(Luận Văn Thạc Sĩ) Tính Hiệu Năng Của Hệ Thống Thông Tin Di Động 4G.pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
--------

NGUYỄN VĨNH HƢNG

TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG 4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĨNH HƢNG

TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG 4G
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG NGHỆ THƠNG TIN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Ngô Hồng Sơn

Hà Nội - 2014

LỜI CAM ĐOAN
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hồn tồn
trung thực, của tơi, khơng vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tơi hồn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Vĩnh Hƣng


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ i
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. iii
MỞ ĐẦU....................................................................................................................1
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG VÀ Q
TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G ..............................................................................3
1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) ...........................................................3
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) ...........................................................4
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ...........................................................5
1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) ...........................................................6
1.4.1 Quá trình phát triển 4G .............................................................................7
1.4.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G ..................................................................11
Chƣơng 2: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN .........13
2.1 Mơ hình kênh nhiễu Gauss ...............................................................................13
2.2 Mơ hình kênh Fading: .......................................................................................14
2.2.1 Các đặc trưng thống kê:..........................................................................15
2.2.2 Mơ hình các kênh vô tuyến di động .......................................................16
2.3 Hiệu năng khi truyền tín hiệu số trên kênh AWGN: ........................................17
2.4 Xác suất lỗi đối với kênh fading phẳng: ...........................................................18

2.5 Xác suất gián đoạn hệ thống ............................................................................20
2.6 Điều chế M-ASK: .............................................................................................21
2.6.1Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh AWGN ...........................21
2.6.2 Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh fading ............................22
2.7 Hiệu năng của hệ thống điều chế M-QAM .......................................................23
2.7.1 Hiệu năng hệ thống M-QAM truyền trên kênh AWGN ........................23
2.7.2 Hiệu năng của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading Rayleigh:....24
2.7.3 Xác suất gián đoạn hệ thống: .................................................................25
2.8 Hiệu năng của hệ thống M-PSK .......................................................................26
2.8.2 Hiệu năng của hệ thống M-PSK truyền qua kênh fading Rayleigh .......27
2.8.3 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-PSK ...............................................28
Chƣơng 3: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ......30


3.1 Mơ hình hệ thống MIMO..................................................................................30
3.2 Hiệu năng của hệ thống phân tập không gian ở đầu thu ...................................32
3.3 Hiệu năng hệ thống đối với phân tập không gian ở đầu phát ...........................35
3.3.1 Trường hợp máy phát biết được thông tin về trạng thái kênh ................35
3.3.2 Trường hợp máy phát không biết thông tin kênh ...................................35
3.4 Hiệu năng của hệ thống MIMO ........................................................................37
3.5 Mơ hình hệ thống OFDM .................................................................................38
3.6 Hiệu năng của hệ thống OFDM ........................................................................43
3.7 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM:....................................................................46
3.8 Hiệu năng của hệ thống MIMO-OFDM ..........................................................46
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH HIỆU NĂNG MẠNG 4G ..........................54
4.1 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit trong mơ hình OFDM .........................................54
4.2 Xây dựng và tính hiệu năng LTE .....................................................................56
Tỷ số lỗi bit BER: ............................................................................................58
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR: ...............................................................................58
Quan hệ của BER với SNR: ....................................................................................58

Xác suất lỗi .............................................................................................................58
4.3 Kết quả mô phỏng quan hệ BER và SNR .........................................................58
Đối với trường hợp SC-FDMA điều chế thích nghi với BER = 1e-3 ............59
4.4 Kết quả mô phỏng xác suất lỗi đối với hệ thống OFDMA và SC-FDMA điều
chế thích nghi ..........................................................................................................59
Trường hợp SC-FDMA Pe=1e-0.5 kết quả được biểu thị trong bảng 4.5 .............60
4.5 Kết quả mô phỏng tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình PAPR của
OFDMA và FC-FDMA điều chế thích nghi ...........................................................61
4.4 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit với mơ hình kênh MIMO-OFDM ......................65
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...........................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................68


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1G
First Generation
2G
Second Generation
3G
Third Generation
3GPP
3rd Generation Partnership Project
AWGN
Additive White Gaussian Noise
BER
Bit Error Rate
CDMA
Code Division Multiple Access
DFT
Discrete Fourier Transform

