Khao sat phuong thuc da truy cap phi truc giao noma

TRƢỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
----

NGUYỄN THÀNH NAM

KHẢO SÁT PHƢƠNG THỨC ĐA TRUY CẬP
PHI TRỰC GIAO TRONG MẠNG 5G

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG

ĐÀ NẴNG: NĂM 2022


TRƢỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
----

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

KHẢO SÁT PHƢƠNG THỨC ĐA TRUY CẬP
PHI TRỰC GIAO TRONG MẠNG 5G

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

GVHD : PGS.TS Hà Đắc Bình
SVTH : Nguyễn Thành Nam
LỚP : K24EVT
MSSV : 24212205150

NIÊN KHÓA: 2018-2023


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Hà Đắc Bình đã giúp em
rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án.
Trong quá trình thực hiện đồ án, được sự giúp đỡ tận tình của thầy Hà Đắc
Bình em đã tiếp thu được nhiều kiến thức quý báu giúp em rất nhiều trong quá trình
học tập và làm việc trong tương lai.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, và tập thể các bạn bè cùng học
chuyên ngành Điện tử - Viễn thông, Đại học Duy Tân đặc biệt hơn là thầy Trương
Văn Trương đã luôn ủng hộ, động viên em trong quá trình thực hiện đồ án này.
Trong quá trình thực hiện đồ án do em chưa có nhiều kinh nghiệm nên khơng
tránh khỏi sai sót. Mong nhận được sự góp ý của các thầy (cơ) để hồn thiện hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các q thầy (cơ)
trong q trình thực hiện để em hoàn thành tốt đồ án này.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Nam


NHẬN XÉT GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................

................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
Đà Nẵng, ngày……, tháng……, năm 2022
Giảng viên hướng dẫn

PGS.TS.Hà Đắc Bình


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đồ án này tổng quát lại kết quả quá trình nghiên cứu của
em. Các số liệu, hình ảnh, thơng tin trong đồ án đều trung thực, do em tìm hiểu,
tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu. Đồ án này không sao chép các đồ án đã có từ
trước.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
về nội dung đề tài của mình. Trường đại học Duy Tân không liên quan đến những vi
phạm tác quyền, bản quyền do em gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có).

Đà Nẵng, ngày……, tháng….., năm 2022
Người cam đoan

Nguyễn Thành Nam


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
1.1
1.2
1.3

Tính cấp thiết của đề tài ..............................................................................1
Mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi đề tài ...........................................................1
Nội dung và kế hoạch thực hiện .................................................................2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...............................................................4
1.1 Tổng quan về mạng thông tin di động .......................................................4
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.2

Mạng 2G ................................................................................................4
Mạng 3G ................................................................................................5
Mạng 4G ................................................................................................5

Mạng 5G .......................................................................................................6

1.2.1

Mạng 5G là gì ........................................................................................6

1.2.2 Các yêu cầu mạng 5G ...........................................................................8
1.2.3 Ứng dụng của mạng 5G ........................................................................9
1.2.4 Những thách thức trong q trình thƣơng mại hóa 5G ..................10
1.3 Đa truy cập trong mạng thông tin di động ..............................................11
1.3.1 Đa truy cập phân chia theo tần số - FDMA......................................12
1.3.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian – TDMA................................15
1.3.3 Đa truy cập phân chia theo mã - CDMA ..........................................17
1.4 Giới thiệu về kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA ......................20
1.4.1 Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA ......................................21
1.4.2 Nguyên tắc truyền nhận tín hiệu .......................................................21
TỔNG KẾT CHƢƠNG 1 .......................................................................................24
CHƢƠNG 2: ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ
THỐNG NOMA ......................................................................................................25
2.1 Tìm hiểu về kênh truyền khơng dây ........................................................25
2.1.1 Khái niệm kênh truyền không dây ....................................................25
2.1.2 Biến ngẫu nhiên ...................................................................................26
2.1.3 Các hàm của biến ngẫu nhiên ............................................................26
2.1.4 Một số mơ hình kênh truyền ..............................................................27
2.2 Mơ hình hệ thống .......................................................................................29
2.2.1 Đề xuất mơ hình ..................................................................................29
2.2.2 Phƣơng thức hoạt động của hệ thống ...............................................29
2.3 Xác suất dừng của hệ thống ......................................................................32
2.3.1 Xác suất dừng của hệ thống đƣờng xuống(downlink) .....................33
2.3.2 Xác suất dừng của hệ thống đƣờng lên (uplink) ..............................34


2.4

Dung lƣợng trung bình của hệ thống .......................................................34

2.4.1
2.4.2

Dung lƣợng trung bình của hệ thống đƣờng xuống(downlink) ......35
Dung lƣợng trung bình của hệ thống đƣờng lên (uplink) ...............36

