Nghiên cứu và so sánh lớp vật lý của LTE Advanced và Wireless MAN Advanced

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
Nghiên cứu và so sánh lớp vật lý của
LTE-Advanced và WirelessMAN-Advanced
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 1
Giảng viên hướng dẫn : Ths. Phạm Mạnh Hà
Sinh viên thực hiện : Trần Đình Hoàng
Lớp : D08-VT2
Khóa : 2008-2013
Hệ : Đại học chính quy
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
Hà Nội, tháng 12 /2012
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 2
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
LỜI CẢM ƠN
Đồ án - khoá luận tốt nghiệp là bước cuối cùng đánh dấu sự trưởng
thành của một sinh viên ở giảng đường Đại học. Để trở thành một cử
nhân hay một kỹ sư đóng góp những gì mình đã học được cho sự phát
triển của nên kinh tế đất nước. Đồ án này là kết quả của quá trình học tập
tại Khoa Viễn thông, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông.
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã được sự giúp đỡ,
hướng dẫn, hỗ trợ và động viên từ gia đình, từ thầy cô cùng các bạn, nhờ
đó em đã hoàn thành được đồ án này, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc
và chân thành đến các thầy cô khoa Viễn thông- Học viện công nghệ bưu
chính viễn thông đã truyền đạt những kiến thức chuyên ngành quý báu để
từ đó em phát triển thêm vốn hiểu biết của mình để hoàn thành đồ án và

trong công việc chuyên môn sau này.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành
tới thầy Phạm Mạnh Hà, người trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án tốt
nghiệp. Trong quá trình làm đồ án, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp em
giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm đồ án và hoàn thành đồ
án đúng định hướng ban đầu.
Cuối cùng xin được gửi lới cảm ơn tới tất cả bạn bè, người thân luôn
bên cạnh, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và những
lúc khó khăn trong cuộc sống.
Sinh viên thực hiện
Trần Đình Hoàng
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 3
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ - CHO ĐIỂM
(Của người hướng dẫn)
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Điểm: ……………………………(Bằng chữ: ………………………………… )
Hà Nội , ngày tháng năm 2012
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 4
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ - CHO ĐIỂM
(Của người phản biện)
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Điểm: ……………………………(Bằng chữ: ………………………………… )
Hà Nội , ngày tháng năm 2012

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 5
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
MỤC LỤC
MỤC LỤC 6
DANH MỤC HÌNH VẼ 6
DANH MỤC CÁC BẢNG 8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 9
LỜI NÓI ĐẦU 14
CHƯƠNG 1 15
CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO LTE VÀ WIMAX 15
CHƯƠNG 2 33
NGHIÊN CỨU VỀ LONG TERM EVOLUTION (LTE) 33
CHƯƠNG 3 54
NGHIÊN CỨU VỀ WIMAX DI ĐỘNG 54
CHƯƠNG 4 74
SO SÁNH LỚP VẬT LÝ CỦA LTE VÀ WIMAX 74
KẾT LUẬN 90
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.Sắp xếp các sóng mang con của tín hiệu OFDM. 16
Hình 1.4.Thời gian và phân bổ tài nguyên tần số cho người sử dụng trong OFDMA 22
Hình 1.5. Sơ đồ khối phát SC-FDMA với chế độ phát nội vùng hoặc ánh xạ truyền phân
tán 26
Hình 1.6. Sơ đồ khối của máy phát và thu SC-FDMA. 27
Hình 1.7. Tín hiệu SC-FDMA ở miền tần số và miền thời gian cho LTE, với M = 4 và
khoảng cách giữa các sóng mang con ∆ f = 15KHz. 27
Hình 1.8 Hàm tự tương quan của Zadoff-Chu và chuỗi PN 30
Hình 2.1. Cấu trúc khung vô tuyến trong hệ thống LTE với 72 sóng mang con 36
với ∆ f = 15KHz 36