FFT
Fast Fourier Transform
FDMA
Frequency Division Multiple Access
GSM
Global System for Mobile Communication
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
ITU
International Telecommunication Union
ITU-R
ITU Radiocommunication Sector
ISI
Inter Symbol Interference
IMT-ADVANCED
International Mobile TelecommunicationsAdvanced
LTE
Long Term Evolution
MIMO
Multiple-Input Multiple-Output
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiple
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
PAPR
Peak to Average Power Ratio
SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access
SDMA

Space-Division Multiple Access
SNR
Signal to Noise Ratio
TDMA
Time Division Multiple Access
UE
User Equipment
UMB
Ultra Mobile Broadband
UMTS
Universal Mobile Telecommunication Systems
WCDMA Wireless Code Division Multiple Access

i


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1 Tham số của mơ hình kênh MIMO ................................................................32
Bảng 4.1 Thông số mô phỏng OFDM ...........................................................................54
Bảng 4.2 Bảng mô phỏng LTE ......................................................................................57
Bảng 4.3 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA...........................................58
Bảng 4.4 Quan hệ BER với SNR trong trường hợp SC-FDMA ...................................59
Bảng 4.5 Kết quả của Pe với OFDMA ..........................................................................60
Bảng 4.6 Kết quả của Pe với hệ thống SC-FDMA........................................................60

ii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Q trình phát triển của các mạng thông tin di động 3G-4G ...........................8
Hình 1.2 Các khả năng của các mạng sau 3G .................................................................9
Hình 1.3 Các mạng tương lai ...........................................................................................9
Hình 1.4 Cấu trúc lớp của mạng tương lai ....................................................................10
Hình 2.1: Mơ hình kênh AWGN ...................................................................................13
Hình 2.2: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng .......................................14
Hình 2.3 Mơ hình kênh lựa chọn tần số ........................................................................16
Hình 2.4 Xác suất lỗi đối với hệ thống BPSK truyền qua các kênh AWGN, Rayleigh
và Rice fading có hệ số Rice K khác nhau ....................................................................20
Hình 2.5 Xác suất gián đoạn đối với hệ thống BPSK trong kênh fading Rayleigh .....21
Hình 2.7 Xác suất lỗi đối với hệ thống M-ASK trên kênh ............................................22
AWGN và fading Rayleigh ...........................................................................................22
Hình 2.8 Xác suất lỗi kí hiệu đối với hệ thống truyền tin M-QAM ..............................24
Hình 2.9 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading với
ngưỡng Pt  103 ...........................................................................................................25
Hình 2.10 Mặt phẳng kí hiệu điều chế M-PSK .............................................................26
Hình 2.11 Xác suất lỗi kí hiệu đối với truyền M-PSK trên kênh AWGN và kênh
fading Rayleigh..............................................................................................................28
Hình 2.12 Xác suất gián đoạn đối với truyền M-PSK trên kênh fading Rayleigh với
mục tiêu xác suất lỗi .....................................................................................................29
Hình 3.1 Mơ hình MIMO ..............................................................................................30
Hình 3.2 Dàn anten ở đầu thu ........................................................................................32
Hình 3.3 Xác suất gián đoạn hệ thống khi sử dụng phân tập không gian trong kênh
fading Rayleigh..............................................................................................................34
Hình 3.5 Sơ đồ khơng gian tín hiệu 8-PSK ...................................................................41
Hình 3.6 Chùm tím hiệu của 16 QAM (M=16) .............................................................43
Hình 4.1 Kết quả mơ phỏng OFDM ..............................................................................55
Hình 4.2 Mơ hình truyền dẫn OFDMA .........................................................................56
Hình 4.3 Mơ hình truyền dẫn SC-FDMA ......................................................................56
Hình 4.4 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA điều chế thích nghi ...........58

iii


Hình 4.5 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống SFDMA điều chế thích nghi ............59
Hình 4.6 Xác suất lỗi trong hệ thống OFDMA ............................................................60
Hình 4.7 Xác suất lỗi trong hệ thống SC-FDMA .........................................................61
Hình 4.8 PAPR trong hệ thống OFDMA .....................................................................61
Hình 4.9 PAPR trong hệ thống SC-FDMA ..................................................................62
Hình 4.10 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế BPSK ....................................63
Hình 4.11 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế QPSK .....................................63
Hình 4.12 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 16 QAM .........................63
Hình 4.13 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 64 QAM .........................64
Hình 4.14 Mơ phỏng MIMO 2x2 và đánh giá phân tập ................................................65
Hình 4.15 MIMO-OFDM với bộ điều chế BPSK .........................................................66

