nhiều ăng-ten và sử dụng các thuật toán thích hợp để tổng hợp lại dòng dữ liệu ban đầu

Tức là, MIMO-OFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống nhiều ăng tên thu phát với kỹ thuật OFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thước của máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống Đây là một giải pháp triển vọng cho hệ thống thông tin vô tuyến Trong chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu về hệ thống MIMO, các dạng cấu hình, các kỹ thuật phân tập của nó, hệ thống MIMO-OFDM và mô hình toán học của nó

Trước khi đi vào tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM chúng ta sẽ đi tìm hiểu những nội dung sau:

• Về kỹ thuật OFDM, sẽ được tìm hiểu ở mục 2.2 như dưới đây

• Về hệ thống MIMO, sẽ tìm được hiểu ở mục 2.3 như dưới đây

2.2 Kỹ thuật OFDM

2.1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM

Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao và sử dụng băng thông một cách hiệu quả Đặc biệt nhiều chuẩn mạng không dây như WIFI, LTE,… đã ứng dụng

kỹ thuật OFDM như một phương tiện để phát triển mạnh mẽ thông tin di động tốc độ cao trong thời gian qua

OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn mới và có nhiều ưu điểm so với kỹ thuật truyền thống Trong hệ thống thông tin di dộng, yếu tố kênh truyền ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hệ thống cho dù sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nào đi nữa Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về OFDM và các đặc tính kênh truyền để thấy được các

ưu nhược điểm của nó cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

2.2.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

• Khái niệm

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là kỹ thuật điều chế

đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu được điều chế song song cách đều nhau trên các sóng mang phụ Các sóng mang phụ này có sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết

để duy trì tính trực giao tương ứng với dạng sóng trong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tương ứng với các sóng mang phụ khác nhau chồng lấn trong miền tần số Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường Ngoài ra OFDM còn có một đặc điểm nổi bật là khả năng chống lại fading lựa chọn tần số cao bằng cách sử dụng kênh truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp Ngoài ra, OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất hiệu quả để khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự (ISI) trong việc trãi trễ fading đa đường bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ tại vị trí bắt đầu mỗi chuỗi ký tự

Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cách tần

số rất gần nhau, do đó khi điều chế các tín hiệu chúng sẽ chồng lấn lên nhau Vì vậy, các máy thu phải nhận được toàn bộ tín hiệu và giải điều chế chúng chính xác So với các kỹ thuật trước đây như FDM, các tín hiệu phải tách biệt nhau khi truyền đi để máy thu có thể tách rời chúng bằng bộ lọc và khoảng băng bảo vệ giữa chúng Tuy

nhiên, với những cái tiến của kỹ thuật OFDM thì máy thu vẫn thu được tín hiệu mà không bị nhiễu mặc dù phổ của sóng mang chồng lấn lên nhau nhờ vào tính trực giao các sóng mang con

Hình 2-1: So sánh tính hiệu quả sử dụng phổ của OFDM và FDM

Và một yêu cầu quan trọng đối với hệ thống thu và phát OFDM là chúng phải tuyến tính, các sóng mang sẽ bị nhiễu do méo xuyên điều chế nếu hệ thống có bất kỳ

sự phi tuyền nào Khi méo phi tuyến xảy ra sẽ xuất hiện những tín hiệu không mong muốn và tính trực giao ban đầu cũng mất đi

Ngoài ra, tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) của tín hiệu của hệ thống đa sóng mang như OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của

bộ RF ở đầu ra của máy phát phải đáp ứng được công suất đỉnh trong khi công suất đỉnh trung bình rất thấp Hạn chế công suất đỉnh là một phương pháp để khắc phục trong một số hệ thống Tuy nhiên, việc này gây méo tín hiệu và làm cho lỗi cao hơn

Để giảm lỗi, hệ thống phải sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi để nâng cao chất lượng Việc

sử dụng biến đổi IDFT trong điều chế và phép biến đổi DFT trong giải điều chế của

kỹ thuật OFDM cũng làm tăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát và máy thu Ngày nay, thay vì sử dụng IDFT/DFT người ta sử dụng IFFT/FFT để giảm bớt độ phực tạp của hệ thống

• Sự trực giao

Trực giao là thuật ngữ đề cập đến mối quan hệ chính xác về mặt toán học giữa các tần số sóng mang của hệ thống OFDM Nói về FDM, các sóng thường đặt cách nhau một khoảng cách dải tần để tín hiệu không bị can nhiễu và có thể thu chúng bằng các bộ điều chế và bộ lọc thông thường Vì vậy khoảng bảo vệ giữa các sóng mang cần được dữ liệu trước và việc sử dụng khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả

sử dụng phổ của hệ thống Còn về kỹ thuật OFDM, các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà máy thu vẫn có thể thu được chính xác tính các tín hiệu không có can nhiễu giữa các sóng mang Muốn đạt được điều này thì các sóng mang phải trực giao với nhau về mặt toán học OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM là tổng tất cả các sóng hình sin này Mỗi sóng mang có một chu kỳ sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu

Về mặt toán học ta có tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thõa mãn biểu thức sau:

∫ 𝑆𝑖(𝑡)𝑆𝑗(𝑡)𝑇

𝑆𝑖(𝑡) = sin(𝑚𝜔𝑡) và 𝑆𝑖(𝑡) = sin(𝑛𝜔𝑡)

Ta lấy tích phân của hai sóng trên khoảng thời gian chu kỳ của nó, ta được:

∫ 𝑆𝑖(𝑡)𝑆𝑗(𝑡)

𝑇

0

= ∫ 𝑠𝑖𝑛(𝑚𝜔𝑡)2𝜋

0

sin(𝑛𝜔𝑡)