Hình 2.2. Khung phụ đặc biệt chèn trong TDD LTE giữa truyền dẫn downlink và uplink.
38
Hình 2.3. Cấu hình đường lên đường xuống của chu kỳ 5ms và 10ms trong TDD LTE 39
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 6
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
Hình 2.4. Sơ đồ khối quy trình phát tín hiệu lớp vật lý LTE. 40
Hình 2.5. cấu trúc PSS và SSS trong TDD và FDD với ánh xạ vật lý 42
trong các yếu tố tài nguyên 42
Hình 2.6. Ánh xạ vật lý PBCH. 44
Hình 2.7. Ánh xạ phân bố dữ liệu người sử dụng tới khe cắm phân phối trong PDSCH. 45
Hình 2.8. Ánh xạ vật lý PDCCH trong các khung con. 46
Hình 2.9. Ánh xạ PCFICH đến các yếu tố tài nguyên vật lý. 47
Hình 2.10.Kênh điều khiển đường lên vật lý ánh xạ tới tài nguyên vật lý 48
Hình 2.11. Cấu trúc chuỗi mở đầu PRACH và ánh xạ vật lý sóng mang con 49
Hình 2.12. Các bước đồng bộ hóa cell ban đầu trong LTE. 50
Hình 2.13. Các bước tìm kiếm cell trong LTE. 51
Hình 2.14. Tthủ tục truy cập ngẫu nhiên miễn phí trong LTE. 53
Hình 3.1. Cấu trúc khung lớp vật lý của IEEE 802.16e. 56
Hình 3.2. Cách sử dụng sóng mang con trong WiMAX di động. 56
Hình 3.3. Đơn vị nguồn tài nguyên logic đường lên và đường xuống trong WiMAX. 57
Hình 3.4. khung vô tuyến TDD và FDD WiMAX di động cho băng thông 10MHz và tỷ lệ
DL / UL của 5:03 58
Hình 3.5. Cấu trúc siêu khung trong WiMAX di động. 59
Hình 3.6. Tiêu đề siêu khungsơ cấp và thứ cấp. 60
Hình 3.7. Thế hệ nguồn tài nguyên vật lý đến logic trong WiMAX di động. 62
Hình 3.8. Kênh điều khiển đường lên, đường xuống và ánh xạ vật lý SFH 64
trong WiMAX di động. 64
Hình 3.9.Các ký hiệu và các định dạng khoảng sóng cho khoảng sóng đồng bộ và đồng bộ
trong WiMAX. 67
Hình 3.10. Ánh xạ phần mở đầu PA trong miền tần số. 68

Hình 3.11. phần mở đầu PA trong miền thời gian 68
Hình 3.12. Đồng bộ hóa thời gian với phần mở đầu PA trong WIMAX di động 69
Hình 3.13. Phân vùng phần mở đầu SA trong 8 phân đoạn trong WiMAX di động 70
Hình 3.14. Cấu trúc khung phần mở đầu PA và phần mở đầu SA trong WiMAX di động.70
Hình 3.15. Trạng thái người dùng kết nối và sơ đồ hoạt động trong WiMAX di động. 73
Hình 3.16. Entry mạng sơ đồ luồng trong WiMAX di động. 74
Hình 4.1: So sánh số lượng sóng mang con sử dụng trong LTE và WIMAX 78
Hình 4.2. So sánh các yếu tố tài nguyên giữa LTE và WIMAX 78
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 7
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
Hình 4.3. Tổng chi phí tĩnh và động trong LTE và WiMAX 80
Hình 4.5. Công suất VoIP TDD trong LTE và WIMAX 81
Hình 4.6. So sánh hiệu suất quang phổ di động của LTE và WiMAX 85
Hình 4.7. So sánh hiệu suất quang phổ cạnh tế bào đường lên cho LTE và WiMAX 85
Hình 4.8. So sánh hiệu suất quang phổ đỉnh cho LTE và WiMAX 86
Hình 4.9. So sánh vùng phủ sóng di động của LTE và WiMAX 88
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Các thông số lớp vật lý cho LTE và WiMAX cho các tình huống băng thông khác
nhau 76
Bảng 4.2. Tổng chi phí tĩnh và động trong LTE và WiMAX 80
Hình 4.4. So sánh tổng chi phí điều khiển trong LTE và WiMAX 80
Bảng 4.3. Công suất củaVoIP trong LTE, WiMAX và Yêu cầu của ITU 81
Bảng 4.4. Hiệu suất quang phổ di độngTDD và FDD trong LTE và WiMAX 83
Bảng 4.5. Hiệu suất quang phổ cạnh cell cho LTE và WiMAX 84
Bảng 4.6. Hiệu suất quang phổ đỉnh cho LTE và WiMAX 86
Bảng 4.7. Các thông số ngân sách liên kết cho LTE và WiMAX 87
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 8
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên viết tắt Chú giải tiếng anh Chú giải tiếng việt