iv


MỞ ĐẦU
Ngày nay do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông
vô tuyến đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông
tin cho người dùng. Các hệ thống thông tin tương lai địi hỏi phải có dung lượng
cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu
tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ
khơng cịn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương
lai.Với xu hướng phát triển mạng viễn thơng thế giới cũng như Việt Nam đó thì
trong tương lai không xa trên sẽ xuất hiện mạng 4G đầy đủ trên nền cơng nghệ
OFDM.
Để đón đầu, tiến tới làm chủ công nghệ 4G vấn đề đầu tiên cần phải

nghiên cứu là hiệu năng của hệ thống và đặc trưng nhất là tỷ lệ lỗi bit BER vì
vậy học viên chọn cho mình đề tài “ Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di
động 4G”
A. Ý nghĩa thực tiễn và tính khoa học của đề tài
- Ý nghĩa khoa học:
+ Phân tích BER trong một số giải pháp điều chế và mơi trường truyền
sóng khác nhau
+ Mơ phỏng kiểm chứng
- Ý nghĩa thực tế
+ Phục vụ cho phân tích và thiết kế hệ thống truyền tin 4G và các hệ
thống thế hệ sau này
B. Mục tiêu của đề tài:
Nghiên cứu phân tích lý thuyết và mơ phỏng kiểm chứng BER của hệ
thống 4G
C. Phương pháp nghiên cứu
+ Dùng toán học để phân tích
+ Dùng mơ phỏng kiểm chứng
D. Nội dung luận văn:
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận văn bao gồm:
Chƣơng 1:Giới thiệu về hệ thống thơng tin di động và q trình phát
triển lên mạng 4G
Giới thiệu các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ
lượt q trình của hệ thống thơng tin di động thế hệ 4. Hai thông số quan trọng
đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thơng tin của người
sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải
1


thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm
đó. Để từng bước đi sâu vào tính hiệu năng mạng 4G chúng ta sẽ đi sâu vào tìm

hiểu các đặc tính của kênh vơ tuyến ở chương 2.
Chƣơng 2: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến
Trong chương 2 sẽ trình bày các kiến thức cơ sở về lý thuyết liên quan
giới thiệu một số mơ hình cơ bản của kênh thơng tin vơ tuyến: Mơ hình kênh
nhiễu cộng, kênh fading. Trên cơ sở các mơ hình đó sẽ tính tốn hiệu năng của
hệ thống mà chỉ yếu tập trung tính xác suất lỗi bit trong từng trường hợp của mơ
hình đã có.
Chƣơng 3: Tính hiệu năng của hệ thống thơng tin di động 4G
Trong chương 3 sẽ trình bày các mơ hình và cơng thức tính hiệu năng đã
được đưa ra cho hệ thống thông tin di động 4G dựa trên nên công nghệ vô tuyến
MIMO, OFDM và MIMO-OFDM, đạt được hiệu quả truyền thông tốc độ cao và
cải thiện hiệu năng truyền dẫn trong kênh AWGN và Fading Rayleigh.
Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình mơ phỏng cơng nghệ trong mạng
4G và đánh giá hiệu năng (BER)
Trong chương 4, Xây dựng mơ hình mơ phỏng mạng 4G bao gồm Mơ hình
OFDM, Mơ hình MIMO, Mơ hình MIMO OFDM, Mơ hình vật lý 4G LTE.Tính
xác suất lỗi Bit (BER) của các mơ hình và đánh giá.
Kết luận và hƣớng phát triển

2


Chƣơng 1:
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ Q
TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G
Thơng tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã
hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và
thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó.
Hơn ba chục năm qua các loại mạng di động khác nhau đã ra đời góp
phần vào sự phát triển chung của kinh tế xã hội tồn cầu. Cho đến nay, hệ thống

thơng tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ
1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4.
Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ
thống thơng tin di động.
1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)
Những hệ thống thông tin di động đầu tiên ra đời vào năm 1980, nay được
gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân
chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vơ tuyến đến th bao
điện thoại di động. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các
kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập.
Đặc điểm:
- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
- Trạm thu phát gốc (BTS) phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS
trong cell.
- Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến
AMPS.
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản và
không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dung lượng và tốc
độ.
Bao gồm các hạn chế sau:
- Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ
- Nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa
tia
- Khơng đảm bảo tính bảo mật và khơng tương thích giữa các hệ thống
khác nhau
- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp
3

