(Luận văn thạc sĩ hcmute) đánh giá hiệu năng kỹ thuật sc fdma trong hệ thống lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THỊ MAI LAN

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG KỸ THUẬT SC-FDMA
TRONG HỆ THỐNG LTE

NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ – 60520203

S K C0 0 5 0 7 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016

Luan van


LÝ LỊCH CÁ NHÂN

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: NGUYỄN THỊ MAI LAN

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1984

Nơi sinh: Thái Bình

Q qn: Xn Hịa – Vũ Thư – Thái Bình

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Số 86, Dương Đình Hội, Phước Long B, Q.9
E-mail:
II. Q TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 2006 đến 2008

Nơi học: Viện Đại học Mở Hà Nội
Ngành học: Điện tử viễn thông
Tên đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình điều khiển máy trộn bê tơng
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 8/2008, Viện Đại học Mở Hà Nội
Người hướng dẫn: Th.S. Trần Sĩ Hồng
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2012-2013

ĐH Công nghiệp Tp. HCM

Giảng dạy

2014 đến nay

CĐ Công Thương Tp. HCM

Giảng dạy

i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

ii

Luan van

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô đã giảng dạy
trong chương trình Cao học ngành Kỹ thuật điện tử - khóa 2014B, khoa Điện –
Điện tử, trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, những người đã truyền đạt cho
tôi những kiến thức hữu ích làm cơ sở cho tơi thực hiện đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Phạm Hồng Liên đã tận tình hướng dẫn,
cung cấp tài liệu và chia sẻ kinh nghiệm cho tôi trong thời gian thực hiện đề tài.
Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên luận
văn vẫn cịn thiếu sót, tơi rất mong nhận được ý kiến góp ý của Thầy/Cơ và các
bạn.
Tp.HCM, tháng 4 năm 2016
Học viên thực hiện
Nguyễn Thị Mai Lan

iii

Luan van


TĨM TẮT

Tỷ số cơng suất đỉnh trên trung bình (PAPR) lớn là nhược điểm chính của kỹ
thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Mục đích chính của đề
tài này là nghiên cứu so sánh PAPR của hệ thống OFDM và hệ thống SC-FDMA.
Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của điều chế đa sóng mang, phù
hợp cho việc thiết kế một hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao, loại bỏ được nhiễu
ISI, ICI… Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhược điểm nhất
định. Nhược điểm chính của OFDM là tỷ số cơng suất đỉnh trên trung bình (PAPR)

khá lớn. PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá
trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình trên tồn
bộ sóng mang. Vì vậy, để khơng làm méo tín hiệu phát, bộ khuếch đại cơng suất
phải đặt ở chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao.
Nội dung luận văn bao gồm 5 chương trình bày các vấn đề sau:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ LTE, các mục tiêu yêu cầu của
LTE và các tính năng quan trọng của LTE.
Chương 2 trình bày các kỹ thuật truy nhập vơ tuyến trong LTE và một số đặc
tính của kênh truyền.
Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA cùng với các kiểu sắp
xếp sóng mang khác nhau đem lại độ linh hoạt cao trong truyền dẫn được trình bày
trong Chương 3.
Chương 4 phân tích đặc tính PAPR của kỹ thuật SC-FDMA, lưu đồ mơ phỏng
PAPR và SER. Sau đó là kết quả mô phỏng.
Các kết luận và hướng phát triển đề tài được trình bày trong Chương 5.

iv

Luan van


ABSTRACT
High Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) is a major drawback of
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique. Objective of
this paper is the study of PAPR comparison between OFDM system and SCFDMA system.
OFDM technique is a special case of multi-carrier modulation, suitable for
the design of a system with a high transmission speed, eliminating interference ISI,
ICI ... Besides the outstanding points, it still exist certain disadvantages. The main
disadvantage of OFDM is the ratio of average peak power rather large PAPR.
Large PAPR by using multi-carrier OFDM to transmit information, the maximum

value of the characters on a carrier can far exceed the average level over the entire
carrier. So, in order not to distort the transmitted signal, power amplifier set to
have large storage efficiency is not high.
The content of the thesis includes 5 chapters presents the following issues:
Chapter 1 presents an overview of LTE technology, the objective of LTE
and important features.
Chapter 2 presents the radio access techniques in the LTE system and a
number of characteristics of the channel.
Basic principles of SC-FDMA technique with different arrangement of
carrier provide flexibility in the transmission, are presented in Chapter 3.
Chapter 4 analyzes the characteristics of the PAPR in SC-FDMA
technique, the flow chart for calculating the PAPR and SER. Then the simulation
results.
The conclusions and development trend themes are presented in Chapter 5.