TỔNG KẾT CHƢƠNG 2 .......................................................................................37
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN .................................38
3.1 Mô tả công cụ mô phỏng ...........................................................................38
3.2 Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo .....................................................38
3.2.1 Các cơ sở phƣơng pháp của Monte Carlo ........................................39
3.2.2 Thành phần của phƣơng pháp Monte Carlo ...................................40
3.3 Thử nghiệm và thảo luận ..........................................................................40
3.3.1 Đánh giá kết quả phân tích xác suất dừng hệ thống tại đƣờng xuống
(downlink) ........................................................................................................40
3.3.2 Đánh giá kết quả phân tích xác suất dừng hệ thống tại đƣờng lên
(uplink) .............................................................................................................45
3.3.3 Đánh giá kết quả phân tích dung lƣợng trung bình tại đƣờng xuống
(downlink) ........................................................................................................49
3.3.4 Đánh giá kết quả phân tích dung lƣợng trung bình tại đƣờng lên
(uplink) .............................................................................................................53
TỔNG KẾT CHƢƠNG 3 .......................................................................................55
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.....................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................57
PHỤ LỤC .................................................................................................................58

DANH MỤC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Mạng di động qua các thế hệ .....................................................................7
Hình 1. 2: Trạm HAPS ngồi khơng gian ...................................................................8
Hình 1. 3: Các hệ thống đa truy cập .........................................................................12
Hình 1. 4: FDMA và nhiều giao thoa lân cận ..........................................................13
Hình 1. 5: Phân bổ tần số và phương pháp FDMA/FDD .........................................13
Hình 1. 6: Phân bổ tần số và phương pháp FDMA/TDD .........................................15
Hình 1. 7: Nguyên lý của TDMA ...............................................................................16
Hình 1. 8: Các phương pháp truy cập – a) TDMA/FDD ; b) TDMA/TDD ..............17
Hình 1. 9: Nguyên lý của CDMA/FDD .....................................................................18
Hình 1. 10: Sự khác nhau giữa TDD và FDD ..........................................................18
Hình 1. 11: Vùng phủ sóng của trạm gốc ở vơ tuyến tổ ong: a) phủ sóng vơ hướng;
b) phủ sóng có hướng ................................................................................................20
Hình 1. 12: Mơ phỏng NOMA tại đường lên ............................................................22
Hình 1. 13: Mơ phỏng NOMA tại đường xuống ....................................................... 23
Hình 2. 1: Hàm CDF - PDF của phân bố Rayleigh ................................................ 27
Hình 2. 2: Hàm CDF – PDF của phân bố Nakagami - m ........................................ 28
Hình 2. 3: Mơ hình NOMA tại đường xuống ............................................................ 29
Hình 2. 4: Mơ hình NOMA tại đường lên ................................................................. 31
Hình 3. 1: Giao diện phần mềm Matlab ...................................................................38
Hình 3. 2: Khảo sát Pout theo công suất phát và hệ số phân bổ cơng suất của UE1
đến BS ........................................................................................................................41
Hình 3. 3: Khảo sát Pout theo công suất phát và hệ số phân bổ cơng suất của UE2
đến BS ........................................................................................................................42
Hình 3. 4: Khảo sát Pout theo công suất phát và khoảng cách của UE1 đến BS ......43
Hình 3. 5: Khảo sát Pout theo công suất phát và khoảng cách của UE2 đến BS......44
Hình 3. 6: Khảo sát Pout theo cơng suất phát và hệ số phân bổ công suất của UE2
đến BS ........................................................................................................................45
Hình 3. 7: Khảo sát Pout theo cơng suất phát và hệ số phân bổ công suất của UE1
đến BS ........................................................................................................................46

Hình 3. 8: Khảo sát Pout theo cơng suất phát và khoảng cách của UE2 đến BS......47
Hình 3. 9: Khảo sát Pout theo công suất phát và khoảng cách của UE1 đến BS ......48
Hình 3. 10: Khảo sát dung lượng theo công suất phát và hệ số phân bổ công suất
của UE1 đến BS .........................................................................................................49


Hình 3. 11: Khảo sát dung lượng theo cơng suất phát và hệ số phân bổ công suất
của UE2 đến BS ........................................................................................................50
Hình 3. 12: Khảo sát dung lượng theo cơng suất phát và khoảng cách của UE1 đến
BS ..............................................................................................................................51
Hình 3. 13: Khảo sát dung lượng theo công suất phát và khoảng cách của UE2 đến
BS ..............................................................................................................................52
Hình 3. 14: Mơ phỏng dung lượng theo công suất phát và hệ số phân bổ cơng suất
của UE2 đến BS ........................................................................................................53
Hình 3. 15: Mơ phỏng dung lượng theo công suất phát và hệ số phân bổ công suất
của UE1 đến BS .........................................................................................................54


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

AWGN

Additive white Gaussian noise

Nhiễu trắng Gauss cộng tính

BS

Base station

Trạm gốc

CDF

Cumulative distribution function

Hàm phân phối tích lũy

OP

Outage Probability

Xác suất dừng hệ thống

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số cơng suất tín hiệu trên

cơng suất nhiễu

SINR

Signal to Interference plus Noise
Ratio

Tỉ số cơng suất tín hiệu trên
can nhiễu

SIC

Successive Interference
Cancellation

Loại bỏ can nhiễu kế tiếp

Ký hiệu
C

E .