Để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng hệ thống thông
tin số với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ
được cung cấp trên hệ thống thông tin di động thế hệ 2.
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)
Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo
thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu vào những năm
1990 đó là GSM (Global System Mobile), PPC (Persolnal Digital Cellular) và
IS- GS (Interim Standard) chủ yếu để phục vụ truyền dịch vụ thoại.
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thơng tin di động
thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên
công nghệ số. Hệ thống 2G ưu điểm hơn hệ thống 1G bởi vì ngồi dịch vụ thoại
truyền thống, hệ thống này cịn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ
liệu và các dịch vụ bổ sung khác.
Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm
1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai
mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế
số và sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:
- Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access TDMA) phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
- Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.
Đặc điểm:
Đối với hệ thống dùng phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian
(TDMA):
Phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước và phân phát
theo yêu cầu. Phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định
trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngược lại trong phương pháp phân định
theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng
được hiệu suất sử dụng mạch.
Các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh

kế cận giảm đáng kể
Sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc
phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để
tránh trùng lặp tín hiệu. Với số lượng kênh ghép tăng nên ảnh hưởng thời gian
trễ do truyền dẫn đa đường, cần sự đồng bộ phải tối ưu
Đối với hệ thống dùng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã
4


Hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử
dụng là 8-13 kbps
Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có
cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn.
Các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn vô tuyến đơn giản, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt
Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp
từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an tồn (tính bảo mật thơng tin) cao hơn do sử
dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa
đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt.
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 2
Tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp. Vì thế cần thiết phải chuyển đổi lên
mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền số liệu, nâng
cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ để đáp ứng nhu cầu của thị trường
trong các lĩnh vực như: Dịch vụ dữ liệu máy tính, dịch vụ viễn thơng, dịch vụ
nội dung số như âm thanh hình ảnh.
Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống
thông tin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và đã áp dụng trong thực tế
chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động: Thông tin di động 3G.
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)
Trong những năm gần đây trên thị trường thế giới cũng như Việt Nam đã

xuất hiện các hệ thống thông tin di động 3G dựa trên công nghệ số phục vụ
truyền dẫn dịch vụ hỗn hợp thoại, số liệu, lưu lượng đa phương tiện trên cơ sở
mạng hỗn hợp kênh và gói [4,5]...
Hệ thống thơng tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai
đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng cơng nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều
khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên
phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã
được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3
này các hệ thống thơng tin di động có xu thế hồ nhập thành một tiêu chuẩn duy
nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các
hệ thống thông tin di động băng hẹp, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi
là các hệ thống thông tin di động băng rộng.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã
được đề xuất, trong đó hai hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU
chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000.
5


Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, cho phép thực hiện tiêu chuẩn
toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của
các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM,
IS-136
CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử
dụng công nghệ CDMA: IS-95
Đặc điểm:
Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz, đường lên : 1885-2025 MHz,
đường xuống: 2110-2200 MHz
Hệ thống thông tin di động tồn cầu cho các loại hình thơng tin vơ tuyến:
Tích hợp các mạng thơng tin hữu tuyến và vơ tuyến, tương tác với mọi

loại dịch vụ viễn thông. Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong
công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh.
Hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual
Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển
mạng toàn cầu, đảm bảo chuyển mạng quốc tế, đảm bảo các dịch vụ đa phương
tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo
gói.
Hệ thống 3G đầu tiên được nhật bản khai thác triển khai vào tháng 102011; ở Việt Nam được triển khai vào năm 2004 với sự bùng nổ của internet,
yêu cầu dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng cao cả về tốc độ lẫn chất lượng,
nhu cầu tính tốn khắp mọi nơi mọi lúc các hệ thống thông tin di động thế hệ ba
chưa đáp ứng đầy đủ các u cầu đó, vì vậy một loại cơng nghệ khác sẽ ra đời
trong một tương lai không xa đó là mạng di động 4G.
1.4 Hệ thống thơng tin di động thế hệ 4 (4G)
Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải
dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps.
Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các
nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ
liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép
người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G
cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thơng phổ biến nhất, góp phần
tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN)
và các ứng dụng khác.
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao
OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những
6