v

Luan van


MỤC LỤC

LÝ LỊCH CÁ NHÂN .............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... iii
TÓM TẮT ............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ............................................................................................................. vi
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. xii
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... xiv

MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1.

Lý do chọn đề tài ............................................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................... 3

3.

Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 3

Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ 3GPP LTE ....................................................... 5

1.1.

Tổng quan về công nghệ LTE ........................................................ 5

1.1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE ...................................................... 5
1.1.2. Các mục tiêu yêu cầu của LTE ................................................... 6
1.2.

Các tính năng quan trọng của LTE ................................................. 9

1.2.1. Sơ đồ truyền dẫn ......................................................................... 9
1.2.2. Lập biểu phụ thuộc kênh ........................................................... 10
1.2.3. Điều phối nhiễu giữa các ô ....................................................... 11

1.2.4. Hỗ trợ đa anten .......................................................................... 12

vi

Luan van


1.2.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương .................................................. 12
1.2.6. Thích ứng đường truyền............................................................ 13
1.3.

Điều chế trong LTE ...................................................................... 13

Chương 2.

CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE .... 15

2.1.

Một số đặc tính của kênh truyền .................................................. 15

2.1.1. Sự suy giảm tín hiệu.................................................................. 16
2.1.2. Hiệu ứng đa đường .................................................................... 16
2.1.3. Các loại fading .......................................................................... 17
2.1.4. Dịch tần Doppler ....................................................................... 17
2.1.4. Nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI) ............... 18
2.1.5. Nhiễu MAI đối với LTE ........................................................... 18
2.2.

Các kỹ thuật truy nhập trong LTE ................................................ 19

2.2.1. Nguyên lý OFDM ..................................................................... 19
2.2.2. Đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA .................... 25
2.2.3. Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA ...... 27
2.2.4. Kỹ thuật đa anten ...................................................................... 29
Chương 3.

KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA TẦN SỐ ĐƠN

SÓNG MANG SC - FDMA ................................................................................. 32
3.1.

Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA ................................................ 32

3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA ............................................... 32
3.1.2. SC-FDMA với tạo dạng phổ ..................................................... 37
3.1.3. Các phương pháp sắp xếp sóng mang con ................................ 39
3.2.

Biểu diễn các kí hiệu SC-FDMA miền thời gian ......................... 41

3.2.1. Phương pháp IFDMA ............................................................... 41
3.2.2. Phương pháp LFDMA .............................................................. 42

vii

Luan van


3.2.3. Phương pháp DFDMA .............................................................. 44

3.3.

SC-FDMA và OFDMA ................................................................ 46

Chương 4.

MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT SC-FDMA .................... 49

4.1.

Phân tích đặc tính PAPR của SC-FDMA ..................................... 49

4.2.

Lưu đồ tính PAPR của SC-FDMA ............................................... 51

4.3.

Kết quả mô phỏng PAPR ............................................................. 53

4.4.

Tỉ số lỗi kí hiệu SER trong SC-FDMA ........................................ 58

4.5.

Sơ đồ khối tính SER ..................................................................... 59

4.6.

Kết quả mơ phỏng SER ................................................................ 60

Chương 5.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................... 62

5.1.

Kết luận ........................................................................................ 62

5.2.

