Nghiên cứu các đặc trưng của công nghệ lte cho mạng di động thế hệ thứ tư

MỞ ĐẦU Hệ thống thông tin di động trong những năm gần đây không ngừng phát triển nhằm phục vụ các nhu cầu của con người như: Dịch vụ như truyền hình, mạng internet, điện thoại di động và

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông,

Trường đại học Vinh đã hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho em trong

quá trình học tập Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Lưu Tiến

Hưng, người đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn

TÓM TẮT

Chúng tôi đã nghiên cứu, tìm hiểu về công nghệ LTE và ứng dụng của nó

trong kỹ thuật viễn thông Có thể nhận thấy công nghệ LTE có những ưu điểm vượt

trội so với các công nghệ khác, đặc biệt là trong hệ thống mạng không dây WWAN

Đồ án đã tìm hiểu sự ra đời và một số đặc điểm, tính năng, yêu cầu của công nghệ

LTE Để đạt được tốc độ cao, giảm chi phí, tiết kiệm thời gian trên mỗi bit thông

tin, sử dụng linh hoạt các băng tần,… LTE cần có sự trợ giúp của các hệ thống truy

nhập vô tuyến như: OFDMA, SC-FDMA và kỹ thuật ăng-ten MIMO Bên cạnh đó

thì LTE cũng có kiến trúc hệ thống độc đáo, mà một trong số đó là khả năng liên kết

được với các mạng thế hệ di động đi trước LTE là một công nghệ mới cho mạng di

động 4G, yêu cầu đặt ra khi phát triển mạng này cần giảm chi phí, tốc độ dữ liệu

cao, vùng phủ sóng rộng và khả năng di chuyển Trong đồ án này sự phát triển của

công nghệ LTE trên toàn thế giới và ở Việt Nam cũng được đề cập đến

SUMMARY

We have studied the LTE technology and its applications in telecommunications

engineering It can be seen LTE technology has advantages compared to other

technologies, especially in wireless WWAN networks The topic was introduced the

history, characteristics and features of LTE technology requirements To achieve

high speed, reducing costs, saving time on each bit of information, flexible use of

frequencies, LTE needs the help of wireless access systems, such as: OFDMA,

SC - FDMA and MIMO antenna techniques And besides , the LTE system

architecture also very unique, but one of them is the ability to link with the mobile

network generations ahead LTE is a new technology for 4G mobile networks , the

requirements set forth in developing this network needs to reduce costs, high data

rate, large coverage and mobility In this topic, the development of LTE technology

worldwide and in Vietnam also mentioned

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THÔNG 1

1.1 Mạng có dây 1

1.1.1 Công nghệ cáp đồng trục 1

1.1.2 Công nghệ đường dây thuê bao số DSL 3

1.1.3 Công nghệ truyền dẫn cáp quang FTTx 4

1.2 Mạng không dây 6

1.2.1 Mạng WPAN 7

1.2.2 Mạng WLAN 8

1.2.3 Mạng WMAN 10

1.2.4 Mạng WRAN 10

1.2.5 Mạng WWAN 11

1.3 Sự ra đời của công nghệ LTE 12

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN VÀ KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LTE 15

2.1 Hệ thống truyền dẫn đường xuống OFDMA 15

2.1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM 15

2.1.2 Sự trực giao 20

2.1.3 Các kĩ thuật điều chế trong OFDM 23

2.1.4 OFDM trong LTE (OFDMA) 27

2.2 Hệ thống truyền dẫn hướng lên SC-FDMA 33

2.2.1 Nguyên lý truyền dẫn hướng lên 33

2.2.2 Các tham số của SC- FDMA 35

2.2.3 Dữ liệu truyền thông đường lên 36

2.2.4 Các thủ tục lớp vật lý đường lên 36

2.3 Kĩ thuật đa ăng-ten MIMO 38

2.3.1 Đặc điểm chung 38

2.3.2 Hệ thống MIMO trong LTE 39

2.3.3 Các độ lợi trong hệ thống MIMO 41

2.4 Tính linh hoạt phổ 43

2.4.1 Sự linh hoạt trong sắp xếp song công 44

2.4.2 Độ linh hoạt phổ 44

2.5 Kiến trúc hệ thống LTE 46

2.5.1 Kiến trúc mạng đơn giản 46

2.5.2 Khả năng liên kết với các mạng thế hệ trước 51

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LTE CHO VIỆC PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THỨ 4 (4G) 55

3.1 Giới thiệu về mạng 4G 55

3.1.1 Những yêu cầu và mục tiêu thiết kế hệ thống 4G 56

3.2 Hệ thống LTE trong việc phát triển hệ thống 4G 60

3.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax 60

3.2.2 Kiến trúc giao thức LTE 61

3.3 Sự phát triển công nghệ LTE trên thế giới và ở Việt Nam 71

3.3.1 Thế giới 71

3.3.2 Việt Nam 73

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các loại xDSL 4

Bảng 1.2 Bảng so sánh các công nghệ của mạng WPAN 8

Bảng 1.3 Bảng so sánh các chuẩn 802.16 10

Bảng 1.4 Bảng so sánh một số công nghệ của hệ mạng WWAN 11

Bảng 2.1 Các dạng điều chế của OFDM 23

Bảng 2.2 Thông số của điều chế QPSK 25

Bảng 2.3 Biểu đồ tần số thời gian của OFDMA 28

Bảng 2.4 Các thông số cấu trúc khung đường xuống chung 31

Bảng 2.5 Bảng thống kê các kích thước của IFFT 33

Bảng 2.6 Các thông số cấu trúc khung chung đường lên 36

Bảng 3.1 Bảng so sánh tổng thể LTE và Wimax 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cáp đồng trục 2

Hình 1.2 Mạng cáp đồng trục 3

Hình 1.3 Mô hình hệ thống FTTx 5

Hình 1.4 Phân loại mạng vô tuyến 7

Hình 1.5 Mô hình mạng WPAN 7

Hình 1.6 Mô hình mạng WLAN chuẩn 802.11 9

Hình 1.7 Mô hình mạng cơ sở 9

Hình 1.8 Mô hình mạng mở rộng 9

Hình 1.9 Các thế hệ di động từ trước tới nay của nhóm mạng WWAN 11

Hình 1.10 Kiến trúc mạng LTE 13

Hình 2.1 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM 16

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống OFDM 16

Hình 2.3 Sơ đồ khoảng bảo vệ 18

Hình 2.4.a) Điều hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật chế cao tần tín tương tự b) Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số 19

Hình 2.5 Sơ đồ thời gian-tần số của tín hiệu OFDM 20

Hình 2.6 Mật độ phổ công suất của sóng mang con Ψi(t) 21

Hình 2.7 Phổ biên độ của 2 sóng mang có tần số trực giao 22

Hình 2.8 Phổ biên độ của n sóng mang có tần số trực giao 22

Hình 2.9.a) Tác động của nhiễu đến hệ thống đơn; b).Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang 22

Hình 2.10 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 24

Hình 2.11 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 26

Hình 2.12 Chùm tín hiệu M-QAM 27

Hình 2.13 So sánh OFDM và OFDMA 27

Hình 2.14 Nguyên tắc của OFDMA trong việc truyền dữ liệu hướng xuống 29

Hình 2.15 Cấu trúc khung chung trong LTE đường xuống 30

Hình 2.16 Nguồn lưới đường xuống 30

Hình 2.17 Tạo tín hiệu đồng bộ trong miền tần số 32

Hình 2.18 Nguyên tắc của SC-FDMA trong việc truyền dữ liệu hướng lên 35

Hình 2.19 Cấu trúc khe đường lên 36

Hình 2.20 Cấu trúc khung truy cập ngẫu nhiên 37

Hình 2.21 Truy nhập ngẫu nhiên Preamble 37

Hình 2.22 Hệ thống MIMO so với các hệ thống khác 39

Hình 2.23 Mô hình trực quan của một hệ thống MIMO 2x2 40

Hình 2.24 Tạo dạng tia trong khung nhiều ăng-ten LTE 42

Hình 2.25 Hệ thống V-BLAST 43

Hình 2.26 Mô hình FDD và TDD 44

Hình 2.27 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2GHz của nguyên bản IMT-2000 45

Hình 2.28 Cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của một hệ thống GSM đã được triển khai 46

Hình 2.29 Kiến trúc mạng LTE cơ bản 47

Hình 2.30 Nối kết liên mạng LTE và UMTS 52

Hình 2.31 Kiến trúc của mạng UMTS 52

Hình 3.1 Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động 4G 55

Hình 3.2 Cấu hình hệ thống 4G 58

Hình 3.3 Liên lạc thông qua các kết nối multi-hop 59

Hình 3.4 Kiến trúc giao thức LTE 61

Hình 3.5 Luồng dữ liệu LTE 62

Hình 3.6 Phân đoạn và hợp đoạn RLC 64

Hình 3.7 Sự ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền dẫn 67

Hình 3.8 Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ 68

Hình 3.9 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH 70

Hình 3.10 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH 71

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Kí hiệu viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt

qua đường dây điện lực

24

Also SC-FDMA

OFDM trải phổ DFT, cũng được xem như là SC-FDMA

34 EPC Evolved Packet Core Lõi gói cải tiến

61

63

trường

multiple cells Commonly,

corresponding to a base station

Một node logic điều khiển việc phát và thu trong nhiều

tế bào Có khi còn xem như tương ứng với một trạm gốc

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

Tỷ lệ công suất đỉnh so với trung bình

Packet Data Convergence

Channel

Kênh chia sẻ vật lý đường lên

90 SNR Signal To Noise Ratio Hệ số tín hiệu trên tạp âm

107

không dây

108

109

MỞ ĐẦU

Hệ thống thông tin di động trong những năm gần đây không ngừng phát triển

nhằm phục vụ các nhu cầu của con người như: Dịch vụ như truyền hình, mạng

internet, điện thoại di động và các ứng dụng khác như: nhắn tin đa phương tiện, các

dịch vụ định vị, các dịch vụ ngân hàng, thanh toán điện tử và nhiều dịch vụ ngày

càng đáp ứng nhu cầu vui chơi giải trí của con người

Hiện nay các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành

triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có

thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term

Evolution) có nghĩa là tiến hóa dài hạn, công nghệ này sẽ giúp cho người sử dụng

truy cập dữ liệu với tốc độ cao tốc độ truyền dữ liệu hướng xuống có thể đạt được

288 Mbit/s và hướng lên là 98Mbit/s Trong tương lai không xa với LTE, chúng ta

có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem

phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến,

tải cơ sở dữ liệu v.v với một tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với mạng khác

Xuất phát từ những vấn đề trên và những kiến thức em đã được học tại trường;

cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lưu Tiến Hưng

đã giúp chúng tôi hoàn thành đồ án: “Nghiên cứu các đặc trưng của công nghệ LTE

cho mạng di động thế hệ thứ tư”

Mục đích của đề tài là:

- Hiểu được các loại công nghệ cho mạng băng rộng trong đó có một số công

nghệ như, WCDMA, WIFI, WIMAX và đặc biệt là công nghệ LTE

- Tìm hiểu được các phương thức truy nhập giúp cho công nghệ LTE để đạt

được tốc độ cao

- Tìm hiểu khả năng ứng dụng của công nghệ LTE trong mạng 4G

Nhiệm vụ thực hiện

Để thực hiện đề tài, chúng tôi sẽ đi theo và thực hiện những nhiệm vụ chính

sau: Tìm hiểu các mạng di động của thế hệ trước, mục đích và yêu cầu của người

sử dụng, đặc điểm của công nghệ LTE, các ưu điểm, nhược điểm và so sánh các

phương pháp, kỹ thuật, so sánh công nghệ LTE với công nghệ khác, sự phát triển

của LTE trên toàn thế giới và ở Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu

Để có tài liệu phục vụ cho việc triển khai đề tài chúng tôi đã sử dụng biện

pháp nghiên cứu sau: tìm hiểu qua sách, trang mạng internet, diễn đàn, tìm hiểu

thực tế nhu cầu của người sử dụng, phân tích, so sánh công nghệ, trên thị trường

Cấu trúc của tài đồ án, ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục bảng, biểu, tài

liệu tham khảo, nội dung của đồ án được trình bày trong ba chương :

Chương I Tổng quan về mạng viễn thông

Nêu tổng quan về mạng băng rộng bao gồm mạng có dây và mạng không

dây Nêu ưu nhược của từng công nghệ từ đó so sánh các đặc điểm chính của các

công nghệ

Chương II Hệ thống truy nhập truy nhập vô tuyến và kiến trúc hệ

thống truy nhập LTE

Chương này, chúng tôi trình bày nguyên tắc hoạt động của các phương pháp

đa truy nhập, nêu các ưu điểm, nhược điểm, so sánh các phương pháp để đưa ra

kiến trúc mạng đơn giản của công nghệ LTE khả năng liên kết với thế hệ trước

Chương này cũng trình bày các nội dung về nhiệm vụ, các đường, các điểm và các

cổng phục vụ trong kiến trúc mạng

Chương III Ứng dụng công nghệ LTE cho việc phát triển hệ thống

thông tin di động thứ tư (4G)

Trong chương này, chúng tôi trình bày quá trình phát triển hệ thống thông tin

di động của thế hệ trước để đi đến phát triển mạng 4G, so sánh công nghệ LTE với

công nghệ WIMAX, tìm hiểu sử phát triển của công nghệ LTE trên toàn thế giới và

ở Việt Nam

Do những kiến thức còn hạn chế, đồ án còn có những thiếu sót, chúng tôi rất

mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Thầy, Cô và các bạn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THÔNG

Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về mạng viễn thông gồm:

mạng không dây và mạng có dây, trong đó mỗi mạng sử dụng mỗi loại công nghệ

riêng từ đó nêu đặc điểm của mỗi công nghệ So sánh các loại công nghệ để thấy ưu

điểm và nhược điểm, đồng thời đi tìm hiểu sự đời của công nghệ LTE ( Long Term

Evolution –Tiến hóa dài hạn) và một số tính năng của công nghệ này cũng được

trình bày

1.1 Mạng có dây

Mạng có dây truyền thông qua một mạng vật lý để cung cấp một kết nối “có

dây” trực tiếp từ nhà cung cấp dịch vụ tới khách hàng Ví dụ điển hình của loại

này là hệ thống POTS ( hệ thống điện thoại kiểu cũ) trong đó khách hàng được kết

nối vật lý tới nhà khai thác qua đôi cáp đồng Mạng có dây bao gồm ba công nghệ

chính sau:

- Công nghệ cáp đồng trục

- Công nghệ đương dây thuê bao số DSL

- Công nghệ truyền dẫn cáp quang FTTx

1.1.1 Công nghệ cáp đồng trục

Cáp đồng trục được ra đời vào năm 1936, do AT&T (một công ty viễn thông ở

Mĩ thiết đặt cáp đồng trục thí nghiệm đầu tiên kết nối giữa New York và

Philadelphia) Đến 1941, hệ thống cáp đồng trục đầu tiên L1 đầu tiên được đưa vào

sử dụng để kết nối Minneapolis và Stevens Points Hệ thống cáp đồng trục L1 này

có thể truyền tải 480 cuộc đàm thoại Những hệ thống cáp đồng trục kế tiếp có chất

lượng ngày càng được nâng cao Hệ thống cáp L5 vào năm 1970 có thể truyền tải

hơn 132.000 cuộc đàm thoại [1] Và cho đến nay, cáp đồng trục đã trở thành một

công cụ được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực vô tuyến truyền hình Hình 1.1 mô tả

cấu trúc của cáp đồng trục, gồm bốn phần như sau:

- Một dây đồng ở trung tâm

- Một vật liệu cách li là chất điện môi không dẫn điện bao phủ quanh dây đồng

- Cuộn dây kim loại dùng làm dây dẫn và bảo vệ khỏi sự phát xạ nhiễm

điện từ

- Ngoài cùng là một lớp vỏ bọc làm bằng chất không dẫn điện

Zo: Trở kháng

d : Bán kính trong

D: Bán kính ngoài

εr: Hằng số điện môi

Trong đó, loại trở kháng được sử dụng rộng rãi nhất là 50 (Ω) hoặc 75 (Ω),

các loại khác thường được lắp đặt để phục vụ cho những nhu cầu nhất định Loại

cáp 50(Ω) được sử dụng rộng rãi cho những ứng dụng tần số thông tin vô tuyến hai

chiều như: radio hay liên lạc viễn thông; còn loại cáp 75 (Ω) thường được sử dụng

để phát sóng radio và vô tuyến Tốc độ truyền dữ liệu qua cáp đồng trục có thể đạt

tới 35 Mbit/s Sơ đồ của một mạng cơ khi sử dụng cáp đồng trục (hình 1.2)

Khi đánh giá một cách tổng quát thì một mạng khi sử dụng cáp đồng trục có

các ưu, nhược điểm sau:

- Ưu đ ểm: Các thiết bị mạng đơn giản, giá thành thấp

- ợ đ ểm:

+ Cáp đồng trục có mức suy hao lớn

+ Chi phí cho các thiết bị kèm theo cao

+ Điện năng tiêu thụ của mạng cao

+ Càng xa trung tâm chất lượng tín hiệu càng giảm

+ Độ ổn định của mạng kém

+ Khó bảo trì làm ảnh hưởng đến chất lượng phục vụ khách hàng

Hình 1.2 Mạng cáp đồng trục

Trong hình: Master Headend; Headend chủ Splitter;

Bộ lọc RF Amplifiers; Bộ khuếch đại Tap-Off; Mở- Tắt

1.1.2 Công nghệ đường dây thuê bao số DSL

Để phục vụ nhu cầu ngày càng lớn của con người như: xem truyền hình trực

tuyến hay truy cập Internet băng thông rộng … Từ đó công nghệ đường dây thuê

bao số DSL đã ra đời DSL sử dụng phương pháp điều biến, nhằm mục đích biến

đổi các gói dữ liệu nhận được ở đầu vào thành tập hợp các tín hiệu có tần số cao ở

đầu ra sao cho phù hợp với việc truyền tải trên đường dây điện thoại nhất Do có

nhiều phương pháp biến đổi tín hiệu từ tần số thấp lên tần số cao để truyền dẫn qua

đường dây điện thoại, mỗi phương pháp này có đặc tính, ưu nhược điểm và khả

năng ứng dụng khác nhau nên để nói chung cho tất cả các phương pháp này người

ta dùng một thuật ngữ gọi là xDSL Chữ “ x ” có thể thay thế cho các loại sau: A, I,

S, V…Tùy theo từng loại dịch vụ cung cấp sẽ có từng loại hình dịch vụ DSL cụ thể

Bảng 1.1 sau sẽ minh họa cụ thể:

Bảng 1.1 Các loại xDSL

nghệ

Tốc độ (Mbit/s)

Khoảng cách tối đa (Km)

Đánh giá một cách tổng thể về công nghệ đường dây thuê bao số DSL thì nó

gồm có một số ưu điểm và nhược điểm như sau:

- Ưu đ ểm: Khả năng truyền tải được nhiều các ứng dụng khác nhau, tận dụng

mạng điện thoại sẵn có, tận dụng được các tài nguyên và cơ sở hạ tầng sẵn có

- ợ đ ểm:

+ Yêu cầu chất lượng cáp truyền dẫn cao

+ Khoảng cách truyền tải của tín hiệu DSL không được xa

1.1.3 Công nghệ truyền dẫn cáp quang FTTx

Công nghệ FTTx là công nghệ truy cập Internet sử dụng đường truyền

bằng cáp quang, FTTx cho tốc độ upload và download cao và ổn định Công nghệ

FTTx có các dạng như sau: FTTB, FTTC, FTTH, FTTO

Sau đây là mô hình hệ thống FTTx cơ bản:

Hình 1.3 Mô hình hệ thống FTTx

Trong hình: Fiber To The Building : Cáp quang tới tòa nhà.Fiber To The Curb;

Cáp quang tới tủ thiết bị Fiber To The Home; Cáp quang tới tận nhà Fiber To The

Office; Cáp quang tới văn phòng Point-of-presence(Central office); Văn phòng

trung ương Direct buried cablel solution; Cáp chôn trực tiếp.Micro duct cablel

solution: Ống cáp vi giải.Aerial cablel solution; Ống cáp trên không

Trong 4 dạng của công nghệ truyền dẫn cáp quang FTTx thì FTTH (cáp

quang tới tòa nhà) là hoàn chỉnh nhất về công nghệ và tối ưu về tiện ích cho người

dùng Hiện nay, công nghệ FTTH đang được triển khai mạnh mẽ trên toàn thế giới,

FTTH cung cấp các dịch vụ tốc độ cao như: điện thoại, Internet tốc độ cao và

TV…Với công nghệ FTTH, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp tốc độ download

lên đến 2.5 Gbit/s, nhanh gấp khoảng 200 lần so với ADSL (đường dây thuê bao số

không đối xứng) Còn tại Việt Nam, Công ty FPT đã cung cấp tới 6 gói dịch vụ

FTTH hoàn chỉnh tùy theo nhu cầu sử dụng của từng người Khi sử dụng công nghệ

FTTH thì đường truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang tới tận phòng máy của người

sử dụng, chất lượng truyền dẫn tín hiệu của FTTH rất ổn định, không bị suy hao tín

hiệu bởi nhiễu điện từ, thời tiết hay chiều dài cáp như đối với ADSL Với ADSL,

chiều dài cáp để đạt sự ổn định cần thiết là 5,4 km, còn với FTTH thì con số này lên

tới 10 km [1] Hơn nữa với FTTH thì độ bảo mật rất cao, với ADSL khả năng bảo

mật thấp hơn nhiều vì có thể bị đánh cắp tín hiệu trên đường dây; với FTTH thì hầu

như không thể bị đánh cắp tín hiệu trên đường dây Ngoài ra, khi các dịch vụ

“ngốn băng thông” như: HDTV (truyền hình độ nét cao), IPTV (truyền hình tương

tác), VoD (xem phim theo yêu cầu), Video ngày càng thịnh hành, đòi hỏi tốc độ

đường truyền cao Do đó FTTH càng có cơ hội phát triển mạnh Bên cạnh đó việc

FTTH thay thế đường truyền ADSL cũng là một tất yếu, như cách mà ADSL đã

thay thế dịch vụ internet dial-up (quay số) trước đây

1.2 Mạng không dây

Trong nhiều năm qua mạng vô tuyến đã và đang phát triển với tốc độ rất

nhanh chóng Có rất nhiều loại hình mạng, nhiều công nghệ, nhiều chuẩn vô tuyến

đã và đang được chuẩn hóa Công nghệ mạng không dây gần gũi nhất với nhiều

người đó là công nghệ mạng vô tuyến diện rộng WWAN hay còn gọi là mạng tế

bào Đó chính là các mạng điện thoại di động GSM/UMTS tên thông dụng mà ta

hay gọi là mạng 2G/3G Bên cạnh đó còn có một số mạng có một công nghệ

nổi bật riêng như WPAN thì Bluetooth mạng cục bộ không dây WLAN nổi bật nhất

chính là công nghệ Wifi, mạng WWAN công nghệ LTE [1]

Công nghệ không dây là hệ thống gồm các thiết bị được nhóm lại với nhau, có

khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây

Dựa trên vùng phủ sóng của các trạm phát sóng, mạng không dây được chia thành 5

nhóm

- Mạng WPAN (mạng vô tuyến cá nhân)

- Mạng WLAN (mạng vô tuyến cục bộ)

- Mạng WMAN (mạng vô tuyến đô thị)

- Mạng WRAN (mạng vô tuyến khu vực)

- Mạng WWAN (mạng vô tuyến diện rộng)

Hình 1.4 Phân loại mạng vô tuyến

1.2.1 Mạng WPAN

những khoảng cách tương đối ngắn không giống như mạng WLAN (mạng cục bộ

không dây), mạng WPAN có thể sử dụng hiệu quả mà không cần tốn kém về cơ sở

hạ tầng tính năng này sẽ cho hướng giải quyết rẻ tiền, nhỏ gọn mà vẫn đem lại hiệu

suất cao trong liên lạc nhất là trong băng tần eo hẹp Trong suốt giữa thế kỉ 20 mạng

di động không dây được sử dụng rộng rãi và một nhu cầu tất yếu cho cuộc sống

WPAN bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ sóng nhỏ, khoảng cách

giữa các thiết bị thường dưới 10m Các công nghệ này phục vụ với mục đích kết nối

các thiết bị ngoại vi như: máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng…với các điện thoại di

động và máy tính Sau đây sẽ là mô hình mạng WPAN

Hình 1.5 Mô hình mạng WPAN

Trong hình: Home Cinema; Trung tâm điện ảnh; TV digital: Tivi kỹ thuật số;

Telephone: Điện thoại; Pasarela/Router: Bộ định tuyến

Các công nghệ điển hình trong mạng này bao gồm: UWB, Bluetooth,

ZigBee Đa phần các công nghệ trong nhóm này được chuẩn hóa bởi IEEE, cụ thể

là nhóm làm việc 802.15 IEEE 802.15 lại được phân ra làm 3 loại mạng WPAN

Chúng được phân biệt thông qua tốc độ truyền dẫn, mức độ tiêu hao năng lựơng và

chất lượng dịch vụ:

- WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa

phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao Công nghệ UWB (công nghệ siêu

băng rộng) chính là công nghệ điển hình nhất cho chuẩn IEE 802.15.3

- WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1) được ứng dụng trong các

mạng điện thoại tế bào đến máy tính cá nhân bỏ túi và có chất lượng dịch vụ QoS

phù hợp cho thông tin thoại Công nghệ điển hình nhất chính là Bluetooth

- WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4) dùng trong các sản phẩm công nghiệp

dùng có thời hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp,

không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS Chính tốc độ truyền dữ liệu thấp

cho phép WPAN tốc độ thấp tiêu hao ít năng lượng Trong chuẩn này thì công nghệ

ZigBee/IEEE 802.15.4 chính là một ví dụ điển hình

Sau đây là sẽ là bảng so sánh ba công nghệ điển hình cho ba loại mạng

WPAN:

Bảng 1.2 Bảng so sánh các công nghệ của mạng WPAN

1.2.2 Mạng WLAN

WLAN là mạng vô tuyến cục bộ không dây Nhóm này bao gồm các công

nghệ có vùng phủ tầm vài trăm mét Nổi bật nhất chính là công nghệ WiFi với nhiều

chuẩn mở rộng khác nhau thuộc gia đình 802.11 Công nghệ Wifi đã gặt hái được

những thành công to lớn trong những năm qua Sau đây sẽ là mô hình mạng

WLAN:

Hình 1.6 Mô hình mạng WLAN chuẩn 802.11

Chuẩn 802.11 linh hoạt về thiết kế gồm hai mô hình mạng sau:

- Mô hình mạng cơ sở BSS: Bao gồm các điểm truy nhập AP gắn với mạng

đường trục hữu tuyến và giao tiếp với các thiết bị di động trong vùng phủ sóng của

một cell Điểm truy cập AP đóng vai trò điều khiển cell và điều khiển lưu lượng tới

mạng Các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà qua AP

.Hình 1.7 Mô hình mạng cơ sở

- Mô hình mạng mở rộng ESS: Một ESS là một tập hợp các BSS nơi mà các

điểm truy cập AP giao tiếp với nhau để chuyển lưu lượng từ một BSS này đến một

BSS khác để làm cho việc di chuyển dễ dàng của các trạm giữa các BSS

Hình 1.8 Mô hình mạng mở rộng

Chuẩn gốc 802.11 cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lên tới 2 Mbit/s - quá chậm

đối với hầu hết các ứng dụng Do đó các chuẩn của chuẩn gốc 802.11 ra đời gồm:

802.11b, 802.11a, 802.11g

1.2.3 Mạng WMAN

WMAN là mạng vô tuyến đô thị Đại diện tiêu biểu của nhóm mạng này

chính là công nghệ WiMAX thuộc chuẩn 802.16 Nhưng không phải thiết bị theo

chuẩn 802.16 nào cũng được WiMAX Forum chứng nhận Nhưng tất cả những sản

phẩm có chứng nhận của WiMAX Forum đều tương thích với chuẩn 802.16 và liên

kết hoạt động được với các thiết bị theo chuẩn 802.16 của các nhà sản xuất khác

nhau, kể cả những thiết bị không được chứng nhận bởi WiMAX Forum Chuẩn

802.16 bao gồm các chuẩn: 802.16c, 802.16a và 802.16e

Đường lên SC-FDMA (phương pháp đa truy nhập theo tần số đơn sóng

mang) có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền

QPSK, 16QAM, 64QAM

BPSK, QPSK, QAM, 64QAM

WRAN là mạng vô tuyến khu vực Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22

đang được nghiên cứu và phát triển bởi IEEE Vùng phủ sóng có thể lên tới

40-100km Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh,

khó triển khai các công nghệ khác

1.2.5 Mạng WWAN

WWAN có nghĩa là mạng vô tuyến diện rộng hay còn được biết đến với tên

gọi là mạng tế bào Đây là mạng không dây có vùng phủ sóng rộng khắp, nó bao

gồm các công nghệ như: GSM, GPRS, UMTS, CDMA2000, HSPA và LTE Và

thường được biết đến với các tên gọi như 2G; 2,5G hay 3G

Hình 1.9 Các thế hệ di động từ trước tới nay của nhóm mạng WWAN

Bảng 1.4 Bảng so sánh một số công nghệ của hệ mạng WWAN

Dự kiến 700/2600 MHz

OFDMA SC-FDMA

Bảng 1.5 Bảng so sánh hệ thống mạng không dây và mạng có dây

Bảo mật không đảm bảo bằng có dây do phát sóng thông tin ra mọi phía

Bảo mật đảm bảo chỉ bị lộ thông tin nếu can thiệp thẳng vào vị trí dây dẫn

3

mở rộng

Khả năng mở rộng khoảng cách tốt với chi phí hợp lý

Đòi hỏi chi phí cao khi muốn

mở rộng hệ thống mạng đặc biệt là mở rộng bằng cáp quang

Các vị trí thiết kế không cơ động phải thiết kế lại nếu thay đổi các vị trí kết nối mạng

Trong các công nghệ của mạng băng rộng không dây trong hệ mạng vô tuyến

diện rộng WWAN thì công nghệ LTE là công nghệ mới nhất và có tiềm năng nhất

để trở thành chuẩn 4G, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất và cũng là công

nghệ mới

1.3 Sự ra đời của công nghệ LTE

Công nghệ tiến hóa dài hạn (LTE) ra đời đã đánh dấu một sự phát triển vượt

trội của mạng thông tin di động giúp cho người sử dụng dễ dàng trong việc trao đổi

dữ liệu, sử dụng các loại dịch vụ, cùng nhu cầu giải trí trên thiết bị di động ngày

càng tăng

Công nghệ LTE là thế hệ mới nhất trong dòng phát triển của hệ mạng vô tuyến

diện rộng WWAN Với công nghệ này sẽ đem lại cho người sử dụng cảm thấy rất

tiện lợi và tiết kiệm thời gian cho việc truyền tải dữ liệu LTE có khả năng cung cấp

cho người dùng tốc độ truy nhập dữ liệu siêu tốc, nó cho phép các trung tâm viễn

thông có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền

tảng IP tối ưu và đặc biệt thuận tiện cho việc nâng cấp mạng từ hệ thống thông tin

di động thứ 3 (3G) lên hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) 4GTE là một chuẩn

cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dầng cho điện thoại di động và các

thiết bị đầu cuối dữ liệu Nó dựa trên công nghệ mạng GSM/EDGE (Hệ thống

truyền thông di động toàn cầu/Tốc độ dữ liệu cải tiến để phát triển) và

UMTS/HSPA (Hệ thống viễn thông di động toàn cầu/Truy nhập gói tốc độ cao)

LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới vã một loạt các giải pháp công nghệ

như lập lịch phụ thuộc vào kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu Công nghệ LTE được

chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP 3GPP là một tổ chức với nhiệm vụ chuẩn hóa các

công nghệ mạng thông tin di động tế bào Tổ chức 3GPP được thành lập từ năm

1998 với mục đích ban đầu là chuẩn hóa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) dựa trên sự

phát triển của mạng GSM và mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu (UTRAN)

Sau đó 3GPP đảm nhiệm luôn việc duy trì và phát triển chuẩn GSM, GPRS và

EDGE [2]

LTE là thế hệ thứ 4 tương lai tiếp theo của chuẩn UMTS (hệ thống 3G của

châu Âu được gọi là UMTS, UMTS phát triển mạnh ở châu Âu và một phần ở châu

Á trong đó có Việt Nam) do tổ chức 3GPP phát triển Chuẩn UMTS được phát triển

lên từ các nước sử dụng GSM Bên cạnh đó chuẩn UMTS sử dụng băng tần khác

hoàn toàn so với GSM Tại Việt Nam, hệ thống mạng GSM hỗ trợ phát sóng tín

hiệu song song trên 2 băng tần GSM là 900/1800 MHz, còn UMTS sử dụng băng

tần 2100 MHz Sau đây là kiến trúc mạng LTE

Hình 1.10 Kiến trúc mạng LTE

Để đạt được các mục tiêu đề ra công nghệ LTE cần có một số tính năng và

yêu cầu sau:

- Tốc độ tức thời với 20MHZ

- Tải xuống 100Mbps, tải lên 50Mps

- Dung luợng dữ liệu truyền tải của một người sử dụng trên 1MHZ so với

mạng HSDPA Rel 6

- Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên gấp 2 đến 3 lần

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao 0-15km/h Vẫn hoạt động

tốt với tốc độ 15-120km/h Vẫn duy trì hoạt động khi thuê bao di chuyển

120-350km/h(thậm chí 500km/h tùy băng tần)

- Băng tần sử dụng : LTE có thể được triển khai ở nhiều băng tần khác nhau

như: 700Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz, 2300Mhz…

Độ dài băng thông linh hoạt : Có thể hoạt động với các băng tần 1.4Mhz, 3Mhz,

5Mhz, 10Mhz, 15Mhz và 20Mhz Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng lên và băng

xuống bằng hoặc không

- LTE cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn cả đường lên và đường xuống

- Ngoài làm tăng tốc độ số liệu thực LTE còn làm giảm trễ gói

- Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng cường tốc độ số liệu.Các kỹ

thuật vô tuyến như kỹ thuật anten MIMO

- Môi trường toàn IP LTE là sự dịch chuyển tới mạng lõi với giao diện mở và

kiến trúc đơn giản hóa

Kết luận chương

Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về mang viễn thông đi tìm hiểu đăc điểm,

ứng dụng, ưu điểm nhược điểm của từng công nghệ như tốc độ bit, khả năng di

chuyển và các phương pháp, kỹ thuật sử dụng cho mỗi mạng di động từ đó so sánh

các công nghệ với nhau để thấy những ưu điểm nổi bật của từng công nghệ đặc biệt

mạng WWAN nổi bật công nghệ LTE cho mạng thông tin di động 4G

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN VÀ KIẾN TRÚC HỆ THỐNG LTE

Trong chương hai này chúng tôi sẽ trình bày các vấn đề liên quan đến công

nghệ LTE như: tại sao LTE lại đạt đựơc tốc độ cao như vậy? Tính linh hoạt về phổ

của LTE và khả năng liên kết với các thế hệ trước như GSM hay UMTS

2.1 Hệ thống truyền dẫn đường xuống OFDMA

Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE sử dụng phương thức đa truy nhập

phân chia tần số trực giao đa sóng mang (OFDMA) - một biến thể của ghép kênh

phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Vì OFDM là kĩ thuật truyền dữ liệu tốc độ

cao bằng cách phân chia các sóng mang con trực giao Còn OFDMA là phương

pháp đa truy nhập vào kênh truyền OFDM Do đó để hiểu rõ về OFDMA, trước hết

phải hiểu về OFDM

2.1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Trong một hệ thống OFDM phổ tần sẵn có sẽ được chia thành nhiều sóng

mang, được gọi là các sóng mang con Mỗi sóng mang con được điều chế độc lập

bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng

mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa

đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do

việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng

thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa

các sóng mang ICI Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ

thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng

mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong

kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang,

nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau [3]

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng

mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ

trong OFDM Một ưu điểm rất đáng chú ý trong việc tiết kiệm băng thông đang rất

được quan tâm Hình vẽ sau đây sẽ minh họa cụ thể:

Hình 2.1 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM

OFDM khác với ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) ở nhiều điểm:

- FDM: Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh sẽ truyền trên một

tần số khác nhau, sử dụng FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên

không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác

- OFDM: Tất cả các sóng mang con trong OFDM được đồng bộ cả về thời

gian và tần số với nhau, do đó việc kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang dễ

dàng hơn Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây

can nhiễu giữa các sóng mang ICI do bản chất trực giao của điều chế Với FDM

những tín hiệu truyền phải cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để

ngăn ngừa can nhiễu, nhưng điều này sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Tuy nhiên

với OFDM sự trực giao giữa những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải

thiện hiệu quả phổ Hình 2.2 là là sơ đồ của 01 hệ thống OFDM

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống OFDM

- Khối sắp xếp: Đầu tiên dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ

liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song Mỗi dòng dữ

liệu song song sau đó được được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp

- Khối chèn Pilot: Sử dụng pilot là dùng để ước lượng, cân bằng kênh truyền,

và đồng bộ phía thu Mục đích của việc truyền thông tin là sao cho truyền được

càng nhiều thông tin càng tốt, do đó việc sử dụng pilot càng ít càng tốt Tín hiệu

OFDM gồm miền thời gian và miền tần số nên ta có thể chèn pilot theo miền thời

gian, tần số hoặc cả hai Việc quyết định chèn pilot theo phương thức nào còn phụ

thuộc vào môi trường truyền dẫn biến đổi như thế nào

- FFT/IFFT trong OFDM: Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của

khối biến đổi rời rạc ngược IDFT sử dụng thuật toán IFFT (biến đổi Fourier ngược

nhanh) Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh

trong miền tần số Như đã biết, OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang,

trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit

thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu

giữa các ký tự Tuy nhiên, điều bất lợi là một số sóng mang cần có một máy phát

sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó, điều này là không thể chấp

nhận được khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi công hệ thống Nhằm giải

quyết vấn đề này, thuật toán IDFT/DFT (biến đổi fourier rời rạc) có vai trò giống

như hàng loạt các bộ điều chế và giải điều chế 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:

(

N n

j N kn

e n x k

X  , k = 0, 1, …, N-1 (2.1) Công thức của phép biến đổi IDFT là :

N k

j N

N kn

e k X n

Chuyển đổi Fourier nhanh( FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT

nhanh và gọn hơn

Ngoài ra FFT còn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ

- Khoảng bảo vệ: Khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI

do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường

Hình 2.3 Sơ đồ khoảng bảo vệ

Để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu này tới chất lượng của tín hiệu tại phía thu,

người ta đưa ra phương án chèn vào phía trước mẫu tín hiệu OFDM (độ dài Ts) một

chuỗi bảo vệ có độ dài là Tg Khi đó mẫu tín hiệu của chúng ta tại phía phát sẽ có

độ dài la Ts+Tg Đối với khoảng bảo vệ ta có 2 phương án:

- Phương án 1: Không chèn gì cả, tức là để trống một khoảng có độ dài Tg

trước mẫu tín hiệu OFDM Khi đó chúng ta có thể loại bỏ được nhiễu liên ký tự

ISI Thế nhưng, với mỗi sự thay đổi đột ngột của dạng sóng sẽ chứa đựng những

thành phần phổ cao, từ đó sẽ gây ra nhiễu ISI Khi đó tín hiệu nhận được có thể sẽ

không tốt

- Phương án 2: Chèn vào trong khoảng bảo vệ một chuỗi có giá trị chính là

một phần đuôi của mẫu tín hiệu OFDM (được gọi là Cyclic Prefix) Khi đó, chúng

ta vừa loại bỏ được nhiễu liên ký tự ISI, vừa không làm thay đổi dạng sóng hình sin

của tín hiệu cho nên sẽ không có nhiễu Inter-Subcarrier Interference [4]

Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi

lên tần số cao để truyền trên các kênh Có thể sử dụng một trong hai hai kỹ thuật

điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" và "số" Tuy nhiên hiệu năng của điều

chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các

kênh I và Q

a)

b) Hình 2.4.a) Điều hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật

chế cao tần tín tương tự b) Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần

cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có thể bị các nguồn nhiễu gây ảnh

hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được

tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời

gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó tín hiệu

sẽ được đưa vào khối ước lượng kênh, đây là bước rất quan trọng quyết định tới

chất lượng của hệ thống Để chọn được các tham số phát phù hợp cho lần truyền

dẫn tiếp theo cần phải ước lượng tương đối chính xác hàm truyền của kênh trong

suốt khe thời gian của hàm truyền tiếp theo Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được

sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng

dữ liệu nối tiếp ban đầu Hình 2.5 là sơ đồ thời gian-tần số của OFDM:

Hình 2.5 Sơ đồ thời gian-tần số của tín hiệu OFDM

2.1.2 Sự trực giao

Các tín hiệu sẽ trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Trực

giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu được truyền một cách hoàn hảo trên kênh

truyền và được tách ra ở máy thu mà không gây nhiễu xuyên kênh Mất đi tính trực

giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau, đầu thu khó khôi

phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu và làm giảm chất lượng tín hiệu Đối với

hệ thống đa sóng mang trong OFDM, tính trực giao đạt được bằng cách chia các tín

hiệu mang thông tin riêng biệt vào mỗi sóng mang thành phần khác nhau Tín hiệu

OFDM bao gồm các hàm sin cơ bản, mỗi hàm tương ứng với một sóng mang Tuy

nhiên, cũng có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của

chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà gây can

nhiễu giữa các sóng mang Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực



 │ (2.4)

Mật độ phổ công suất của sóng mang con i( ) t được biểu diễn như hình 2.6:

Hình 2.6 Mật độ phổ công suất của sóng mang con Ψi(t)

Trong đó phổ có một đỉnh tại tần số trung tâm và các điểm 0 tại các tần số biên

tương ứng với các bội số tốc độ của dãy symbol đưa vào điều chế

Hai sóng mang nằm kề nhau trên trục tần số có phổ “trực giao” khi chúng

thỏa mãn điều kiện:

K với n = m

 Ψn(t).Ψ٭m(t)dt = (2.5)

0 với n ≠ m

Với *(t) là ký hiệu của liên hợp phức của (t) Ts là chu kỳ ký hiệu K là

hằng số Xét ví dụ hai hàm số có tần số liên tiếp trực giao:

j n m a j n m

a T

j n m t a

định sẽ rơi vào điểm “0” của sóng mang con khác Sau đây sẽ là hình vẽ minh họa

phổ của 2 sóng mang trực giao:

Hình 2.7 Phổ biên độ của 2 sóng mang có tần số trực giao

Đối với n sóng mang trực giao thì phổ của nó sẽ có dạng:

Hình 2.8 Phổ biên độ của n sóng mang có tần số trực giao

Các sóng mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không

gây ra nhiễu giữa các sóng mang ICI do tính trực giao giữa chúng được đảm bảo

Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi

con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với

tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự ISI, của hiệu

ứng trễ trải đều được giảm bớt Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân

bằng ở phía thu

Hình 2.9.a) Tác động của nhiễu đến hệ thống đơn;

b).Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang

Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc

tần số và nhiễu băng hẹp Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu

cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu Nhưng đối với hệ thống đa sóng

mang của OFDM, khi có nhiễu thì chỉ một phần nhỏ của những sóng mang con bị

ảnh hưởng, và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phương pháp mã hoá sửa sai

2.1.3 Các kĩ thuật điều chế trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhị phân Do đó, điều

chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc

hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ

vào M và số phức d n = a n + b n ở ngõ ra Các kí tự a n , b n có thể được chọn là {±

1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK

Bảng 2.1 Các dạng điều chế của OFDM

Trong một hệ thống OFDM quá trình điều chế số, đối với điều chế BPSK,

cặp các tín hiệu s 1 (t), s 2 (t) được sử dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là “0” và

2

c b

E b : Năng lượng của 1 bit

θ (t) : Góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế

θ : Góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không

ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0

i = 1 : tương ứng với symbol 0

i = 2 : tương ứng với symbol 1

Mỗi cặp sóng mang hình sin đổi pha 1800

như trên được gọi là các tín hiệu đối cực

Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

( )t 2cos(2 f t c ); 0 t T b

    (2.12) Khi đó: S t1( ) E b( )t (2.13)

S t2( )  E b( )t (2.14)

Hình 2.10 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với

hai điểm bản tin ( M=2) : S 1 = E b , S 2 = - E b như hình 2.10

2.1.3.2 Điều chế QPSK

Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn

Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:

T t t

t T

E t

) ) ( 2 cos(

.

2 )

(2.15)

Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0 và

4)12()

- i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"

- T= 2.Tb ( Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)

- E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự

Khai triển s(t) ta đƣợc:

0

;

) 0

( ) 2 sin(

4 )]

1 2 sin[(

2 ) 2 cos(

] 4 ).

1 2 cos[(

0

2 )

T t t

f i

T

E t

f i

T

E t

Φ1( )   2 sin( 2 c ) 0   (2.17)

T t

4 ) 1 2 cos[(

) ( ] 4 ) 1 2 sin[(

) ( )

i E

t i

E t t

Vậy, bốn bản tin ứng với các vector đƣợc xác định nhƣ sau:

)4,3,2,1(4

)12cos[(

]4)12sin[(

E

i E

Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK

trong tín hiệu không gian đƣợc cho trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Thông số của điều chế QPSK

vào

Pha của tín hiệu QPSK

Điểm tín hiệu

Si

Tọa độ các điểm bản tin

Mức “1” thay đổi vào  E, còn mức logic “0” thì biến đổi vào E Vì

cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng

Hình 2.11 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK

2.1.3.3 Điều chế QAM

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp

với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại

này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta

được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang

QAM Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha Điều chế

QAM có ưu điểm là có thể tăng được dung lượng truyền dẫn số Dạng tổng quát

của điều chế QAM (m-QAM) được xác định như sau:

T

E t

f a

T

E t

Trong đó:

- E 0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

- a i , b i : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin

Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập

hợp bản tin tín hiệu rời rạc Vì thế có tên là "điều chế tín hiệu vuông góc"

Có thể phân tích S i (t) thành cặp hàm cơ sở:

T t

T t

Φ2( ) 2 isin(2 c. ) 0  (2.23)