tần số khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên
nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng
máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho

phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng
đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, `do đó, giảm trễ thời gian
truyền và nhận dữ liệu.
1.4.1 Q trình phát triển 4G
Hệ thống thơng tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian
là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Đây
là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của
hệ thống 3G W-CDMA.HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại
có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố
hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường. HSDPA là một bước tiến
nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS.
HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản
(tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và
phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming.
3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE
chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết
lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông
20MHz .LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày
14/12/2009. Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High
Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị
viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia,
Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu... đã bắt
tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France
Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE...) thực hiện
các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành
công đáng kể. LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu
của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả
năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.
Di động WiMAX (IEEE 802. 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không

dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là
128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz.
UMB (Ultra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật
Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel-Lucent,
7


Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA.
UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm
việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng
xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz.
Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng
đồng thời phát triển cả công nghệ LTE.
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT
Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho
thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho th bao ít di chuyển, băng thơng linh
động lên đến 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như
điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa
phương tiện…3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên
của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ
lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng
thơng 20MHz.

Hình 1.1 Q trình phát triển của các mạng thơng tin di động 3G-4G
Trên hình vẽ ta thấy, mạng di động IMT-2000 International Mobile
Telecommunications, tương ứng với hệ thống 3G, mục đích cung cấp một
khoảng dịch vụ rộng đa phương tiện từ thoại đến số liệu lên đến ít nhất 144
Kbps trên xe cộ, 384 Kbps đi từ ngoài vào nhà và 2 Mbps trong nhà và các mơi
trường picocell. Nó cung cấp liên tục dịch vụ băng tần 2GHz với công nghệ
ghép kênh phân theo mã – CDM và đa truy cập phân theo mã CDMA với trợ

giúp cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Gần đây xuất hiện các hệ thống
theo tiêu chuẩn 3GPP [8] và người ta coi đó là hệ thống 3.5G. Một số mạng
8


LAN vô tuyến, LAN tốc độ cao dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11a [10], LAN vô
tuyến hiệu năng cao HIPERLAN/2 [11] và thông tin truy nhập di động đa
phương tiện (Multimedia) MMAC[12,13] đều dựa vào kỹ thuật OFDM, cung
cấp truyền dẫn số liệu lên đến 54 Mbps trong băng tần 5 GHz chúng chủ yếu
cung cấp thông tin giữa các máy tính mơi trường trong nhà, truyền audio, video
thời gian thực. Xu hướng phát triển của hệ thống trên 3G, tiến tới 3G được biểu
thị trên hình 1.2, 1.3, 1.4

Hình 1.2 Các khả năng của các mạng sau 3G

Hình 1.3 Các mạng tương lai
9


Hình 1.4 Cấu trúc lớp của mạng tương lai
Đặc điểm:
4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn
tại,không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS),
chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như
thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác. Cho phép chuyển giao giữa các mạng vô
tuyến trong khu vực cục bộ và kết nối với hệ thống quảng bá video số
Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz.
Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1
Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm.
Kỹ thuật đƣợc sử dụng trong mạng 4G

Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý:
Sử dụng MIMO để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng
phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng.
Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc
SCFDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống : để tận
dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp.
Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở
đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con
khác nhau dựa trên điều kiện kênh.
Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu.
Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian.
Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.
10


1.4.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có
hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ cơng nghệ 3G
Về mặt lý thuyết, mạng khơng dây sử dụng cơng nghệ 4G sẽ có tốc độ
nhanh hơn mạng 3G từ 4 -10 lần
Tốc độ tối đa của 3G : tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với cơng
nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps
đối với người dùng cố định
3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL
: 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz.
Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz với mục
tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vơ tuyến gói dữ liệu
tối ưu
Tốc độ DL :100Mbps (ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten thu một
anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE

so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20
MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với
WCDMA.
Ƣu điểm nổi bật của 4G
Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G
Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ
Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ khơng cịn chuyển mạch kênh nữa
Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA.
Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối
với WCDMA.
Các ứng dụng đã tạo nên ƣu điểm của 4G LTE so với 3G
Hiệu suất phổ cao sử dụng OFDM ở downlink có khả năng chống nhiễu
đa đường , SC-FDMA ở uplink có PAPR thấp và người dùng trực giao trong
miền tần số .
Sử dụng MIMO Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten
riêng lẻ làm tăng tốc độ dữ liệu, tần số tái sử dụng linh hoạt, giảm nhiễu liên cell
với tần số tái sử dụng lớn hơn 1
Dung lượng của hệ thống được nâng cao
Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu:
can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì : do tính
trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can
nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu..
11