.

Ý nghĩa
Dung lượng trung bình
Phép tốn kỳ vọng của biến ngẫu nhiên
Độ lớn của một giá trị

F(.)

Hàm phân phối tích lũy

f(.)

Hàm mật độ xác suất

h

Hệ số kênh truyền

n0

Nhiễu trắng cộng

N

Công suất nhiễu

OP

Xác suất dừng hệ thống

  SNR 

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển như vũ bảo của khoa học kỹ thuật trong thời kỳ
cách mạng công nghiệp 4.0 với các xu hướng cơng nghệ như IoT, Big Data,
AI,…. Thì nhu cầu truyền thông với tốc độ dữ liệu cao là rất quan trọng. Để đáp
ứng được với xu thế đó thì thơng tin di động phải có những bước chuyển mình
về mặt cơng nghệ là tất yếu thể hiện qua sự phát triển của hệ thống thông tin liên
lạc 1G cho đến 4G/LTE tạo bước đệm để triển khai công nghệ truyền thông 5G.
Tốc độ truyền dữ liệu của các thế hệ trước đã đạt hàng trăm Megabit hoặc
thậm chí Gigabit mỗi giây có thể đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng thông tin di
động băng thông rộng ở mức độ lớn hơn trong tương lai. Tuy nhiên, khi nhu cầu
phổ biến các thiết bị đầu cuối thông minh và các dịch vụ di động mới tiếp tục
tăng, nhu cầu về tốc độ truyền dẫn không dây đang tăng theo cấp số nhân, và tốc
độ truyền của truyền thơng khơng dây sẽ khó đáp ứng các u cầu ứng dụng của
truyền thông di động trong tương lai. Một trong những giải pháp để đáp ứng nhu
cầu này là sử dụng kỹ thuật đa truy cập không trực giao (Non-Orthogonal
Multiple Access – NOMA). Đây được xem là giải pháp triển vọng để đạt được
hiệu suất hệ thống tốt hơn so với các kỹ thuật hiện có.
Nắm bắt được xu hướng truyền thông thế giới, tại Việt Nam, mạng 5G cũng
đang là xu hướng nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và kỹ sư đến từ các hãng
truyền thông cũng như các trường đại học trên tồn quốc. Có rất nhiều hướng
nghiên cứu trong mạng 5G như an toàn toàn thông tin, kiến thức mạng, kỹ thuật
điều chế… Tuy nhiên trong đồ án này em chọn phân tích đánh giá hiệu năng của
hệ thống, giúp em hiểu rõ về hệ thống mạng, và kỹ thuật sử dụng trong mạng 5G.
1.2 Mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi đề tài
 Mục tiêu đề tài:
-

Đề xuất mơ hình hệ thống sử dụng phương thức đa truy cập phi trực
giao NOMA.

Tìm ra biểu thức hiệu năng hệ thống.
Khảo sát và đánh giá hiệu năng hệ thống.

 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu :
-

Truyền thông vô tuyến 5G.
Lý thuyết phương thức đa truy cập phi trực giao NOMA.
Kênh truyền vô tuyến.
Các biểu thức xác suất dừng hệ thống, dung lượng hệ thống.


2
 Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Lý thuyết phương thức đa truy cập phi trực giao NOMA.

-

Kênh truyền vô tuyến.
Các biểu thức xác suất dừng hệ thống, dung lượng hệ thống.

1.3 Nội dung và kế hoạch thực hiện
 Nội dung :
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương này trình bày đặc tính của các thế hệ mạng 2G, 3G, 4G và cơ sở
lý thuyết về mạng di động 5G. Giới thiệu kỹ thuật đa truy cập phi trực giao
NOMA.
Chương 2: Đánh giá hiệu năng NOMA

Chương này trình này cơ sở lý thuyết về kênh truyền vô tuyến và các loại
fading, giới thiệu kỹ thuật lọc can nhiễu SIC, đề xuất mơ hình hệ thống, trình
bày phương pháp tính tốn các biểu thức toán học về xác suất dừng hệ thống,
dung lượng hệ thống.
Chương 3: Thử nghiệm và thảo luận
Trình bày phương pháp mơ phỏng và mơi trường mơ phỏng, sau đó kiểm
chứng tính đúng đắn của các biểu thức đã đưa ra ở chương 2 bằng việc mô
phỏng, từ các kết quả đạt được phân tích các đại lượng nào ảnh hưởng đến hiệu
năng hệ thống và đưa ra khuyến cáo về hoạt động của hệ thống.
 Kế hoạch :
 6/9 – 12/9 : Tìm hiểu khái niệm NOMA và các kỹ thuật đa truy cập
trong mạng không dây khác.
 13/9 – 19/9 : Đề xuất một mơ hình hệ thống
 20/9 – 26/9 : Tìm ra biểu thức hiệu năng hệ thống: Xác suất dừng hệ
thống, dung lượng trung bình.
 27/9 – 3/10 : Tìm ra biểu thức hiệu năng hệ thống: Xác suất dừng hệ
thống, dung lượng trung bình.
 4/10 – 10/10 : Tìm ra biểu thức hiệu năng hệ thống: Xác suất dừng hệ
thống, dung lượng trung bình.
 11/10 – 17/10 : Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab.
 18/10 – 24/10 : Khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số hệ thống công
suất phát, khoảng cách, tỉ số phân chia công suất đến hành vi và hiệu
năng của hệ thống.