Hướng phát triển đề tài ................................................................. 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 63

viii

Luan van


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

3GPP

3rd Generation Partnership Project

Dự án hợp tác thế hệ thứ ba

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng

BER

Bit error ratio

Tỷ lệ lỗi bít

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

A
AWGN
B

C
CCDF

Complementary Cumulative Distribution
Function

Hàm phân bố tích lũy bù

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố tuần hoàn

DFDMA

Distributed Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số phân tán

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

FDD

Frequency Division Duplex

Song công phân chia theo tần số

FDE

Frequency Domain Equalization

Cân bằng trong miền tần số

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple Access

FFT

Fast Fourier Transform

D

F

Đa truy nhập phân chia theo tần

số
Biến đổi Fourier nhanh

ix

Luan van


G
GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu

Hybrid Automatic Repeat Request

Yêu cầu phát lại tự động linh

H
HARQ

hoạt
HSDPA

High Speed Downlink packet Access

Truy nhập gói đường xuống tốc
độ cao

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

IBI

Inter – Block Interference

Nhiễu liên khối

ICI

Inter-carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IEEE

Institute of Electrical and Electronic
Engineers

Viện kỹ sư điện, điện tử

IFDMA

Interleave Distributed Frequency Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số đan xen

ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu xuyên ký hiệu

LFDMA

Localized Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số cục bộ (tập trung)

LTE

Long Term Evolution

Sự phát triển dài hạn

MBMS

Multimedia Broadcast/Multicast Service

Dịch vụ quảng bá/ đa phương
tiện

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

MMSE

Minimum Mean Squared Error

Lỗi trung bình quân phương nhỏ
nhất

Peak-to-Average Power Ratio

Tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng
suất trung bình

Quaternary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương

I

L

M

P
PAPR
Q
QPSK

x

Luan van


S
SC
SC/FDE
SCCFDMA
SC-FDMA

Single Carrier

Đơn sóng mang

Single Carrier with Frequency Domain

Đơn sóng mang / Cân bằng

Equalization

trong miền tần số

Single Carrier Code-Frequency Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần
số mã hóa đơn sóng mang

Single Carrier Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần
Access

số đơn sóng mang

SER

Symbol Error Rate

Tỷ số lỗi ký hiệu

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDD

Time Division Duplex

Song cơng phân chia theo thời

gian

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia thời gian

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

UTRAN

Universal Terrestrial Radio Access Network

T

U

xi

Luan van

Mạng truy nhập vơ tuyến mặt
đất tồn cầu


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Điều phối nhiễu giữa các ơ ................................................................... 12
Hình 1.2 Giản đồ chịm sao ................................................................................. 14
Hình 2.1 Phân loại Fading ................................................................................... 15
Hình 2.2 Hiện tượng truyền sóng đa đường ........................................................ 16
Hình 2.3 Các sóng mang con trực giao trong OFDM ......................................... 20
Hình 2.4 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA ............................................... 20
Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM ................................................................. 21
Hình 2.6 Nhiễu ISI .............................................................................................. 23
Hình 2.7 Chèn khoảng bảo vệ CP ....................................................................... 24
Hình 2.8 Tổng quan hệ thống OFDMA .............................................................. 25
Hình 2.9 Sóng mang con OFDMA ...................................................................... 26
Hình 2.10 Cấu trúc bộ thu và phát của SC/FDE và OFDM ................................ 28
Hình 2.11 Sự khác nhau giữa hai hệ thống SC/FDE và OFDM trong tiến trình tách
sóng và kí hiệu điều chế ....................................................................................... 29
Hình 2.12 Ba cơ sở của kỹ thuật đa anten: a - Phân tập; b - Tạo búp; c - Ghép kênh
.............................................................................................................................. 30
Hình 3.1 Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA ............................................... 32
Hình 3.2 Minh họa việc chèn khoảng CP ............................................................ 35
Hình 3.3 Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA .......................................... 36
Hình 3.4 Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiêu SC-FDMA ........................................ 38
Hình 3.5 Đáp ứng của bộ lọc Raised-cosine miền tần số và miền thời gian ....... 39

Hình 3.6 Sắp xếp các sóng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA .......................... 40

xii

Luan van


Hình 3.7 Hai phương pháp cấp phát sóng mang cho các đầu cuối ..................... 40
Hình 3.8 Tín hiệu SC-FDMA trong miền thời gian ............................................ 46
Hình 3.9 Cấu trúc bộ thu SC-FDMA và OFDMA .............................................. 47
Hình 4.1 Lưu đồ tính PAPR của SC-FDMA ....................................................... 52
Hình 4.2 Mơ phỏng PAPR với α = 0.4 - điều chế QPSK .................................... 53
Hình 4.3 Mơ phỏng PAPR với α = 0.4, điều chế 16QAM .................................. 53
Hình 4.4 Mơ phỏng PAPR với α = 0.4, điều chế 64QAM .................................. 54
Hình 4.5 Mơ phỏng PAPR với α = 0.15, điều chế QPSK ................................... 54
Hình 4.6 Mơ phỏng PAPR với α = 0.15, điều chế 16QAM ................................ 55
Hình 4.7 Mô phỏng PAPR với α = 0.15, điều chế 64QAM ................................ 55
Hình 4.8 Mơ phỏng PAPR khi khơng tạo dạng xung .......................................... 57
Hình 4.9 Lưu đồ tính SER của SC-FDMA ......................................................... 59
Hình 4.10 SER của SC-FDMA và OFDMA trong mơ hình kênh cố định .......... 60
Hình 4.11 SER của SC-FDMA và OFDMA trong hai mơ hình kênh khác nhau 61

xiii

Luan van


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên

đường xuống và HSDPA........................................................................................ 8
Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên
đường lên và HSUPA ............................................................................................. 8
Bảng 4.1 So sánh PAPR với xác suất nhỏ hơn 0.1%........................................... 57
Bảng 4.2 SER của các tín hiệu với mơ hình kênh cố định .................................. 60

xiv

Luan van


MỞ ĐẦU

1.

Lý do chọn đề tài
Thông tin di động ngày nay đã trở thành lĩnh vực không thể thiếu được trong

đời sống xã hội với nhu cầu ngày càng tăng của con người khơng chỉ mục đích
thơng tin liên lạc mà còn các yêu cầu về dịch vụ đa phương tiện đa dạng như:
video, hình ảnh và dữ liệu. Để đáp ứng nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng cao,
các hệ thống thông tin di động không ngừng cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ
chức trên thế giới. Cùng với sự phát triển nhanh chóng các thuê bao di động thì
nhu cầu về chất lượng, tốc độ truyền tải dữ liệu ngày càng cao, đặc biệt là các thiết
bị di chuyển với tốc độ cao đòi hỏi một hệ thống thông tin đi động đáp ứng các
nhu cầu cấp thiết này, đó là các hệ thống 3G. Mặc dù 3GPP đã phát triển HSPA để
tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps), nhưng 3G HSPA vẫn không
thể cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di động.... Đứng trước sự ra đời và
cạnh tranh của các nhà cung cấp dịch vụ băng thông rộng, 3GPP buộc phải phát
triển 3G LTE để có thể đứng vững. Mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc

độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều
chế và xử lý tín hiệu số mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21 này.
Điều đầu tiên cần lưu ý khi nói đến LTE là sự thay đổi trong tần số và băng
thơng sử dụng, LTE có thể sử dụng băng thông linh hoạt từ 1.25 MHz đến 20 MHz.
Các băng thơng này đặc biệt hữu ích trong những thị trường có độ phủ thưa thớt
hoặc những nơi có rất nhiều tần số sử dụng có sẵn. Tất nhiên kênh rộng hơn, cao
hơn có nghĩa là tốc độ dữ liệu tốt hơn, tiếp cận với người sử dụng nhiều hơn (nếu
tất cả các yếu tố khác được coi là giống nhau). Các nhà mạng lựa chọn băng tần
tùy thuộc vào quốc gia và quy định sử dụng băng tần của đất nước đó.
Ngồi ra, đối với mạng vơ tuyến thì kênh truyền vơ tuyến là khía cạnh rất
quan trọng trong việc thiết kế mạng hay truyền nhận tín hiệu. Một kỹ thuật khá
phổ biến đó là OFDM hay dạng cải biến OFDMA được biết đến bởi sự đơn giản

1

Luan van


và hiệu quả trong việc loại bỏ nhiễu liên ký tự, hỗ trợ truyền dẫn băng rộng, phù
hợp với các hệ thống không dây, tốc độ cao, kênh truyền đa đường.
Tuy nhiên, OFDM hay OFDMA có tỉ số cơng suất đỉnh trên trung bình
(PAPR) khá cao và rất nhạy đối với các tần số offset từ đó dễ mất tính trực giao.
Do đó để khắc phục các nhược điểm này, kỹ thuật SC-FDMA ra đời không chỉ
giảm tỉ số PAPR mà độ phức tạp trong tính tốn cũng thấp gần giống như OFDM.
Thực tế, kỹ thuật SC-FDMA đã được triển khai cho kênh đường lên bắt đầu từ
chuẩn công nghệ LTE (Long-Term Evolution) của mạng 3G.
Trong khi WiMAX, được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE sử dụng cơng nghệ
OFDMA cho truyền dẫn đường lên và đường xuống thì cơng nghệ LTE được chuẩn
hóa bởi tổ chức hợp tác thế hệ thứ 3 (3GPP) lại chỉ sử dụng OFDMA cho truyền
dẫn đường xuống, trong khi đường lên sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia

theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA). Trong SC-FDMA, các ký hiệu phát đi
lần lượt thay vì phát đi song song như trong OFDMA, vì thế cách sắp xếp này làm
giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát. Do đó,
các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảm bảo
tốc độ và độ phức tạp tương đương như trong hệ thống OFDMA. Khi PAPR thấp
làm tăng hiệu suất của bộ khuếch đại công suất dẫn đến tăng vùng phủ sóng và chi
phí máy đầu cuối giảm thấp.
Trong quyển sách [2] các tác giả mô tả một cách tổng quan về cơng nghệ
3GPP LTE, có một số tính năng vượt trội so với cơng nghệ Wimax và các công
nghệ khác trong hệ thống di động. Kỹ thuật SC-FDMA trong 3GPP LTE sử dụng
bộ cân bằng trong miền tần số ở bộ thu, làm giảm đi lỗi ký hiệu do sự ảnh hưởng
của fading chọn lọc tần số. Hơn nữa SC-FDMA có nhiều kiểu sắp xếp sóng mang
con khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyền dẫn khác
nhau, những thay đổi về mặt thực thi hệ thống của SC-FDMA so với OFDMA
cũng dẫn tới việc phân phối tài nguyên trong hệ thống cũng bị thay đổi.
Trong bài báo [10] phân tích thơng số PAPR trong hệ thống 3GPP LTE sử
dụng mạch lọc Raise cosine để đánh giá được hiệu năng của kỹ thuật SC-FDMA

2

Luan van


so với OFDMA. Đồng thời, SC-FDMA cũng cải thiện hiệu quả cơng suất trung
bình ở thiết bị đầu cuối do PAPR thấp. Mặt khác, bài báo [1] cũng trình bày sự phụ
thuộc tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) trong mô hình kênh fading của SC-FDMA và
OFDMA để đánh giá hiệu năng của chúng.
Ngoài ra, tác giả cũng tham khảo hai luận văn thạc sỹ:
- “Giảm PAPR trong hệ thống OFDM bằng phương pháp giãn nén” của tác
giả Nguyễn Toàn Văn, trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM.

- “Phương thức SC-FDMA của hệ thống di động LTE và ứng dụng thiết kế
trên phần cứng FPGA” của tác giả Lê Thị Lan Anh, trường ĐH Sư phạm kỹ thuật
TP HCM.
Từ đây tác giả thấy rõ hơn ưu điểm của kỹ thuật SC-FDMA trong hệ thống
LTE và tầm quan trọng của việc giảm PAPR.
Xuất phát từ những vấn đề trên tác giả chọn đề tài nghiên cứu là: “Đánh giá
hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA trong hệ thống LTE”.

2.

Mục tiêu nghiên cứu
-

Khái quát chung về mạng vô tuyến, chuẩn công nghệ truyền thông LTE,
đặc điểm kênh truyền vô tuyến, các kĩ thuật đa truy nhập cho kênh truyền.

-

Khái quát lại kỹ thuật OFDM/ OFDMA, trong đó làm rõ ưu điểm và nhược
điểm của kỹ thuật này; từ đó trình bày chi tiết kỹ thuật SC-FDMA, thể hiện
rõ những ưu điểm của kỹ thuật SC-FDMA so với OFDMA, đồng thời phân
tích và đánh giá chất lượng hệ thống mạng ở kênh đường lên giữa SCFDMA và OFDMA.

-

Các phương pháp sắp xếp sóng mang con như: LFDMA, IFDMA, DFDMA
trong hệ thống LTE.

-

Xây dựng mơ hình mô phỏng PAPR, SER trong hệ thống LTE.

Phương pháp nghiên cứu

3.
-

Sử dụng các tài liệu đã xuất bản, các bài báo khoa học và một số tài liệu
chia sẻ trên website về cơng nghệ 3GPP LTE để: Tìm hiểu cơng nghệ 3GPP

3

Luan van


LTE; Phân tích, đánh giá và so sánh các tính năng vượt trội của kỹ thuật
SC-FDMA đường lên trong LTE so với kỹ thuật OFDMA.
-

Kết hợp với mô phỏng để làm sáng tỏ các vấn đề nêu ra.

4

Luan van


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ 3GPP LTE

Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc
nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Mặc

dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không
ngừng nhưng 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 trở
thành chuẩn di động 4G, đó là cơng nghệ LTE (Long Term Evolution) do 3GPP
phát triển. Chương này sẽ giới thiệu về công nghệ LTE và những yêu cầu cho LTE
như: tiềm năng công nghệ và hiệu năng hệ thống.

1.1. Tổng quan về công nghệ LTE
1.1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE (Long Term Evolution) là một chuẩn truyền thông không dây tốc độ dữ
liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu.
Hệ thống 3GPP LTE là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không
dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ
tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định
nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT-Advanced và chia thành hai hệ
thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE là hệ thống
dùng cho di động tốc độ cao. Ngồi ra, đây cịn là cơng nghệ hệ thống tích hợp đầu
tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng
khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu
giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA.
Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch
gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt
nhờ vào mơ hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA. Truy cập tuyến lên dựa vào
kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA (Single
Carrier Frequency Division multiple Access) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên

5

Luan van

làm tỷ số cơng suất đỉnh trên trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio)
thấp so với kỹ thuật OFDMA.
LTE đã sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công
nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh, thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten
để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu.

1.1.2. Các mục tiêu yêu cầu của LTE
Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả
đường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với
các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác. Các mục tiêu LTE được thể
hiện dưới các khía cạnh sau.
1.1.2.1.

Tiềm năng công nghệ

a. Tốc độ dữ liệu đỉnh
Tốc độ dữ liệu đỉnh có thể được định nghĩa như thơng lượng tối đa trên người
dùng giả sử tồn bộ băng thơng được cấp cho một người dùng với kiểu điều chế
và mã hóa cao nhất và số anten lớn nhất được hỗ trợ, mào đầu giao diện vô tuyến
đặc trưng đã được ước lượng và tính tốn trong những giới hạn đã cho. Với các hệ
thống TDD, tốc độ đỉnh thường được tính tốn phân biệt cho đường lên và đường
xuống, điều này dẫn đến có thể đạt được một tỉ số đường xuống/đường lên tương
ứng và đánh giá mức độ tốt của hệ thống khi so với các hệ thống khác trong cùng
chế độ song công. Hiệu quả sử dụng phổ tần đơn giản tính được bằng cách chia
tốc độ dữ liệu đỉnh cho phổ tần được cấp phát.
Tốc độ dữ liệu đỉnh mà LTE hướng tới là 100Mbps và 50Mbps cho đường
xuống và đường lên tương ứng, với băng thông 20MHz, hiệu quả phổ tần tương
ứng lần lượt là 5bps/Hz và 2.5 bps/Hz, với giả sử rằng thiết bị đầu cuối có 2 anten
thu và 1 anten phát. Số anten được sử dụng tại trạm gốc có thể dễ dàng được nâng

cấp bởi các nhà khai thác mạng, phiên bản đầu tiên của LTE đã được thiết kế hỗ
trợ đa anten đường xuống lên tới 4 anten phát và thu.
b. Trễ mặt phẳng người dùng và trễ mặt phẳng điều khiển