Trong hệ thống di động 4G kỹ thuật chủ yếu sẽ là OFDM với những ưu
điểm nổi trội. Các hệ thống OFDM biến ảnh hưởng của fading được chọn trong
kênh thành fading phẳng làm giảm đáng kể ảnh hưởng của fading.
Kết luận chƣơng 1
Chương 1 đã giới thiệu các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4

đồng thời đã sơ lượt quá trình của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai
thông sốquan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ
bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các
thông số này càng dược cải thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các
cơ sở để hình thành ưu điểm đó. Để từng bước đi sâu vào tính hiệu năng mạng
4G chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu các đặc tính hiệu năng của kênh thông tin
vô tuyến

12


Chƣơng 2:
HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Chương 2, Giới thiệu một số mơ hình cơ bản của kênh thơng tin vơ tuyến:
Mơ hình kênh nhiễu cộng, kênh fading. Trên cơ sở các mơ hình đó sẽ tính toán
hiệu năng của hệ thống mà chỉ yếu tập trung tính xác suất lỗi bit trong từng
trường hợp của mơ hình đã có
2.1 Mơ hình kênh nhiễu Gauss
Mọi kênh truyền số liệu trong quá trình truyền dẫn đều bị tác động bởi
nhiễu nhiệt, nhiễu do các thiết bị điện và các nguồn nhiễu khác gây ra. Sự
chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên các đặc tính
thống kê Gauss theo Định lý giới hạn trung tâm (central limit theorem). Do xếp
chồng từ nhiều quá trình độc lập thống kê khác nhau tại anten thu, n(t) được
mơ hình bằng phân bố Gauss trắng có các nhiễu không tương quan trong miền
thời gian, mật độ phổ phân bố đều No / 2 . Các nhiễu phân bố Gauss là độc lập
thống kê.
Trong mơ hình đề cập ở đây được coi là không biến đổi theo thời gian và
không chọn lọc theo tần số, vậy đáp ứng xung kênh h(t , )   ( ) và đặc trưng
bằng bộ lọc thơng thấp ở Hình 1.1

Hình 2.1: Mơ hình kênh AWGN
Mơ hình phù hợp với điều kiện Nyquist, phổ của chúng đối xứng qua tần
số Nyquist f N  1/ (2Ts ) do đó nhiễu băng gốc tương đương lấy mẫu tại t  kTs
Vẫn duy trì tính Gauss trắng có phần thực n'[k ] và phần ảo n"[k ] mỗi cái có
mật độ phổ cơng suất No / 2 . Do đó n ' và n" là độc lập với nhau cho nên hàm mật
độ xác suất đồng thời thỏa mãn :
PN (n)  PN (n ', n")  PN ( n ').PN ( n")



1
2 N2 '



e

n '2
2

2
N'

.

1
2 N2 "

13



e

n ''2
2 2 "
N



1

 N2



e

n

2

 N2

(2.1)


Công suất nhiễu n(t) :

N0

  N2 '   N2 "
(2.2)
Ts
Coi kênh tương đương bộ lọc thơng thấp có băng thơng bằng B, nếu
E
tín hiệu vào có cơng suất  x2  s thì SNR đầu ra của kênh sẽ là :
Ts

 N2  2 B.N0 

SNR=

2 BP


2
N BP



2


2
N



Es / Ts Es


N0 / Ts N 0

(2.3)

2.2 Mơ hình kênh Fading:
Trong các hệ thống thơng tin di động, q trình truyền sóng vơ tuyến bị
tác động bởi tán xạ, phản xạ và nhiễu xạ

a) Hiện tượng phản xạ
b) Hiện tượng tán xạ
c) Hiện tượng nhiễu xạ
Hình 2.2: Các hiện tượng xảy ra trong q trình truyền sóng
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số
bản sao này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật
khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:
- Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha
giữa các thành phần này khác nhau.
- Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần
này là khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên
độ và pha của các bản sao
- Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng
pha.
- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.

14


Ngoài ra do máy phát và máy thu di động vì vậy kênh biến đổi theo thời
gian. Sóng đi từ đầu máy phát đến đầu thu qua N đường khác nhau do đó ta mơ

tả nó bằng đáp ứng xung băng gốc tương đương:
N 1

h( t, )   h( t, ). (    v )

(2.4)

 0

Ở đây ký hiệu t là thời điểm quan sát và h( t, ) là hệ số trọng số giá trị phức
tương ứng với đường thứ  có thời gian trễ là  v
2.2.1 Các đặc trưng thống kê:
Do đặc điểm thống kê của các kênh di động nên ta phân chúng theo các
đặc điểm thống kê bao gồm:
- Hàm tương quan của h( t, ) theo t :

 (  t, )  E h* ( t, )h( t  t, 

(2.5)

Ta cũng có thể biểu thị hàm tương quan trong miền tần số bằng sử dụng
biến đổi Fourier của  (  t, ) đối với t :
 (f d , )  F  (  t, )
(2.6)
Tần số Doppler f d xuất phát từ sự chuyển động tương đối giữa máy phát
và máy thu. Từ (2.6) ta xác định được phổ công suất của Doppler:


HH ( f d )   HH ( f d , )d

(2.7)

0

Khoảng tần số trong đó HH ( f d ) khác khơng gọi là độ rộng băng tần
Doppler Bd . Người ta biểu thị độ đo biến đổi theo thời gian của kênh :
1
tc 
(2.8)
Bd
Còn gọi là thời gian kết hợp với t c  Ts , kênh gọi là kênh fading chậm,
với t c  Ts kênh gọi là kênh fading nhanh hoặc kênh lựa chọn theo thời gian.
Trường hợp kênh fading lựa chọn theo thời gian này thì người ta thường
sử dụng phân tập theo thời gian hoặc mã hóa kênh để nâng cao hiệu năng truyền
dẫn.
Từ (2.6) suy ra mặt chiếu thời gian trễ công suất:

HH (  ) 

f d max



HH ( f d , )df d

(2.9)

 f d max

Để mô tả phân bố công suất theo  .Độ rộng băng tần kết hợp được xác định:

1
Bc 
(2.10)

 max

Nó biểu thị băng tần trong đó kênh coi như hằng số.
15


Với kênh có B  Bc , trong đó B là băng tần của tín hiệu thì kênh gọi là
lựa chọn theo tần số, nghĩa là kênh có những dáng điệu khác nhau theo từng
phần của phổ tín hiệu. Trong trường hợp này  max  Ts thì các kí hiệu liên tiếp
nhau sẽ phủ nhau và ta gọi là can nhiễu giữa các kí hiệu (Intersymbol
interference) và kênh lúc này gọi là kênh méo tuyến tính.
Với kênh có B  Bc , kênh được gọi là kênh không lựa chọn theo tần số,
điều đó có nghĩa là mật độ phổ không đổi trong băng tần đang xét người ta gọi
đó là kênh fading phẳng.
2.2.2 Mơ hình các kênh vơ tuyến di động
Người ta thường mơ hình các kênh lựa chọn theo tần số bằng các bộ lọc
&
&
đáp ứng xung hữu hạn FIR (impulse response filter) thời gian rời rạc [ Hoher
1992].
Hình 2.3 mơ tả mơ hình kênh lựa chọn theo tần số Lt nhóm Lt   max / T s

Hình 2.3 Mơ hình kênh lựa chọn tần số
Trong đó

h[k , ] 

n 1

e

j 2 f

d ,i kTs  ji

(2.11)

i 0

Tần số Doppler f d ,i được xác định:



. f 0 .cos 
c0
Trong đó  là tốc độ di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu
c0 là tốc độ ánh sáng
fd 

(2.12)

f 0 là tần số sóng mang
 là góc giữa hướng tương đối của tia sáng đang xét với hướng chuyển
động của máy thu
i là góc pha ban đầu của thành phần thứ i
Trong trường hợp giữa máy phát và máy thu ngoài các tia phản xạ cịn có

tia truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu, lúc đó ta gọi kênh có phân bố Rice

16