3
 25/10 – 31/10 : Khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số hệ thống công
suất phát, khoảng cách, tỉ số phân chia công suất đến hành vi và hiệu
năng của hệ thống (tiếp tục).
 1/11 – 7/11 : Thảo luận và đưa ra khuyến nghị.

 8/11 – 14/11 : Viết báo cáo kết quả thực hiện đồ án.


4

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Tổng quan về mạng thông tin di động
1.1.1 Mạng 2G
2G là từ viết tắt của công nghệ viễn thông di động thế hệ thứ 2 có tên gọi
đầy đủ là: hệ thống thơng tin di động toàn cầu (GSM: Global System for Mobile
Communications) ra mắt lần đầu tại Phần Lan vào năm 1991. Theo đó, những
tính năng chính của kết nối di động 2G đó là mã hóa tín hiệu những cuộc hội
thoại (SMS), tin nhắn ở dạng kỹ thuật số (đã cải tiến so với tín hiệu tương tự của
mạng 1G), sẽ cung cấp những dịch vụ dữ liệu khác nhau cho điện thoại di động.
Song song đó, tín hiệu số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng
lượng sóng ít hơn và sử dụng các linh kiện thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích
bên trong thiết bị hơn…
 Đặc điểm:
- Được áp dụng kỹ thuật chuyển mạch số
- Mạng 2G có dung lượng khá lớn
- Tính bảo mật của mạng cực cao
- Rất nhiều dịch vụ kèm theo như: Truyền dữ liệu, nhắn tin, gửi fax,…..
- Công nghệ truyền dẫn TDMA/CDMA
- Chuyển vùng quốc tế
Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple
Access) và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng
từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia:
- GSM (TDMA-based), khơi nguồn áp dụng tại Phần Lan và sau đó trở
thành chuẩn phổ biến trên toàn 6 Châu lục. Và hiện nay vẫn đang
được sử dụng bởi hơn 80% nhà cung cấp mạng di động toàn cầu.

-

CDMA2000 – tần số 450 MHZ cũng là nền tảng di động tương tự
GSM nói trên nhưng nó lại dựa trên nền CDMA và hiện cũng đang
được cung cấp bởi 60 nhà mạng GSM trên toàn thế giới.

-

IS-95 hay còn gọi là cdmaOne, (nền tảng CDMA) được sử dụng rộng
rãi tại Hoa Kỳ và một số nước Châu Á và chiếm gần 17% các mạng
toàn cầu. Tuy nhiên, tính đến thời điểm này thì có khoảng 12 nhà
mạng đang chuyển dịch dần từ chuẩn mạng này sang GSM (tương tự
như HT Mobile tại Việt Nam vừa qua) tại: Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn
Quốc.


5
-

PDC (nền tảng TDMA) tại Japan.

-

iDEN (nền tảng TDMA) sử dụng bởi Nextel tại Hoa Kỳ và Telus
Mobility tại Canada.

1.1.2 Mạng 3G
3G (third-generation) là thuật ngữ được dùng để chỉ thế hệ thứ 3 của hệ
thống mạng di động, với hàm ý nó là sự tiếp nối của các thế hệ 1G và 2G trước
đó.

Điểm mạnh của 3G so với 2G và 2.5G là nó cho phép truyền, nhận các dữ
liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang
di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể
mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc, hình ảnh,
video chất lượng cao, cùng với các dịch vụ khác như định vị toàn cầu GPS, trao
đổi Email, Video streaming hay chơi game trực tuyến,…..
 Đặc điểm:
- Hỗ trợ lượng lớn khách hàng trong việc truyền tải âm thanh và dữ
liệu.
- Tốc độ xử lý dữ liệu nhanh hơn.
- Sử dụng kênh truyền dẫn 5MHz để chuyển dữ liệu.
- Có khả năng truyền tải đa phương tiện.
- Dễ dàng kết nối ở mọi lúc mọi nơi.
- Tốc độ truy cập mạng sẽ đơi lúc khơng ổn định vì phải chia sẻ băng
thông với những người dùng khác.
- Công nghệ truyền dẫn W-CDMA. Hiệu suất phổ cao hơn (~2 b/s/Hz)
Các tiêu chuẩn chung sau đây tuân thủ tiêu chuẩn IMT2000 và
3G/WCDMA là triển khai phổ biến nhất, thường hoạt động trên băng tần 2,100
MHz. Một số khác sử dụng các băng tần 850, 900 và 1,900 MHz.HSPA là một sự
pha trộn của một số nâng cấp lên chuẩn W-CDMA ban đầu và cung cấp tốc độ
14,4 Mbit/s và 5,76 Mbit/s. Tốc độ chip của WCDMA đươc chọn là 3,84 Mcps.
WCDMA truyền nhiều kênh cùng một lúc với các mã trực giao khác nhau, những
kênh mã này có thể gây nhiễu với nhau khi giao thoa “pha” nhận được bởi một
trạm gốc không được lý tưởng.
1.1.3 Mạng 4G
Mạng 4G là tên viết tắt của Fourth-Generation, đây là công nghệ truyền
thông không dây cho phép truyền tải dữ liệu tối đa lên tới 1 - 1.5Gb/giây ở điều
kiện lý tưởng. Các tiêu chuẩn thiết lập cho kết nối 4G được Tổ chức kết nối

6
mạng thế giới ITU-R ban hành vào tháng 3 năm 2008, địi hỏi tất cả các dịch vụ
có 4G phải tuân thủ đúng một loạt các tiêu chuẩn về đường truyền tốc độ và kết
nối. Các ứng dụng đang được thực hiện để sử dụng mạng 4G là: Dịch vụ Nhắn
tin Đa phương tiện (MMS), Video kỹ thuật số (DVB) và trị chuyện video, nội
dung Tivi có độ nét cao và TV di động.
 Đặc điểm
- Tốc độ cao, hiệu suất cao
- Hỗ trợ ứng dụng phần mềm trên thiết bị chạy mượt hơn
-

Sử dụng các kỹ thuật phân tập (thời gian, tần số, không gian)
Công nghệ truyền dẫn hợp kênh phân chia tần số trực giao

Mạng 4G hiện hoạt động trên băng tần LTE. Tiêu chuẩn LTE có thể được
dùng với nhiều băng tần khác nhau. Ở Bắc Mỹ, dải tần 700/ 800 và 1700/ 1900
MHz được quy hoạch cho LTE. 800, 1800, 2600 MHz ở châu Âu. 1800 và 2600
MHz ở châu Á. và 1800 MHz ở Australia. Đặc tả kỹ thuật LTE chỉ ra tốc độ tải
xuống đỉnh đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên đỉnh đạt 75 Mbit/s và QoS quy định cho
phép trễ truyền dẫn tổng thể nhỏ hơn 5 ms trong mạng truy nhập vơ tuyến.
LTE có khả năng quản lý các thiết bị di động chuyển động nhanh và hỗ trợ
các luồng dữ liệu quảng bá và đa điểm. LTE hỗ trợ băng thông linh hoạt, từ 1,25
MHz tới 20 MHz và hỗ trợ cả song công phân chia theo tần số (FDD) và song
công phân chia theo thời gian (TDD).
1.2 Mạng 5G
1.2.1 Mạng 5G là gì
5G là thế hệ cơng nghệ di động thứ 5 (hoặc công nghệ mạng công nghệ di
động thứ 5), là thế hệ tiếp theo của công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G), được
thiết kế để cải thiện đáng kể tốc độ kết nối mạng Internet di động, độ phủ sóng và
độ trễ của mạng di động.5G hoạt động ở các băng tần 28, 38, và 60 GHz.

Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới Mạng lưới
vạn vật kết nối Internet (IoT), trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan
trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường. Hàng tỷ bộ cảm
biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi
sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo. Tuy nhiên, để cung cấp 5G, các nhà
mạng sẽ cần phải tăng cường hạ tầng cơ sở mạng lưới (gọi là trạm gốc). Họ có
thể bắt đầu bằng cách khai thác dải phổ hiện cịn trống. Sóng tín hiệu với tần số
đo MHz sẽ được nâng cao lên thành GHz hay thậm chí nhanh hơn. Tần số giao
tiếp của điện thoại hiện nay ở dưới mức 3GHz nhưng mạng 5G sẽ yêu cầu những


7
băng tần cao hơn. Mạng 5G được tung ra vào năm 2020 để đáp ứng nhu cầu kinh
doanh và người tiêu dùng.

Hình 1. 1: Mạng di động qua các thế hệ
Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang được sử dụng bởi mạng 2G,
3G và 4G, có thể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Platform
Stations).
Về cơ bản, các trạm HAPS là những chiếc máy bay treo lơ lửng ở một vị
trí cố định trong khoảng cách từ 17km~22km so với mặt đất và hoạt động như
một vệ tinh. Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình trạng
bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng.
Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm cơ sở có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn;
do đó làm giảm, nếu khơng nói là loại bỏ, những vấn đề về diện tích vùng phủ
sóng. Thậm chí trên biển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền khơng thể phủ
sóng, cũng bắt được tín hiệu 5G.