= ∫ 122𝜋

0[cos(𝑚 − 𝑛) 𝜔𝑡 − cos(𝑚 + 𝑛) 𝜔𝑡]𝑑𝑡

= ∫ 1

22𝜋

0

cos(𝑚 − 𝑛) 𝜔𝑡𝑑𝑡 + ∫ 1

22𝜋

0cos(𝑚 + 𝑛) 𝜔𝑡𝑑𝑡 = 0 + 0 = 0 (2.2)

Từ trên, nếu hai sóng sin có cùng tần số thì dạng hợp thành luôn dương, thì dẫn đến giá trị trung bình luôn khác 0

Tính trực giao của các sóng mang con thể hiện ở chỗ, tại mỗi đỉnh của sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0

Hình 2-2: Phổ sóng mang con OFDM

2.2.3 Sơ đồ khối OFDM

Xét hệ thống OFDM sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương MQAM

• Xét khối máy phát OFDM

Hình 2-3: Sơ đồ khối máy phát OFDM

- Dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được mã hóa thông qua bộ Encoder

- Có thể được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng bộ xen kẽ (Interleaving) (không đưa vào hình trên, và được mô tả trong xem tại mục 2.2.3 phần “Khối xen kẽ”)

- Sau đó các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế số (trong mô phỏng chúng ta sẽ sử dụng bộ QAM, và xem tại mục 2.2.3 phần “Khối điều chế”)

- Chèn Pilot để phục vụ ước lượng kênh

- Dòng dữ liệu tiếp tục được đưa vào bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P)

- Sau đó đưa vào bộ IFFT để chuyển đổi dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian (xem tại mục 2.2.3 phần“Khối IFFT/FFT”)

- Chèn tiền tố lặp CP để giảm nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu xuyên kênh (xem tại mục 2.2.3 phần “Tiền tố lặp (CP)”)

- Dữ liệu tiếp tục chuyển từ song song thành nối tiếp thông qua bộ (P/S)

- Dữ liệu được điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi thông qua ăng-ten (không đưa vào hình trên)

• Xét khối máy thu OFDM

Khối máy thu là một quá trình ngược của khối máy phát

Hình 2-4: Sơ đồ khối máy thu OFDM

- Tại máy thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và được đưa qua bộ ADC thành tín hiệu rời rạc (không đưa vào hình trên)

- Tiền tố lặp (CP) được loại bỏ và chuyển từ nối tiếp sang song song (xem tại mục 2.2.3 phần “Tiền tố lặp (CP)”)

- Sau đó tín hiệu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số thông qua bộ FFT (xem tại mục 2.2.3 phần “Khối IFFT/FFT”)

- Tín hiệu tiếp tục được giải điều chế bằng phương pháp tương ứng với bên phát (M-QAM) sau đó được sắp xếp lại và giải mã (xem tại mục 2.2.3 phần

“Khối MQAM-Mapping”)

- Thông qua bộ chuyển đổi song song thành nối tiếp ta sẽ thu lại được tín hiệu ban đầu

• Khối xen kẽ

Trong MIMO-OFDM, để khắc phục lỗi chùm xuất hiện trong thông tin đa sóng mang

do fading, người ta kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen kẽ Kỹ thuật xen kẽ chuyển đổi lỗi chùm thành lỗi ngẫu nhiên để bộ mã hóa kênh có thể khắc phục dễ dàng

Hình 2-5: Kỹ thuật xen kẽ

• Khối điều chế

Tín hiệu sau khi được mã hóa và xen rẽ sẽ được điều chế số ở máy phát và giải điều chế ở máy thu Việc điều chế số cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao hơn, khả năng chống nhiễu tốt hơn, chống được ảnh hưởng của suy hao kênh truyền và có tính bảo mật tốt hơn Với kỹ thuật điều chế nhiều mức như M-QAM trong điều chế số cho tốc độ bit cao hơn nhiều so với điều chế tương tự ở cùng băng thông

Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốt độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

Hình 2-6: 4-QAM Hình 2-7: 16-QAM

Khi sử dụng điều chế QAM, sẽ có lần lượt log2𝑀 bit được đưa đến đầu vào

và sau khi ánh xạ thì sẽ là một trong M vị trí trong mặt phẳng phức Khi giải điều chế,

ta chỉ cần biết vị trí tọa độ trong mặt phẳng phức thì ta sẽ biết được bit đó là bit nào

• Khối IFFT/FFT

Trong kỹ thuật OFDM, dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con Cụ thể là mỗi kênh con cần một bộ điều chế và giải điều chế, một máy phát sóng sin Vì vậy khi số lượng kênh con khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng biến đổi IDFT/DFT để tạo sóng sin, điều chế và giải điều chế trên mỗi kênh con Để giảm độ phức tạp, cồng kềnh trong hệ thống, thuật toán IFFT/FFT được sử dụng làm cho phép biến đổi nhanh hơn

• Tiền tố lặp (CP)

Tiền tố lặp là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự, nhiễu liên kênh đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như khoảng thời gian bảo vệ giữa các kỹ tự phát kề nhau Vì vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (𝑻𝒔) lúc này bao gồm khoảng thời gian bảo vệ (𝑻𝒈) và thời gian truyền thông tin có

ích TFFT (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự)

Tỉ lệ của khoảng bảo vệ 𝑇𝑔 và thời gian khoảng ký tự hữu ích 𝑇𝐹𝐹𝑇 bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác nhau Nếu tỷ lệ đó lớn tức là 𝑇𝑔 tăng làm giảm hiệu suất hệ thống Tuy nhiên nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại 𝜏𝑚𝑎𝑥 nhằm duy trì tính trực giao giữa giữa các sóng mang con và loại bỏ nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ

Ngoài khái niệm tiền tố lặp còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix Hậu

tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệu suất băng thông Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải trễ lớn nhất Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền