Nghiên cứu giải pháp gạt nhiễu trong mạng 4g

1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG






Nguyễn Hồng Dương


NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GẠT NHIỄU TRONG MẠNG 4G


Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ




HÀ NỘI - 2011
2


Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Dư Đình Viên


Phản biện 1: …………………………………………………………


Phản biện 2: ………………………………………………………


Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông











3

MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một lĩnh vực phát triển rất nhanh và mang
lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Hiện nay trên thị trường viễn thông đang có sự
phát triển vượt bậc của các công nghệ thông tin di động với 2,5G, 3G.
Mặc dù các hệ thống thông tin di động 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng
các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã tiến hành triển khai thử nghiệm và đã
chuẩn hóa chuẩn di động 4G. Công nghệ 4G mang lại những tiện ích vượt trội cho người
dùng mọi lúc, mọi nơi kể cả khi đang di chuyển với tốc độ cao. Đó chính là điểm khác biệt
giữa mạng di động thế hệ thứ ba (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Tuy vẫn còn khá
mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác
biệt so với các mạng di động 3G hiện nay.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu về nhiễu và các biện pháp gạt nhiễu trong mạng
4G. Nội dung luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan mạng 4G.
Chương 2: Nhiễu trong mạng 4G.
Chương 3: Giải pháp gạt nhiễu trong mạng 4G.
Kết luận: Tóm tắt kết quả nghiên cứu, các đề xuất, kiến nghị.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠNG 4G

1.1 Giới thiệu chương.
Để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng mọi nơi (anywhere), mọi lúc (anytime), mọi
dịch vụ (anyservice), mạng di động thế hệ thứ tư – 4G (Fourth Generation) đã được đề xuất
nghiên cứu và triển khai. Chương này trình bày tổng quan về mạng 4G, tiêu chuẩn chất
lượng mạng 4G và các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống.
1.2. Tổng quan mạng 4G.
Mạng 4G có băng thông rộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, chuyển giao nhanh hơn và
không gián đoạn, cung cấp dịch vụ liên tục giữa các hệ thống và các mạng.
Mạng 4G bao gồm tất cả các hệ thống của các mạng khác nhau, từ mạng công cộng
đến mạng riêng, từ mạng băng rộng có quản trị mạng đến mạng cá nhân và các mạng adhoc.
Các hệ thống 4G sẽ hoạt động kết hợp với các hệ thống 2G và 3G cũng như các hệ thống
phát quảng bá băng rộng khác. Thêm vào đó, mạng 4G là mạng Internet di động hoàn toàn
dựa trên IP.
Các đặc điểm nổi bật của công nghệ 4G là:
1.2.1. Hỗ trợ lưu lượng IP
Sự xuất hiện của dịch vụ VoIP cho thấy việc truyền thoại có thể dễ dàng thực hiện
qua mạng IP chuyển mạch gói. Kiến trúc mạng 4G được xây dựng với mục tiêu cung cấp
dịch vụ IP chất lượng cao.
1.2.2. Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau
Trong các hệ thống 4G, sử dụng nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau. Xu
hướng hiện nay là sử dụng phổ tần trong băng tần không cần cấp phép ISM (Industrial,
scientific and medical radio bands): công nghệ Bluetooth (IEEE 802.15.1), tiêu chuẩn IEEE
802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g. Nút mạng 4G có thể thích ứng các khả năng để khai
thác một cách hiệu quả cả các dải tần còn trống.

1.2.3. Hỗ trợ tính di động tốt
Trong các hệ thống 4G, người dùng sẽ di động trong một vùng có kích thước đáng kể
và giao tiếp thông qua các thiết bị đầu cuối vô tuyến. Người dùng phải có khả năng liên lạc
bằng một số nhận dạng duy nhất. Như vậy, mạng 4G sẽ phải có một phương tiện phù hợp để
5

nhận dạng người dùng và cho phép người dùng điều khiển số nhận dạng và thực hiện ánh xạ
một cách hiệu quả đến điểm đích chung.
1.2.4. Không cần liên kết điều khiển
Trong trường hợp của băng tần ISM thì có thể lập mạng Adhoc từ một nhóm nút, cho
phép các nút giao tiếp trực tiếp với nhau, thậm chí các nút có thể cộng tác với nhau, chuyển
tiếp lưu lượng của nhau.
1.2.5. Hỗ trợ bảo mật đầu cuối – đầu cuối
Trong các mạng 4G, yêu cầu về bảo mật lớn hơn rất nhiều so với mạng 3G do mạng
4G có kiến trúc mở. Do đó cần phải có một môđun bảo mật tích hợp để bảo vệ dữ liệu giữa
các mạng khác nhau và hơn nữa là một mô hình bảo mật để bảo vệ nhiều thực thể. Các nút
di động và cố định sẽ tương tác với nhau không cần liên hệ với điều hành mạng. Các giao
thức và thủ tục phải có khả năng cho phép người dùng trong các nút mạng này nhận thực đủ
thông tin để nhận dạng người dùng và có thể kết nối. Đây chính là tính năng bảo mật đầu
cuối – đầu cuối.
1.3. Tiêu chuẩn chất lượng hệ thống mạng 4G
Bảng 1.1 liệt kê các yêu cầu của IMT – Advanced đặt ra bởi ITU:
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn IMT – Advanced [1]
Hạng mục Tiêu chuẩn IMT - Advanced
Peak Data Rate (Downlink) 1 Gbps
Peak Data Rate (Uplink) 500 Mbps
Cấp phát phổ tần > 40 MHz
Độ trễ (User Plane) 10 ms
Độ trễ (Control Plane) 100 ms
Hiệu suất phổ đỉnh (Downlink) 15 bps/Hz (4x4)

Hiệu suất phổ đỉnh (Uplink) 6,75 bps/Hz (2x4)
Hiệu suất phổ trung bình (Downlink) 2,2 bps/Hz (4x2)
Hiệu suất phổ trung bình (Uplink) 1,4 bps/Hz (2x4)
Hiệu suất phổ tại biên tế bào (Downlink)

0,06 bps/Hz (4x2)
Hiệu suất phổ tại biên tế bào (Uplink) 0,03 bps/Hz (2x4)
Khả năng di chuyển Tới 350 km/h
1.4. Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống
6

1.4.1. Kết hợp băng thông
Giải pháp này nhằm mục đích đạt được yêu cầu về tốc độ dữ liệu đỉnh (peak data
rate). Việc kết hợp băng thông 100MHz có tương lai không chắc chắn lắm do chi phí phát
sinh và sự phức tạp đối với UE. Việc kết hợp băng thông ở các kênh tần số 20 MHz là
phương án khả quan hơn vì dễ tìm kiếm phổ tần[12].
1.4.2. Hệ MIMO bậc cao và định hướng búp sóng
LTE phiên bản 8 hỗ trợ tới 4 máy thu và máy phát trên eNB, tới 2 máy phát và 4 máy
thu cho UE. Khả năng tăng độ lợi thu từ các hệ MIMO và từ điều khiển búp sóng
(beamsteering) là hàm của số lượng các ăngten. Đề xuất có thể tăng con số này của hệ thống
lên đến 8x8 với eNB và 4x4 cho UE. . Tại eNB, ăngten 4x đang được sử dụng. Nếu tăng lên
8x phải lắp đặt thêm một số thiết bị trên cột để tránh chi phí khi tăng thêm cáp. Sự tiêu hao
công suất của hệ thống MIMO cũng là một yếu tố cần phải xem xét. Một vấn đề nữa đó là
sự cân bằng thích hợp giữa số ăngten trên một sector và số sector trên một cell. Ngoài ra tại
UE, vấn đề chính với hệ MIMO bậc cao là không gian yêu cầu cho các ăng ten, có thể giải
quyết bằng sử dụng ăng ten trực giao.
1.4.3. Hệ MIMO phối hợp
Sự khác biệt giữa hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp được thể hiện trên
hình 1.1:

Hình 1.1: Hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp
Sự khác nhau rõ ràng nhất là ở hệ MIMO phối hợp, thiết bị phát không đặt gần nhau
về mặt vật lý. Hệ MIMO nhiều người dùng trong đường uplink cũng có các thiết bị phát độc
lập theo các UE khác nhau nhưng không có khả năng chia sẻ dữ liệu giữa các UE để phục
vụ mục đích phối hợp tiền mã hóa. Tình huống này có thể khả thi trong đường downlink vì
không thể chia sẻ dữ liệu băng gốc giữa các UE riêng biệt. Mặc dù hệ MIMO phối hợp
đường downlink là khả thi, nó cũng đặt ra thách thức mới cho việc truyền tin của inter-eNB
7

(giao diện X2). Có thể coi MIMO phối hợp là một dạng nâng cấp của kỹ thuật phân tập vĩ
mô (macro diversity) được dùng để chuyển giao mềm.
1.4.4. Sử dụng Relay
Một phương pháp khác để mở rộng vùng phủ sóng trong các điều kiện khó triển khai
là sử dụng relay [1].

Hình 1.2. Sử dụng Relay
Phương pháp đơn giản nhất là sử dụng một bộ lặp (repeater) làm nhiệm vụ nhận,
khuếch đại và truyền lại tín hiệu downlink và uplink để khắc phục tình trạng phủ sóng yếu.
Bộ lặp có thể đặt ở biên tế bào hoặc ở địa điểm nằm trong vùng phủ sóng yếu, chúng có thể
tăng vùng phủ sóng nhưng không tăng được dung lượng.
Các relay hiện đại hơn có thể giải mã sự truyền trước khi truyền lại chúng, giúp lựa
chọn đường truyền đến và từ UE đến trạm relay do đó giảm được can nhiễu.
Khái niệm trạm relay có thể áp dụng trong triển khai mật độ thấp nếu như sự thiếu
vắng của một đường backhaul thích hợp sẽ dẫn đến mạng di động không hoạt động được.
1.4.5. Mạng tự tối ưu hóa
Ngày nay các hệ thống thông tin di động tế bào ngày càng được tập trung và việc đưa
thêm các node vào mạng sẽ gây tốn kém về tài chính và thời gian. Một tính năng đang được
xem xét của LTE – Advanced là khái niệm “Mạng tự tối ưu hóa” (Self Optimizing Network
– SON). Lợi ích của nó là giúp giảm ảnh hưởng của việc đưa thêm các node mới vào mạng.
Các khái niệm này được đề cập đến ở phiên bản 8 và tiếp tục trong các phiên bản 9 và 10.

1.4.6. Sử dụng Femtocell
Một giải pháp hiệu quả cho việc nâng cao chất lượng dịch vụ là sử dụng “femtocell”
hay Home Node B (HNB) hoặc Home eNB. 3GPP làm việc với femtocell bao gồm cả trong
UMTS vẫn đang tiến triển ở phiên bản 8 và tiếp tục ở phiên bản 9 với Home eNB. Khả năng
xuất hiện femtocell trong công nghệ LTE ngay từ ban đầu là cao hơn so với việc đưa vào
8

một hệ thống đã tồn tại như UMTS hay GSM. Trên quan điểm triển khai vô tuyến, femtocell
hoạt động trên một diện tích nhỏ trong một cell lớn. Khái niệm femtocell về cơ bản khác
biệt so với relaying vì femtocell kết nối trở lại với mạng lõi được cung cấp cục bộ bởi một
đường kết nối Internet DSL có sẵn chứ ít khi kết nối qua không gian về macrocell. Phần lớn
femtocell được triển khai trong nhà nên có sự cách ly giữa femtocell và macrocell. Việc triển
khai femtocell/hotspot không phải là để cạnh tranh với micro/macro cell mà là để bổ sung,
đảm bảo chất lượng hệ thống.

Hình 1.3. Femtocell trong LTE
1.4.7. Điều phối và gạt nhiễu
Sự áp dụng công nghệ OFDMA vào hệ thống thông tin di động tổ ong (bắt đầu từ
802.16e và tiếp tục với LTE/SAE) đã làm thay đổi lớn về gạt nhiễu ở biên tế bào. Trong kỹ
thuật OFDMA khả năng lập lịch chọn tần với kênh truyền đã mở ra khả năng về tối ưu hóa
các thông số trong tế bào nhưng nhiễu đồng kênh trong tế bào trở nên biến đổi nhiều hơn.
Việc nghiên cứu các tác động của loại nhiễu này vẫn đang được tiến hành.
Phương pháp bảo vệ khỏi nhiễu của các tế bào trong hệ thống CDMA bằng cách làm
trắng nhiễu dựa trên mã trộn tần không khả dụng trên truyền tin OFDMA băng hẹp, làm
tăng nguy cơ xuất hiện nhiễu giữa các tín hiệu băng hẹp. Biện pháp khắc phục loại nhiễu
này bao gồm việc tạo ra một đường truyền ổn định bằng cách trải thông tin trên một sự cấp
phát rộng hơn. Các phương pháp khác để gạt nhiễu vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu.
1.5. Kết luận chương
Mạng 4G ra đời đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so với các mạng thế hệ trước.
Chương này đã trình bày những tiêu chuẩn của mạng 4G IMT – Advanced của ITU và đưa

ra một số giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống, trong đó có vấn đề gạt nhiễu. Trong
chương 2, chúng ta sẽ phân tích nhiễu trong hệ thống thông tin di động và nhiễu trong mạng
4G.
9

CHƯƠNG 2. NHIỄU TRONG MẠNG 4G
2.1. Giới thiệu chương
Các tín hiệu nhiễu trong mạng không dây có thể chia thành hai loại: nhiễu do hiện
tượng tự nhiên và nhiễu do con người. Trong chương này, chúng ta đi vào phân tích loại tín
hiệu nhiễu do con người gây ra, có thể can thiệp, điều khiển: nhiễu trong hệ thống thông tin
di động và nhiễu trong mạng 4G LTE – Advanced, đưa ra mô hình toán học của nhiễu và
nêu sự khác nhau giữa nhiễu trong mạng 4G và các mạng thế hệ trước.
2.2. Nhiễu trong mạng 4G
2.2.1. Nhiễu trong hệ thống thông tin di động
2.2.1.1.Nhiễu đồng kênh
Nhiễu đồng kênh được định nghĩa là tín hiệu nhiễu có cùng tần số sóng mang với tín
hiệu thông tin hữu ích. Với tổ chức tế bào và một quy luật tái sử dụng tần số được tính toán
nhằm hạn chế việc tín hiệu phát của các thiết bị sử dụng cùng kênh tần số ở các vị trí khác
nhau trong mạng gây can nhiễu lẫn nhau. Tuy nhiên vẫn tồn tại khả năng một BTS/MS thu
được tín hiệu của các MS/BTS ở ô khác trên cùng kênh tần số. Các tín hiệu không mong
muốn đó được gọi là nhiễu đồng kênh (CCI).
Nhiễu đồng kênh là loại nhiễu quan trọng có ảnh hưởng lớn cần quan tâm phòng
tránh để đảm bảo chất lượng của hệ thống thông tin di động tế bào.
2.2.1.2. Nhiễu kênh lân cận (Adjacent Channel Interference: ACI)
Nhiễu kênh lân cận có thể được chia thành: nhiễu trong băng (inband) và nhiễu ngoài
băng (out of band). Nhiễu trong băng là nhiễu có tần số trung tâm của tín hiệu nằm trong
dải thông của tín hiệu thông tin. Nhiễu ngoài băng là nhiễu có tần số trung tâm nằm ngoài
dải thông của tín hiệu thông tin.

Nếu so sánh ACI với CCI ở cùng một mức công suất của tín hiệu nhiễu, bao giờ ảnh

hưởng của ACI cũng yếu hơn.
2.2.1.3. Nhiễu xuyên điều chế (Intermodulation Interference)
Nhiễu xuyên điều chế (IMI) có ba dạng cơ bản: IMI do máy thu, IMI do máy phát và
IMI do các phát xạ khác.
2.2.1.4. Nhiễu giữa các ký hiệu (Intersymbol Interference)
Tín hiệu vô tuyến truyền lan từ máy phát đến máy thu qua nhiều đường khác nhau do
các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ… gọi là truyền lan đa đường, do khoảng cách từ máy phát
10

đến ăngten máy thu ở các đường truyền khác nhau là khác nhau cho nên các tín hiệu từ các
đường khác nhau đến ăngten thu không cùng một thời điểm. Hiện tượng này gọi là hiện
tượng trải trễ đường truyền. Ở đầu vào máy thu, các tín hiệu đến sau được coi như tín hiệu
can nhiễu của tín hiệu đến đầu tiên. Hiện tượng này gọi là ISI (Intersymbol Interference),
cần được loại bỏ trước khi tách sóng để đảm bảo chất lượng truyền dẫn.
2.2.2. Nhiễu trong hệ thống LTE – Advanced
2.2.2.1. Nhiễu giữa các người dùng

Hình 2.3. Nhiễu giữa các người dùng
Trong hình 2.3, tế bào phục vụ đồng thời cả hai UE sử dụng cùng tài nguyên thời
gian – tần số. UE1 nhận được dữ liệu và nhiễu của dữ liệu hướng đến UE2, tức là nhiễu
giữa các người dùng.
2.2.2.2. Nhiễu giữa các tế bào

Hình 2.4. UE ở biên tế bào ảnh hưởng bởi nhiễu từ tế bào bên cạnh
Trong hình 2.4, UE1 ở biên tế bào được phục vụ bởi cell 1 qua kênh H
1
(1)
và với ma
trận tiền mã hóa B
1

. UE1 bị ảnh hưởng bởi nhiễu giữa các cell, tức là nhiễu từ tế bào bên
cạnh cell 2 phục vụ UE2 với ma trận tiền mã hóa B
2
.
2.2.2.3 Nhiễu đồng kênh trong truyền SC FDMA uplink
Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single – carrier
frequency division multiple access: SC – FDMA) được lựa chọn cho uplink của chuẩn
LTE/LTE – Advanced.
11

Để nâng cao hiệu suất phổ tần, hệ số tái sử dụng tần số của 1 được sử dụng. Điều này
dẫn đến nhiễu đồng kênh mạnh từ các cell bên cạnh như hình 2.5.

Hình 2.5. Nhiễu đồng kênh trong đường uplink
Mô hình hệ thống được cho bởi hệ MIMO (N
r
x N
t
) với J người dùng, trong đó 1
người dùng mong muốn và J – 1 nguồn nhiễu, mỗi người dùng truyền tín hiệu qua N
t
= 1
ăng ten phát và tín hiệu được nhận bởi N
r
ăng ten như hình 2.6.

Hình 2.6. Mô hình nhiễu đồng kênh
2.2.2.4. Nhiễu do triển khai mạng không đồng nhất
Trong HetNets đồng kênh, tồn tại nhiều cấp độ của cell (ví dụ: macrocell, picocell,
femtocell) vận hành cùng thời điểm trong cùng băng tần, một UE có thể không thể truy
nhập cell mạnh nhất nhưng có thể kết nối tới các cell yếu hơn. Hai tình huống điển hình có
thể xảy ra là:
- Cell mạnh nhất là một femtocell với một nhóm thuê bao đóng (Closed Subscriber
Group: CSG).
- UE cần thiết phải kết nối tới một cell cụ thể để mở rộng vùng phủ sóng.
2.2.2.5. Biểu diễn toán học của nhiễu trong mạng 4G
Để biểu diễn nhiễu, người ta có thể dùng mô hình tạp âm lớp A. Mô hình tạp âm lớp
A là mô hình kinh điển, bất biến với nguồn nhiễu riêng biệt và kết hợp với các tham số định
12

lượng. Trên cơ sở mô hình tạp âm lớp A, ta có thể áp dụng xây dựng mô hình nhiễu trong
các trường hợp cụ thể.
2.3. Sự khác nhau giữa nhiễu trong mạng 4G và nhiễu trong mạng 3G, 2G
2.3.1. Sự khác nhau giữa mạng 4G và mạng 3G
2.3.1.1. Về tốc độ dữ liệu
Mạng 4G đã giải quyết được vấn đề giới hạn về tốc độ dữ liệu của mạng 3G với tốc
độ dữ liệu có thể đạt đến 1Gbps đối với người dùng tốc độ di chuyển thấp. Đây chính là
điểm khác biệt chính giữa mạng 4G và mạng 3G.
2.3.1.2. Về công nghệ chuyển mạch
Trong mạng 4G, toàn bộ sử dụng chuyển mạch gói trong khi mạng 3G vẫn kết hợp
chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Kiến trúc hạ tầng mạng 4G hoàn toàn dựa trên IP,
trong đó IPv6 là phiên bản với toàn bộ giao thức hệ thống sẽ điều hành các dạng chuyển
mạch khác nhau trong truyền dữ liệu. Chuyển mạch trong 4G tinh vi và phức tạp hơn nhiều
so với mạng 3G.
2.3.1.3. Về công nghệ truy nhập
Mạng 3G sử dụng kỹ thuật đa truy nhập WCDMA không phải là công nghệ truy

nhập phù hợp cho mạng băng rộng. Trong khi đó, mạng 4G sử dụng công nghệ OFDM là
công nghệ phù hợp với mạng băng rộng.
2.3.1.4. Về chất lượng dịch vụ
Chất lượng dịch vụ mạng 4G tốt hơn nhiều so với mạng 3G. Điều này có được nhờ
mạng 4G có băng thông rộng hơn, chất lượng của hệ thống IPv6 tốt hơn so với IPv4, quá
trình thu phát được cải thiện nhờ hệ MIMO dựa trên ăng ten thông minh.
2.3.1.5. Về quản lý tài nguyên
Quản lý tài nguyên trong mạng 4G tốt hơn nhiều so với mạng 3G nhờ sử dụng các kỹ
thuật thích nghi thông minh trong quản lý tài nguyên đem lại sự tối ưu hóa từ kỹ thuật điều
chế, mã hóa đến cấp phát băng thông.
2.3.2. Sự khác nhau giữa nhiễu trong mạng 4G và nhiễu trong mạng 3G
Trong mạng 3G UMTS giao diện vô tuyến dựa trên kỹ thuật CDMA sử dụng các hệ
số trải phổ biến đổi. Các chuỗi trải phổ có đặc tính tự tương quan kém do sự giảm hiệu năng
máy thu Rake gây ra bởi ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự. Trong khi đó, mạng 4G sử dụng
13

công nghệ OFDM do đó khắc phục được nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) nhờ khoảng bảo vệ
giữa các ký hiệu.
Khi triển khai mạng 4G có khả năng xảy ra nhiễu với mạng dịch vụ FWA (Fixed
Wireless Access: Truy nhập cố định không dây), hệ thống truyền hình kỹ thuật số, hệ thống
định vị toàn cầu.
Ngoài ra, trong hệ thống LTE – A còn có các loại nhiễu đặc thù do triển khai mạng
không đồng nhất.
2.4. Kết luận chương
Chương 2 tập trung nghiên cứu các loại nhiễu trong hệ thống thông tin di động nói
chung và nhiễu trong hệ thống 4G LTE – Advanced nói riêng, đưa ra mô hình toán học của
nhiễu theo mô hình ồn lớp A trong đó đi sâu vào nhiễu đồng kênh đường truyền SC –
FDMA uplink, là cơ sở để xây dựng giải pháp gạt nhiễu.

14

CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP GẠT NHIỄU TRONG MẠNG 4G

3.1. Giới thiệu chương
Các kỹ thuật gạt nhiễu có thể phân loại thành: kỹ thuật gạt nhiễu dựa trên bộ lọc và
kỹ thuật gạt nhiễu dựa vào tách sóng đa truy cập (Multiuser detection). Do trong mạng 4G
có rất nhiều loại nhiễu, trong khuôn khổ chương này chỉ tập trung nghiên cứu giải pháp gạt
nhiễu đồng kênh đường uplink SC – FDMA.
3.2. Giải pháp gạt nhiễu đường uplink SC – FDMA trong mạng 4G
3.2.1. Mô hình hệ thống

Hình 3.1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống
3.2.1.1.Kênh vật lý và tạo tín hiệu
Nguồn nhận các ký hiệu nhị phân được tạo ra từ các lớp cao hơn, bao gồm các ký hiệu
không nhớ với giá trị 0 hoặc 1.

Hình 3.2. Tạo ký hiệu thông tin
3.2.1.2. Cấu trúc SC – FDMA theo thời gian và tần số
15

SC – FDMA được lựa chọn cho đa truy nhập uplink trong LTE/LTE – A. Tín hiệu
được truyền trong 6 kênh băng tần từ 1,4 đến 20 MHz. Mỗi kênh được chia thành các băng
tần 15 kHz.
Mỗi khung có 20 khe, được đánh số từ 0 đến 19, mỗi khung kéo dài 0,5 ms cho
truyền song công truy nhập phân chia theo tần số (FDD). Hai khe liên tiếp tạo thành một
khung con. Thời gian của một khung là 1 ms gọi là thời gian truyền (TTI). Với truyền FDD,
tất cả các khe có thể mang tín hiệu kênh vật lý hoặc tín hiệu hoa tiêu. Với truyền song công
truy nhập phân chia theo thời gian (TDD) tình huống phức tạp hơn vì đường truyền uplink
và downlink sử dụng chung băng tần. Để đơn giản ở đây chỉ xét truyền FDD.
Khối tài nguyên (RB) là đơn vị được gán trong quá trình truyền tài nguyên đến các
kênh vật lý trong miền thời gian – tần số. Tất cả các khối tài nguyên trên băng tần khả dụng
của hệ thống tạo ra lưới tài nguyên. Số khối trong lưới tài nguyên có phạm vi từ 6 (với các
kênh 1,4 MHz) đến 100 (với các kênh 20 MHz). Trong miền thời gian, mỗi khe uplink mang
6 đến 7 ký hiệu SC – FDMA.
Một ký hiệu SC – FDMA gồm hai phần: các mẫu phức đầu ra của IDFT và một tiền
tố vòng CP. Trong một kênh vật lý chia sẻ đường uplink (PUSCH), tín hiệu tham chiếu giải
điều chế (DMRS) (được sử dụng để ước lượng kênh cho giải điều chế nhất quán) được chèn
vào phần tử tài nguyên thứ 4 của mỗi sóng mang con truyền trong một khối tài nguyên.
Trong trường hợp cell lớn, người ta sử dụng các khe với 6 ký hiệu để giảm nhiễu liên
ký tự ISI do quá trình trải trễ đa đường. Các cell này cần tiền tố lặp tương đối dài, gọi là một
tiền tố lặp mở rộng. Các cell nhỏ hơn sử dụng các khe với 7 ký hiệu và yêu cầu tiền tố bình

thường.
3.2.1.3. Mô hình kênh
Phân bố năng lượng tức thời của đáp ứng xung của người dùng mong muốn và các
nguồn nhiễu được tạo ngẫu nhiên. Ở đây, mô tả kênh ITU – đi bộ B được sử dụng.
Quá trình nhân chập được mô tả bởi ma trận nhân chập:


   
   
   
,
, ,
,
, ,
, ,
0 0 0 0
0 0 0
(3.1)
0 0 0
0
0 0 0
j
j h j
j
j h j
j h j
h
h q h
h q h
h q h


 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
H
     
 
 
    
 

16

Quá trình truyền có thể được mô tả trong dạng ma trận và vec tơ như sau:
, , ,
1
(3.2)
J

c j c j
j
d
  

 

r H n
trong đó

n
là vec tơ tạp âm và
,
c

r
là các ký hiệu thu được, như sau:
   
0 1 1 (3.3)
T
cp
n n n M l
   
 
 
  
 
 
n

3.2.1.4. Cấu trúc bộ phát SC – FDMA

Hình 3.8. Cấu trúc bộ phát SC – FDMA
Trước hết, ký hiệu đầu vào


j
a k
được xử lý bằng phép biến đổi DFT, chuyển các ký
hiệu từ miền thời gian sang miền tần số bằng cách thực hiện phép nhân với ma trận DFT N x
N . Sau biến đổi DFT các ký hiệu


j
a k
từ miền thời gian sang miền tần số, các sóng mang
phụ sẽ được sắp xếp cho vec tơ
j
D
. Quá trình biến đổi IDFT thu được tín hiệu
j
d
, trước khi
truyền đi được chèn tiền tố lặp.
3.2.1.5. Cấu trúc bộ thu SC – FDMA
Bộ thu SC – FDMA có cấu trúc như hình 3.14:

Hình 3.14. Bộ thu SC – FDMA
Các khối của bộ thu thực hiện các quá trình ngược so với phía phát. Toàn bộ chuỗi quá
trình xử lý SC – FDMA của hệ thống có thể mô tả bằng phương trình:

,
1
(3.21)
J
H H H H H
out j in j out
j
  

 

u V K WP H P W KVa V K WP n
3.2.1.6. Điều chế giải sắp xếp và giải mã
Quá trính xử lý sau truyền SC – FDMA được cho trên hình 3.16:

Hình 3.16. Quá trình xử lý sau truyền SC – FDMA
17

Đầu ra của SC – FDMA, ký hiệu

u
là đầu vào của bộ cân bằng. Sau khi ra khỏi bộ
lọc, ký hiệu được truyền đến bộ giải sắp xếp mềm (Soft – Demapper) và được biến đổi thành
tỉ lệ hợp lý lôgarit (LLR).
Sau khi giải sắp xếp mềm, đầu ra được giải xen bit và giải mã để gỡ bỏ dư thừa và khôi
phục bit thông tin.
3.2.1.7. Kênh vòng
Trong mục này, ta tiến hành làm đơn giản hóa xử lý tín hiệu SC – FDMA và đề cập
đến kênh vòng tương đương
, ,

equ j
H

.
Quá trình xử lý tín hiệu SC – FDMA có thể xem là:
, , ,
1
(3.34)
J
equ j j equ
j
  

 

u H a n

3.2.2. Tín hiệu tham chiếu đường uplink
Trong đường uplink, với quá trình truyền SC – FDMA, tín hiệu tham chiếu được chèn
để giải điều chế dữ liệu và dò kênh. Trong đường uplink cần hai loại tín hiệu tham chiếu:
- Tín hiệu tham chiếu giải điều chế
- Tín hiệu tham chiếu dò kênh
Ở đây chúng ta chỉ xem xét tín hiệu tham chiếu giải điều chế, liên quan đến quá trình
truyền trên PUSCH.
3.2.2.1.Tạo chuỗi tín hiệu tham chiếu
Các tín hiệu tham chiếu uplink phần lớn dựa trên chuỗi Zadoff – Chu[1]. Chuỗi tín
hiệu tham chiếu





,u v
r n

được định nghĩa bởi sự dịch vòng

của chuỗi cơ sở


,u v
r n
với:




, ,
,0 (3.35)
j n RS
u v u v sc
r n e r n M


  

trong đó
RS
sc
M
là độ dài của chuỗi tín hiệu tham chiếu. Chuỗi tín hiệu tham chiếu có thể nhảy

chuỗi hoặc nhảy nhóm.
3.2.2.2. Giải điều chế tín hiệu tham chiếu cho PUSCH
Chuỗi tín hiệu tham chiếu giải điều chế r
PUSCH
(.) cho PUSCH được cho bởi:






,
. (3.46)
PUSCH R S
sc u v
r m M n r n

 

trong đó m = 0,1, n = 0,1, ,
RS
sc
M
- 1 và
RS PUSCH
sc sc
M M .
Các tham số u và v đã biết,  là độ dịch vòng (CyclicShift).
18

Dịch vòng  trong khe n
s
được định nghĩa là  = 2n
cs
/12 với
   
 


1 2
mod12 (3.47)
cs DMRS DMRS PRS s
n n n n n  

3.2.3.Thiết kế bộ lọc
Quá trình lọc tiến hành trong miền thời gian, sau SC – FDMA được minh họa trên hình
3.20.

Hình 3.20. Mô hình cân bằng trong miền thời gian hệ thống SC – FDMA
3.2.3.1. Bộ lọc tuyến tính MMSE
Thuật toán của bộ lọc tuyến tính MMSE (Minimum Mean Square Error: trung bình
bình phương lỗi nhỏ nhất) dựa trên mô hình hệ thống đơn giản hóa trên hình 3.21.

Hình 3.21. Mô hình hệ thống đơn giản hóa
Mô hình trên có thể biểu diễn bởi phương trình:
, ,1 1 , ,2 2 ,
1
(3.49)
r
N

equ equ equ
  


  

u H a H a n

Nghiệm MMSE cho gạt nhiễu đồng kênh:


1 1 2 2 1 1
1
, ,1 , ,1 , ,2 , ,2 , ,1
(3.60)
H H
tu equ a a equ equ a a equ nn equ a a
    


  f H Φ H H Φ H Φ H

trong đó:
, ,1
equ

H là ma trận kênh vòng tương đương của người dung,
1 1
a a
Φ

là hàm tự tương
quan của người dùng ,
, ,2
equ

H là ma trận kênh vòng tương đương của nguồn nhiễu,
2 2
a a
Φ là
19

hàm tự tương quan của nguồn nhiễu,
nn
Φ
là hàm tự tương quan của tạp âm,
1 1
a a

là vec tơ tự
tương quan.
3.2.3.2 Bộ lọc thích nghi
a. Bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ nhất
Bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ nhất (LS) không cần thống kê đầu vào của bộ lọc
mà dựa trên tín hiệu hoa tiêu được chèn vào trong dữ liệu truyền đi. Trên quan điểm tính
toán, phương pháp bình phương nhỏ nhất là quá trình xử lý khối, trong đó bộ lọc bình
phương tối thiểu được thiết kế bởi quá trình xử lý khối dữ liệu đầu vào. Bộ lọc đáp ứng với
dữ liệu không cố định nhờ lặp lại quá trình tính toán và cập nhật hệ số của bộ lọc.
b. Bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ nhất nhân quả
Một bộ lọc nhân quả tức là đầu ra bộ lọc chỉ phụ thuộc vào đầu vào trong quá khứ và
hiện tại.

Nghiệm bình phương nhỏ nhất của gạt nhiễu đồng kênh là:


 
1
1 1 2 2 1 1 2 2
(3.70)
H H

  f Ω Ω Ω Ω Ω p Ω p

*
(3.71)
tu
f f

trong đó (.)
*
là ký hiệu số phức liên hợp,
1
Ω
,
2
Ω
là các ma trận hoa tiêu,
1
p
,
2
p

lần lượt là các
vec tơ hoa tiêu trong khe 1, 2.
c. Bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ nhất không nhân quả
Trong thực tế, khi xem xét đến vấn đề chi phí, lọc với chiều dài bộ lọc lớn quá phức
tạp. Do đó cần phải xem xét độ dài nhỏ nhất có thể của bộ lọc nhằm mục đích đảm bảo hiệu
năng ở mức chấp nhận được với độ dài bộ lọc nhỏ.
Độ trễ quyết định  nghĩa là vec tơ dữ liệu đầu vào không chỉ bao gồm dữ liệu trước
ký hiệu (cần phải xác định) mà gồm cả dữ liệu sau ký hiệu cần phải xác định. Bộ lọc như
vậy được gọi là bộ lọc không nhân quả.
Nghiệm của giải pháp bình phương nhỏ nhất với trễ cho gạt nhiễu đồng kênh là:


 
1
1 1 2 2 1 1 2 2
(3.74)
H H

     
  f Ω Ω Ω Ω Ω p Ω p

*
(3.75)
tu
f f

trong đó
tu
f
là hệ số bộ lọc tối ưu.

d. Lọc thích nghi JLS (Joint Least Square) với bộ lọc không nhân quả
20

Sự kết hợp của thuật toán lọc thích nghi dựa trên hoa tiêu và kỹ thuật cân bằng mù
thích nghi được gọi là cân bằng “Joint Least Square” (JLS).
Để có dữ liệu trong thiết kế bộ lọc cần phải có dữ liệu phản hồi.
Với các ký hiệu phản hồi


1
ˆ
a k
, ta có ma trận dữ liệu nhận và sử dụng chúng cùng
với ma trận hoa tiêu nhận để xác định hệ số bộ lọc và hệ số của bộ lọc JLS được cho bởi:
1
2 1 2 1
, , , 1
1 1 1 1
ˆ
(3.76)
H H
x x d d x x d
x d x d
a

 
  
   
   
  

   
   
   
f Ω Ω D D Ω p D
 

*
(3.77)
tu
f f

trong đó
d
D
là ma trận dữ liệu nhận,

là vị trí của ký hiệu dữ liệu SC – FDMA trong khung
thứ cấp.
Bộ lọc thích nghi JLS về nguyên tắc có hiệu năng cao hơn bộ lọc thích nghi bình
phương nhỏ nhất. Tuy nhiên, vì với mỗi ký hiệu hệ số bộ lọc cần phải cập nhật một lần, bộ
lọc thích nghi JLS phức tạp hơn nhiều so với bộ lọc thích nghi bình phương nhỏ nhất.
3.2.4. Thuật toán nghịch đảo ma trận
Đối với hệ số của bộ lọc trong phương pháp bình phương nhỏ nhất, cần thực hiện
nghịch đảo ma trận trong tính toán. Do đó cần phải có phương pháp lấy nghịch đảo ma trận
ít phức tạp.
Phương trình tính nghịch đảo ma trận:









1 2 1 2
1 1
1 1
1 1
1 1 2 2
(3.84)
H H H H H
ktc
 
 
 
   
         R Ω Ω Ω Ω V V V V V V

trong đó
1


là ma trận đường chéo với các giá trị riêng của
1

nằm trên đường chéo chính
và
2



là ma trận đường chéo với các giá trị riêng của
2

nằm trên đường chéo chính.
Đối với ma trận đồng nhất,
1
H


V V





1 2
1
1
1
1 1 2 2
(3.85)
H H H
ktc



 
     R Ω Ω Ω Ω V V
Ta có thể dễ dàng nhận thấy nhờ việc áp dụng phương pháp tìm ma trận nghịch đảo
này, độ phức tạp trong tính toán giảm đi đáng kể.

3.2.5. So sánh các bộ lọc
Hình 3.30 thể hiện sự so sánh hiệu năng các bộ lọc không nhân quả MMSE, LS và
JLS theo độ dài bộ lọc.
21


Hình 3.30. Hiệu năng các bộ lọc không nhân quả MMSE, LS và JLS
theo độ dài bộ lọc
Các thông số: tỉ số năng lượng mỗi bit/ mật độ phổ công suất tạp âm E
b
/N
0
= 15dB;
tỉ số tín hiệu/nhiễu CIR = 0dB; tỉ lệ mã hóa cơ sở R = 2/3; điều chế QPSK; 2 ăng ten thu; 1
nguồn nhiễu.
Với độ dài bộ lọc nhỏ, hiệu năng các bộ lọc tương đối bằng nhau. Khi độ dài lớn hơn,
bộ lọc MMSE tốt hơn bộ lọc JLS và bộ lọc JLS tốt hơn bộ lọc LS. Sự khác nhau về hiệu
năng giữa chúng tăng theo độ dài bộ lọc.
Hình 3.31 thể hiện sự so sánh các bộ lọc không nhân quả MMSE, LS và JLS với các
thông số: E
b
/N
0
= 15dB; tỉ số công suất giữa nguồn nhiễu vượt trội/nguồn nhiễu còn lại DIR
= 8dB; độ dài bộ lọc q
f
= 30; tỉ lệ mã hóa cơ sở R = 2/3; điều chế QPSK; 4 ăng ten thu; 5
nguồn nhiễu.

Hình 3.31. So sánh hiệu năng các bộ lọc không nhân quả

22

Phân tích đồ thị hình 3.31 cho thấy bộ lọc MMSE đạt hiệu năng tốt nhất, khi xem xét
tất cả các nguồn nhiễu (

). Hiệu năng của bộ lọc JLS (*), bộ lọc LS (o) và bộ lọc MMSE
(), khi xem xét hai nguồn nhiễu, rất gần nhau. Bộ lọc JLS tốt hơn bộ lọc MMSE và tốt hơn
1 dB so với bộ lọc LS.

3.3. Kết luận chương
Trong chương 3 đã trình bày giải pháp gạt nhiễu đồng kênh trong truyền SC – FDMA
của đường uplink mạng 4G với hai phương pháp lọc thích nghi: lọc thích nghi bình phương
nhỏ nhất dựa trên hoa tiêu và lọc thích nghi JLS.
Từ các kết quả nghiên cứu và phân tích nhiễu ở chương 2, chương 3 tập trung vào
nghiên cứu, đánh giá một số giải pháp gạt nhiễu đồng kênh đường uplink trong mạng 4G.
Trong thực tế có nhiều giải pháp gạt nhiễu trong mạng 4G mà luận văn chưa đề cập đến.
Các giải pháp gạt nhiễu cho mạng 4G vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, phát triển nhằm
phục vụ mục đích đảm bảo chất lượng hệ thống.

23

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Kết luận
Sau quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài tốt nghiệp, với sự nỗ lực của bản thân,
cùng với sự giúp đỡ của các giáo viên và các đồng nghiệp đến nay đề tài của tôi đã được
hoàn thành về cơ bản đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.
Kết quả đạt được của luận văn
- Chỉ ra những đặc điểm vượt trội của mạng 4G về tốc độ dữ liệu, khả năng đáp ứng
các dịch vụ thời gian thực chất lượng cao mọi nơi, mọi lúc.
- Phân tích các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống mạng 4G: kết hợp băng thông,
hệ MIMO bậc cao, hệ MIMO phối hợp, sử dụng relay, sử dụng femtocell, mạng tự tối ưu
hóa, điều phối và gạt nhiễu.
- Phân tích các loại nhiễu trong hệ thống thông tin di động, các loại nhiễu trong mạng
4G, đưa ra mô hình toán học của nhiễu, sự khác biệt về nhiễu ISI và nhiễu trong cell của
mạng 4G so với mạng 3G.
- Phân tích giải pháp gạt nhiễu đồng kênh đường uplink trong mạng 4G, xây dựng,
đánh giá, so sánh các bộ lọc MMSE, LS và JLS trong gạt nhiễu đồng kênh đường uplink
trong mạng 4G.
Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu, ứng dụng các giải pháp gạt nhiễu trong quá trình triển khai mạng 4G tại
Việt Nam.
- Nghiên cứu các giải pháp khắc phục ảnh hưởng của nhiễu trong mạng 4G bên cạnh
giải pháp gạt nhiễu như tái sử dụng tần số, điều khiển công suất

24