8

Hình 1. 2: Trạm HAPS ngồi khơng gian
Đó là kỹ thuật mới và rất tốt trong việc phục vụ dịch vụ thông tin không
dây băng thông rộng. Trạm HAPS cung cấp một phạm vi với bán kính khoảng
tầm 30 Km. Do đó có thể thiết lập duy nhất trạm HAPS thay vì phải dùng một số
trạm cơ sở đặt trên mặt đất ở khu vực ngoại ô và nông thôn như ở các thế hệ
trước. Trạm HAPS không yêu cầu bệ phóng đắt tiền như vệ tinh vì vậy mang lại
hiệu quả chi phí cũng như có thể dễ dàng triển khai, vì vậy nó cũng được sử dụng
trong trường hợp khẩn cấp hoặc tai nạn. HAPS cung cấp các tuyến liên kết quan
sát với công suất cao của các ứng dụng băng thơng rộng. Do ở trên cao có tác
động sự thay đổi khơng khí nên trạm HAPS sẽ thay đổi tùy ở vị trí theo chiều dọc
và chiều ngang. Sự chuyển động này làm thay đổi, sai lệch góc nhìn các thiết bị
đầu cuối trên mặt đất. Nếu sự thay đổi này lớn hơn bề rộng chùm tia của anten thì
yêu cầu tăng hoạt động liên kết. Nhờ sử dụng cách này nó sẽ khắc phục được
nhiều hạn chế và sẽ giúp đường truyền tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình
trạng bị cản trở bởi những nhà cao tầng. Do các trạm nằm ở trên cao nên sẽ có
khả năng bao phủ diện tích rộng lớn giúp làm giảm những vấn đề về diện tích
phủ sóng.
1.2.2 Các yêu cầu mạng 5G
Theo dự kiến yêu cầu của mạng 5G, sẽ có sự khác biệt lớn giữa các thế hệ
hiện tại. Với thế hệ mới 5G yêu cầu bao gồm:
- Mức tiêu thụ pin thấp hơn, tăng tuổi thọ của pin.


9
-

Dung lượng hệ thống cao hơn, giảm thiểu tắc nghẽn mức thấp nhất, độ
trễ thấp.

-

Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, cung cấp nhiều kết nối ổn định và đáng
tin cậy hơn, phạm vi bao phủ tốt hơn và tốc độ dữ liệu cao ở viền phạm
vi phủ sóng giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến diện tích phủ sóng

-

(thậm chí ngay cả trên biển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền khơng
thể phủ sóng cũng bắt được tín hiệu 5G).
An tồn hơn, hiệu quả năng lượng cao, không gây hại cho sức khỏe con

-

người.
Hỗ trợ kết nối đồng thời lớn, gia tăng số lượng người kết nối đồng thời.

-

Lệ phí lưu lượng truy cập rẻ hơn do chi phí triển khai cơ sở hạ tầng thấp.

-

Các ứng dụng kết hợp với cảm biến nhân tạo thông minh hơn (AI) sẽ ra
đời, giúp tăng khả năng giao tiếp giữa con người với điện thoại di động
thông minh. Khả năng tương tác linh hoạt và hỗ trợ nhiều loại thiết bị
khác nhau như máy tính bảng, thiết bị đeo tay.

1.2.3 Ứng dụng của mạng 5G
- Game và thực tế ảo: Game trên di động đã phát triển vượt bậc, thậm chí

là gần đuổi kịp được các nền tảng chơi game chuyên nghiệp như PS 4
hay Xbox One. Tuy nhiên có một hạn chế khiến những người chơi game
di động chưa thể có được trải nghiệm như các hệ máy chơi game khác,
đó là tốc độ đường truyền. Tuy nhiên sự khác biệt đó sẽ khơng cịn nữa,
khi mà tốc độ internet khơng dây trên di động có thể sánh ngang, thậm
chí là nhanh hơn đường truyền cáp quang. Đây sẽ là bước tiến vượt bậc
của các tựa game di động. Nhưng cuộc cách mạng không phải là game,
mà đó là cơng nghệ thực tế ảo. Mark Zuckerberg đã từng phát biểu tại
MWC 2016: “VR sẽ là một trong những ứng dụng sát thủ của mạng 5G”.
Truyền dữ liệu không dây với tốc độ cao, đồng nghĩa với việc bạn sẽ
không phải chờ đợi để dữ liệu được truyền đến thiết bị thực tế ảo sử dụng
smartphone, giống như Samsung VR.
-

Xe tự lái: Xe tự lái là một công nghệ mới, không chỉ dựa vào các camera
và cảm biến, mà những chiếc xe này cần phải có khả năng giao tiếp với
nhau và giao tiếp với hệ thống cơ sở hạ tầng để đưa ra cách xử lý tình
huống. Chính vì vậy mà mạng internet di động tốc độ cao là một yếu tố


10
vơ cùng cần thiết. Khơng có độ trễ đồng nghĩa với việc những chiếc xe
sẽ xử lý tình huống nhanh hơn và giảm thiểu tai nạn xảy ra. Trong những
tình huống nguy hiểm, 1 giây cũng có thể quyết định giữa sống chết.
-

Chăm sóc y tế từ xa: Các bác sĩ đã có thể phẫu thuật bằng những cánh
tay robot, tuy nhiên mạng 5G có thể cách mạng hóa phương pháp đó lên
một tầm cao mới. Khơng cịn độ trễ sẽ giúp các bác sĩ thực hiện các thao
tác phẫu thuật một cách chuẩn xác hơn hay cả khi cách đó hàng nghìn

cây số. Trong khi hầu hết các thiết bị di động cao cấp hiện nay đều có
tính năng theo dõi sức khỏe, nhưng nó vẫn chưa thực sự tỏ ra hiệu quả
trong việc chẩn đoán bệnh. Nhưng với mạng 5G, các bác sĩ có thể chẩn
đốn bệnh từ xa và theo dõi tình hình sức khỏe người bệnh theo thời gian
thực.