6

Luan van


Trễ mặt phẳng người dùng là một tham số hiệu năng quan trọng cho các dịch
vụ tương tác và các dịch vụ thời gian thực. Trên giao diện vô tuyến, trễ mặt phẳng
người dùng tối thiểu có thể được tính dựa trên phân tích báo hiệu trong trường hợp
hệ thống khơng tải. Nó được định nghĩa như thời gian trung bình giữa gói phát và
thu đầu tiên của phản hồi lớp vật lý (ACK), bao gồm cả tỉ lệ phát lại HARQ
(khoảng 0 – 30%). Định nghĩa này có thể được xem như khả năng của hệ thống
mà không bị tác động bởi trễ lập lịch xuất hiện trong trường hợp hệ thống có tải.
Trễ vịng (round – trip) có thể được tính đơn giản bằng cách nhân trễ mặt phẳng
người dùng một chiều với hệ số 2.
LTE yêu cầu trễ chấp nhận được trên một gói dữ liệu lớp IP một chiều qua
giao diện vô tuyến tối đa là 5ms trong các điều kiện tối ưu. Tuy nhiên, thực tế thì
điều này cũng cịn tùy vào tải hệ thống và điều kiện truyền, ví dụ HARQ đóng vai
trị quan trọng trong việc tối ưu hiệu quả sử dụng phổ tần tuy nhiên lại gây độ trễ
khi yêu cầu phát lại, trong khi ở một khía cạnh khác, khi hiệu quả sử dụng phổ tần
khơng quan trọng thì trễ tối thiểu được đặt lên hàng đầu.
Cùng với yêu cầu trễ mặt phẳng người dùng, thời gian thiết lập cuộc gọi cũng
được yêu cầu phải thấp hơn so với các hệ thống di động tổ ong tồn tại trước đó.
Điều này không chỉ mang lại hiệu quả trong cảm nhận của người dùng mà cịn góp
phần kéo dài thời gian phục vụ của nguồn nuôi trong các thiết bị đầu cuối, do
chuyển đổi nhanh từ chế độ rỗi sang chế độ hoạt động sẽ giúp UE tiết kiệm được
nhiều thời gian hơn ở trong chế độ rỗi – tiêu thụ công suất thấp.

Trễ mặt phẳng điều khiển được tính như thời gian yêu cầu để thực hiện việc
chuyển đổi giữa các trạng thái của LTE, mà chỉ gồm 2 trạng thái là RRC_IDLE
(ngủ) và RRC_CONNECTED (hoạt động), trong LTE tham số này được yêu cầu
là ít hơn 100ms khi chuyển trạng thái (ngoại trừ trễ tìm gọi và trễ các lớp không
phải truy nhập).
1.1.2.2.

Hiệu năng hệ thống

Hiệu năng hệ thống của LTE đề cập tới thông lượng của người sử dụng, hiệu
suất phổ tần, vùng phủ và MBMS tăng cường hơn.

7

Luan van


a. Thông lượng
Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở hai điểm:
vùng phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt
hơn). Mục tiêu hiệu suất phổ tần cũng được đặc tả, trong đó hiệu suất phổ tần được
định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/Hz.
Bảng 1.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên
đường xuống và HSDPA
Đích LTE/ Đã đạt

HSDPA

LTE

Tốc độ đỉnh (Mbps)

14,4

144

100/đã đạt

Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s)

0,75

1,84

3-4 lần HSDPA/ đạt 2,5

Thông lượng người sử dụng biên ô

0,006

0,0148

2-3 lần HSDPA/đạt 2,5

Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên
đường lên và HSUPA
Đích LTE/ Đã đạt

HSUPA

LTE

Tốc độ đỉnh (Mbps)

5,7

57

50/đã đạt

Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s)

0,26

0,67

2-3 lần HSUPA/ đạt 2,6

Thông lượng người sử dụng biên ô

0,006

0,015

2-3 lần HSUPA/đạt 2,5

b. Hỗ trợ di động
Các yêu cầu về di động tập trung vào tốc độ di chuyển đầu cuối di động. Mục
tiêu đề ra là đạt được hiệu năng cực đại với tốc độ đầu cuối di động khoảng 0 15km/h, hiệu năng của hệ thống sẽ giảm khi tốc độ đầu cuối cao hơn. Đối với tốc
độ trên 120km/h, LTE đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên tồn mạng tế

bào. Hệ thống LTE có thể quản lí tốc độ lên tới 350km/h thậm chí là 500km/h phụ
thuộc vào băng tần cấp phát. Trường hợp này xuất hiện chủ yếu ở các máy di động
trên các tàu cao tốc hiện đang ngày càng phổ biến trên thế giới. Điều này có nghĩa
là chuyển giao (handover) giữa các ô phải được thực hiện mà không có ngắt quãng,