-

Hội nghị trực tuyến: Đây không phải là một công nghệ mới, nhưng với
tốc độ đường truyền internet như trước đây thì việc họp hội nghị trực
tuyến vẫn còn rất bị hạn chế. Bởi độ chễ hoặc độ phân giải quá thấp.
Nhưng với 5G, mọi thứ sẽ được giải quyết khi bạn có thể tham gia vào
một cuộc họp mà giống như mình đang có mặt trực tiếp tại đó. Kết hợp
với cơng nghệ thực tế ảo, đó sẽ là một cuộc cách mạng lớn trong việc kết
nối tất cả mọi người trên thế giới. Sẽ khơng cịn khoảng cách nhờ có
mạng di động tốc độ cao.

1.2.4 Những thách thức trong q trình thƣơng mại hóa 5G
Những lợi ích do mạng 5G mang lại là rất lớn. Mặc dù vậy, vẫn còn một
số vấn đề cần phải được giải quyết trước khi cơng nghệ 5G có thể trở thành hiện
thực. Đó là sự sẵn sàng của băng tần và các thách thức về mặt công nghệ, ứng
dụng, chẳng hạn như làm thế nào để tạo ra các kiến trúc mạng có thể gia tăng
được lượng dữ liệu truyền tải cao hơn và các tốc độ truyền tải dữ liệu cần thiết để
có thể chứa được nhiều người dùng hơn trên hệ thống mạng. Cụ thể những thách
thức như sau:
- Thứ nhất là về cơ sở hạ tầng khi triển khai xây dựng mạng 5G. Hầu hết
trạm di động hiện nay đều đã được lắp đặt rất nhiều thiết bị 2G, 3G, 4G
nên không đủ không gian để lắp đặt 5G và các hạ tầng, như nguồn điện,
ăng-ten cần phải nâng cấp để đáp ứng yêu cầu cho mạng 5G. Do đó sẽ dễ
phát sinh chi phí lớn.

11
-

Thứ hai là thời gian triển khai cung cấp dịch vụ. Thị trường viễn thơng là
thị trường đóng. Nếu một số nhà mạng cùng chia sẻ một thị trường thì

-

những nhà mạng nào cung cấp dịch vụ sớm sẽ chiếm được thị phần lớn
hơn. Các nhà mạng ra sau sẽ bị thiệt thòi hơn và đánh mất thị phần.
Thứ ba là khả năng tối ưu hóa chi phí bởi chi phí thiết bị mạng 5G cao và
yêu cầu triển khai số lượng trạm lớn, do đó chi phí đầu tư, bao gồm chi
phí thiết bị và vận hành mạng, sẽ rất lớn. Vì vậy các nhà mạng cần phải
tối ưu chi phí đó để tăng hiệu quả đầu tư.

-

Thách thức quan trọng còn lại là trải nghiệm người dùng bởi khi chuyển
sang mạng 5G, người dùng mong tốc độ cao nhưng lại vẫn muốn chi phí
thấp. Việc này tạo ra thách thức không hề đơn giản cho các nhà mạng để
đảm bảo yêu cầu về trải nghiệm người dùng tốt nhất, tăng tính cạnh
tranh.

1.3 Đa truy cập trong mạng thơng tin di động
Các phương thức đa truy nhập vô tuyến được sử dụng rộng rãi trong các mạng
thông tin di động.
Thông thường ở một hệ thống thông tin đa truy nhập vơ tuyến có nhiều trạm
đầu cuối và một số các trạm có nhiệm vụ kết nối các trạm đầu cuối này với mạng

hoặc chuyển tiếp các tín hiệu từ các trạm đầu cuối đến một trạm khác. Các trạm đầu
cuối ở trong các hệ thống thống tin di động mặt đất là các máy di động còn các trạm
đầu cuối trong các hệ thống thông tin vệ tinh là các trạm thông tin vệ tinh mặt đất.
Các trạm kết nối các trạm đầu cuối với mạng hoặc chuyển tiếp các tín hiệu từ các
trạm đầu cuối đến các trạm khác là các trạm gốc trong thông tin di động mặt đất
hoặc các bộ phát đáp trên vệ tinh trong các hệ thống thơng tin vệ tinh. Do vai trị
của trạm gốc trong thông tin di động mặt đất và bộ phát đáp vệ tinh cũng như máy
di động và trạm mặt đất giống nhau ở các hệ thống đa truy nhập vô tuyến nên trong
phần này ta sẽ xét chúng đổi lẫn cho nhau.


12

Hình 1. 3: Các hệ thống đa truy cập
Trong các hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến bao giờ cũng có hai đường
truyền: một đường từ các trạm đầu cuối đến các trạm gốc hoặc các trạm phát đáp,
còn đường kia theo chiều ngược lại. Theo quy ước chung đường thứ nhất được là
đường lên còn đường thứ hai được gọi là đường xuống. Các phương pháp đa truy
nhập được chia thành bốn loại chính:
-

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division
Multiple Access).

-

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple
Access).

-

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple
Access).

-

Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA: Space Division
Access).

1.3.1 Đa truy cập phân chia theo tần số - FDMA
Trong phương pháp đa truy cập này độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống
B MHz được chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con được ấn định cho một
kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz. Trong dạng đa truy cập này các máy
vô tuyến đầu cuối phát liên tục một số sóng mang đồng thời trên các tần số khác
nhau. Cần đảm bảo các khoảng bảo vệ giữa từng kênh bị sóng mang chếm để
phịng ngừa sự khơng hồn thiện của các bộ lịch và các bộ dao động. Máy thu
đường xuống hoặc đường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp.


13
Như vậy, FDMA là phương thức đa truy cập mà trong đó mỗi kênh được
cấp phát một tần số cố định. Để đảm bảo FDMA hoạt động tốt, tần số phải được
phân chia và quy hoạch thống nhất trên toàn thế giới.

Hình 1. 4: FDMA và nhiều giao thoa lân cận
Để đảm bảo thơng tin song cơng, tín hiệu phát thu của một máy thuê bao
phải hoặc được phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhưng khoảng thời
gian phát thu khác nhau. Phương pháp thứ nhất được gọi là ghép kênh song công
theo tần số (FDMA/FDD), còn phương pháp thứ hai được gọi là ghép kênh song
công theo thời gian (FDMA/TDD).

Phương pháp FDMA/FDD được mô tả như hình dưới:

Hình 1. 5: Phân bổ tần số và phương pháp FDMA/FDD
Trong đó:
-

x : khoảng cách tần số giữa hai kênh lân cận

-

y : khoảng cách tần số thu phát


14
-

B : băng thông cấp phát cho hệ thống

-

f 0 : tần số trung tâm

-

f '0 : tần số đường xuống

-

fi : tần số đường lên

Trong phương pháp này băng tần dành cho hệ thống được chia thành hai
nửa: Một nửa thấp (Lower Half Band) và một nửa cao (Upper Half Band). Trong
mỗi nữa băng tần người ta bố trí các tần số cho các kênh. Trong hình dưới, các
cặp tần số ở nửa băng thấp và nửa băng cao có cùng chỉ số được gọi là cặp tần số
thu phát hay song công, một tần số sẽ được sử dụng cho máy phát còn một tần số
được sử dụng cho máy thu của cùng một kênh, khoảng cách gần nhất giữa hai tần
số trong cùng một nửa băng được gọi là khoảng cách giữa hai kênh lân cận
(Delta x), khoảng cách này phải được chọn đủ lớn để đối với một tỷ số tín hiệu
trên tạp âm cho trước (S/N) hai kênh cạnh nhau không thể gây nhiễu cho nhau.
Như vậy mỗi kênh bao gồm một cặp tần số: một tần số ở băng tần thấp và một
tần số ở băng tần cao để đảm bảo thu phát song công. Thông thường ở đường
phát đi từ trạm gốc xuống trạm đầu cuối được gọi là đường xuống, còn đường
phát đi từ trạm đầu cuối đến trạm gốc được gọi là đường lên. Khoảnh cách giữa
hai tần số đường xuống và đường lên là Detal Y. Trong thông tin di động tần số
đường xuống bao giờ cũng cao hơn tần số đường lên để suy hao ở đường lên thấp
hơn đường xuống do công suất phát từ máy cầm tay không thể lớn.
Trong phương pháp FDMA/TDD cả máy thu và máy phát có thể sử dụng
chung một tần số (nhưng phân chia theo thời gian) khi này, băng tần chỉ là một
và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳ trong băng tần (phương pháp ghép
song công theo thời gian: TDD). Phương pháp này được mô tả như sau:


15

Hình 1. 6: Phân bổ tần số và phương pháp FDMA/TDD
Trên hình vẽ cho thấy kênh vơ tun giữa trạm gốc và máy đầu cuối chỉ sử
dụng một tần số fi cho cả phát và thu. Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳng hạn
trước tiên trạm gốc phát xuống máy thu đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là
Tx, sau đó ngừng phát và thu tín hiệu phát đi từ trạm đầu cuối ở khe thời gian
được ký hiệu là Rx, sau đó lại phát ở khe Tx….

1.3.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian – TDMA
Hình 1.7 cho thấy sự hoạt động của một hệ thống theo nguyên lý đa truy
cập phân chia theo thời gian. Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liên tục
trong thời gian TB. Sự truyền dẫn này được gọi là cụm. Sự phát đi một cụm được
đưa vào một cấu trúc thời gian dài hơn được gọi là chu kỳ khung, tất cả các máy
đầu cuối vô tuyến phải phát đi theo cấu trúc này. Mỗi sóng mang thể hiện một
cụm sẽ chiếm tồn bộ độ rộng của kênh vơ tuyến được mang bởi tần số sóng
mang fi.