8

Luan van


nói cách khác, khơng thể cảm nhận được trễ và mất gói cho các cuộc gọi, đồng
thời với truyền dẫn tin cậy cho các dịch vụ dữ liệu.
c. Vùng phủ
Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính ơ) tức là khoảng
cách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô. Hiệu suất, phổ tần và thông
lượng yêu cầu cho các ô bán kính 5km, với các ơ bán kính tới 30 km cho phép
giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song
vẫn đáp ứng tính di động.
d. MBMS tăng cường
Trong mạng quảng bá, tài nguyên vô tuyến được thiết lập trong từng ô nằm
trong vùng quảng bá MBMS và tất cả các đầu cuối khi đăng kí với dịch vụ đều thu
được cùng một tín hiệu được phát này. Mạng khơng cần theo dõi chuyển động đầu
cuối và đầu cuối khi đăng kí có thể thu nội dung mà không cần thông báo cho
mạng. Như vậy một trong các lợi ích của dịch vụ MBMS là tiết kiệm được tài
nguyên trong mạng vì một luồng dữ liệu có thể cung cấp cho nhiều người sử dụng.
Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập tới chế độ quảng bá và chế độ phát
đơn phương. LTE phải đảm bảo các dịch vụ tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp.
Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương
ứng với 16 kênh TV, trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz.
Tất nhiên LTE đảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộn

lẫn với nhau.

1.2. Các tính năng quan trọng của LTE
1.2.1. Sơ đồ truyền dẫn
Sơ đồ truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM. OFDM
là một sơ đồ truyền dẫn hấp dẫn vì một số lý do, do thời gian ký hiệu OFDM kết
hợp với chu trình tiền tố khá dài, OFDM đảm bảo độ bền chắc chống lại chọn lọc
tần số của kênh vô tuyến cao hơn. Khả năng đề kháng chống fading chọn lọc sẵn

9

Luan van


có là một giải pháp lý tưởng cho đường xuống đặc biệt được kết hợp với ghép kênh
không gian.
Một số lợi ích của OFDM:
-

OFDM cung cấp tới truy nhập miền tần số, vì thế cho phép mở rộng mức
độ tự do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA.

-

OFDM dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt (ít nhất từ quan điểm
băng gốc) bằng cách thay đổi số lượng các sóng mang con sử dụng cho
truyền dẫn.

-

OFDM cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá/đa phương, trong
đó cùng một thơng tin được phát đi từ nhiều trạm gốc.
Đối với đường lên của hệ thống LTE, truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên

OFDM trải phổ được sử dụng (DFTs-OFDM). Sử dụng điều chế đơn sóng mang
cho phép giảm tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) so với truyền dẫn đa
sóng mang như OFDM. Giá trị PAPR càng nhỏ thì cơng suất phát trung bình càng
cao đối với một bộ khuếch đại cơng suất cho trước. Vì thế truyền dẫn đơn sóng
mang cho phép đạt được hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công suất cao hơn và
điều này dẫn tới tăng vùng phủ. Đây là điều thực sự quan trọng đối với thiết bị đầu
cuối di động có cơng suất hạn chế. Đồng thời vấn đề xử lý méo tín hiệu đơn sóng
mang do fading chọn lọc tần số gây ra trên đường lên cũng khơng phải là vấn đề
quan trọng vì nó được thực hiện tại trạm gốc nơi có khả năng xử lý tín hiệu mạnh
hơn.

1.2.2. Lập biểu phụ thuộc kênh
Cơng nghệ LTE sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên tần số
- thời gian được chia sẻ giữa các người sử dụng. Việc sử dụng tài nguyên kênh
chia sẻ là hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu tài nguyên thay đổi rất nhanh chóng
do truyền dẫn gói gây ra.
Đối với từng thời điểm, bộ lập biểu điều khiển việc người sử dụng nào được
ấn định tài nguyên chia sẻ, nó cũng quyết định tốc độ số liệu sẽ được sử dụng cho
từng liên kết và thích ứng đường truyền cũng có thể được coi là một bộ phận của

10

Luan van