2G Second Generation Thế hệ thứ 2
3G Third Generation Thế hệ thứ 3
3GPP Third Generation Partnership
Project
Đề án các đối tác thế hệ thứ 3
AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng
ACK Acknowledgement Công nhận
AGW Access Gateway Cổng truy nhập
AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng
ARQ Automatic Repeat- Request Yêu cầu phát lại tự động
AWGN Additive Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng
BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá
BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá
BES Best Effort Service Dịch vụ nỗ lực nhất
BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit
BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha 2 trạng thái
BS Base Station Trạm gốc
BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc
CAZAC Constant Amplitude Zero Auto
Correlation
Tự tương quan bằng không biên độ
không đổi
CC Convolutional Code Mã xoắn
CDMA Code Division Mutiple Access Đa truy cập phân chia theo mã
CN Core Network Mạng lõi
CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 9
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
CPICH Common pilot Channel Kênh hoa tiêu chung
CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư
CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh
CTC Convolutional Turbo Code Mã Turbo xoắn
DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng
DCH Dedicated Channel Kênh riêng
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DFTS -
OFDM
DFT- Spread OFDM OFDM trải phổ DFT
DL DownLink Đường xuống
DPCCH Dedicated Physical Control
Channel
Kênh điều khiển vật lý riêng
DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng
DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng
DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống
DUSP Switching Point from Downlink to
Uplink
Điểm chuyển mạch từ đường
xuống sang đường lên
e-UTRA Evolved UTRA Truy cập vô tuyến mặt đất UMTS
phát triển
E-UTRAN/
E-RAN
Evolved UTRA/RAN Mạng truy cập vô tuyến mặt đất
UMTS phát triển
FACH Forward Access Channel Kênh truy cập đường xuống
FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanh
FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo
thời gian

FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số
FMDA Frequency Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo tần số
FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 10
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
GSM Global System for Mobile
communications
Hệ thống thông tin
di động toàn cầu
HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại
tự động lai ghép
HSDPA High Speed Downlink Packet
Access
Truy cập gói đường xuống tốc độ
cao
HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao
IDFT Invert Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier
rời rạc ngược
IFDMA Interleaved FDMA FDMA đan xen
IFFT Invert Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier
nhanh ngược
IP Internet Protocol Giao thức Internet
ITU International Telecommunication
Union
Liên minh viễn thông

quốc tế
Iu Giao diện được sử dụng để thông
tin giữa RNC
và mạng lõi
Iub Giao diện được sử dụng để thông
tin giữa nút B và RNC
Iur Giao diện được sử dụng để thông
tin giữa các RNC
LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn
MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
OFDMA Orthogonal Frequency Division
Multiplexing Access
Đa truy cập phân chia theo tần số
trực giao
PAPR Peak Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên công suất
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 11
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
trung bình
PDCCH Physical Dedicated Control
Channel
Kênh điều khiển riêng vật lý
PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đưỡng xuống vật lý
PHY Physical Layer Lớp vật lý
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc

RAN Radio Access Network Mạng truy cập vô tuyến
RB Resource Block Khối tài nguyên
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RS Reference Symbol Kí hiệu tham khảo
RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực
RU Resource Unit Đơn vị tài nguyên
SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division
Mutiple Access
Đa truy cập phân chia theo tần số
đơn sóng mang
SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm
TD-CDMA Time Divison - Code Division
Mutiple Access
Đa truy cập phân chia theo mã-
phân chia theo thời gian
TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo
thời gian
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời
gian
UL Uplink Đường lên
UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy cập vô tuyến mặt đất UMTS
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access
Network
Mạng truy cập vô tuyến mặt đất
UMTS
VoIP Voice Over IP Thoại qua IP
ZC Zadoff Chu Thuật toán Zadoff Chu
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 12
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu

SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 13
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Tháng 3 năm 2008, Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU đưa ra định nghĩa về thông
tin di động thế hệ thứ tư 4G, quy định đặc điểm kĩ thuật, thiết lập các yêu cầu về tốc độ
tối đa 100(Mbit/s) cho thông tin di động cao (như từ xe lửa và xe hơi) và 1 (Gbit/s) cho
thông tin di động thấp.
Để đạt được các yêu cầu của 4G, có 2 công nghệ đang là ứng viên: IEEE phát triển
WiMAX di động, một chuẩn kế thừa từ IEEE 802.16 (2009) cho mạng lưới khu vực địa
phương và đô thị, sử dụng điều chế OFDMA và công nghệ đa ăng-ten MIMO và Long
Term Evolution (LTE), một công nghệ được 3GPP phát triển để đáp ứng các yêu cầu của
4G sử dụng sơ đồ OFDMA điều chế cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên để
cải thiện PAPR nhờ đó tăng thời lượng sử dụng pin trên các thiết bị di động đầu cuối.
LTE cũng sử dụng công nghệ đa ăng-ten MIMO để tăng tốc độ dữ liệu và đáp ứng các
yêu cầu 4G.
Cả hai công nghệ sử dụng băng thông và các kỹ thuật điều chế linh hoạt thay đổi
thích ứng với việc phân bổ hiệu quả tài nguyên vật lý để sử dụng các kênh có sẵn và đạt
được thông lượng tốt nhất có thể. Sử dụng tốt nhất các nguồn lực thời gian và tần số là
chìa khóa dẫn đến kết quả tốt nhất. Các thông số lớp vật lý cho WiMAX và LTE sử dụng
tài nguyên vật lý theo nhiều cách khác nhau và đạt được hiệu suất tối ưu theo các tình
huống thời gian thực. Các kết quả khác nhau và các thông số lớp vật lý được đồ án phân
tích để nhận xét về những điểm tương đồng và khác biệt giữa các công nghệ này.
Nội dung của đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Các kĩ thuật điều chế và đồng bộ tín hiệu cho LTE và Wimax
Chương 2: Nghiên cứu về Long Term Evolution (LTE)
Chương 3: Nghiên cứu về Wimax di động
Chương 4: So sánh lớp vật lý của LTE và Wimax
Với kiến thức và kinh nghiệm có hạn, việc nghiên cứu và hoàn thành đồ án của em
không tránh khỏi có những khiếm khuyết, em rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy
cô và các bạn để đồ án của em hoàn thiện hơn.

SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 14
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
CHƯƠNG 1
CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO LTE VÀ
WIMAX
1.1 Giới thiệu
Trong thông tin di động, việc giảm chi phí cần tận dụng tối đa phổ tần có sẵn. Kỹ
thuật điều chế hiệu quả đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được mục tiêu giảm chi
phí. Đối với bất kỳ hệ thống nào, đạt được tốc độ dữ liệu tiêu chuẩn của thế hệ kế tiếp, sẽ
truyền tải thông tin với tốc độ nhanh hơn. Đối với việc gửi dữ liệu trong một thời gian
nhất định, dữ liệu mang theo thời gian kí hiệu càng nhỏ càng tốt, điều này đặt ra những
thách thức cho các nhà phát triển, họ phải đối mặt với các hiệu ứng kênh và sự phức tạp
của phần cứng. Nếu tất cả băng thông được sử dụng như nguồn tài nguyên duy nhất, thời
gian kí hiệu nên được giữ ở mức thấp để đóng gói dữ liệu nhanh hơn trong một đơn vị
thời gian. Tuy nhiên, nếu các nguồn tài nguyên lớn trong cùng một băng thông được chia
thành các nguồn tài nguyên nhỏ, sau đó số lượng lớn các luồng dữ liệu đến được gửi lên
nhiều luồng nhỏ đồng thời trong một thời gian dài hơn, tương tự như một luồng nước lớn
đi qua một vòi nước được chia thành nhiều luồng nhỏ tại đầu ra. Chương trình điều chế
đạt được điều này được gọi là kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM).
Trong kỹ thuật OFDM, dữ liệu được gửi qua luồng nhỏ của tần số trực giao (không
nhiễu) được gọi là sóng mang con. Kỹ thuật điều chế OFDM, chia dòng dữ liệu tốc độ
cao trong số các dòng dữ liệu tốc độ thấp, làm tăng thời gian kí hiệu. Phân chia tài
nguyên tần số có sẵn thành các tần số trực giao cũng cải thiện hiệu quả phổ tần.
Cả LTE và WiMAX đều sử dụng OFDM làm kỹ thuật điều chế trong lớp vật lý
của họ. Chương này thảo luận về kỹ thuật điều chế OFDM với sơ đồ giải thích về khối
máy phát và máy thu cơ bản cùng các chi tiết có liên quan. Chương này cũng thảo luận về
các tín hiệu được sử dụng cho thời gian và đồng bộ tần số giữa các thiết bị của người
dùng và nhà trạm. Đồng bộ hóa là cần thiết cho một hệ thống OFDM đa người dùng để
làm việc hiệu quả. Trong một hệ thống thông tin di động, thời gian sẵn có và các nguồn
tài nguyên tần số được chia thành những phần nhỏ hơn và chia sẻ giữa nhiều người sử

dụng hoạt động đồng thời. Đối với cấu hình nhiều người dùng cùng làm việc, thời gian
chặt chẽ và đồng bộ hóa tần số rất cần thiết giữa người sử dụng kết nối với các trạm gốc.
Thông tin thời gian này thường được truyền bởi trạm gốc như một tài liệu tham khảo
được sử dụng để giúp các thiết bị của người sử dụng đồng bộ hóa với thời gian của trạm
gốc và tần số. Đồng bộ hóa được thực hiện bằng việc truyền và nhận của chuỗi đặc biệt
được biết đến: chuỗi Zadoff-Chu (ZC). Tính chất đồng bộ hóa theo thời gian tốt nhất của
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 15
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
chuỗi ZC gây nên một chuỗi các sự lựa chọn cho mục đích đồng bộ trong cả LTE và
WiMAX. Chương này cũng thảo luận về chuỗi Zadoff-Chu và tính chất của chúng.
Chúng ta bắt đầu với OFDM và thảo luận về OFDMA, SC-FDMA và cuối cùng là thảo
luận về trình tự ZC.
1.2 Điều chế phân chia theo tần số trực giao( OFDM )
OFDM là kĩ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép
thành nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế
để truyền 1 dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là
dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải. Đặc điểm cơ bản của truyền OFDM là:
• Sử dụng một lượng tương đối lớn các sóng mang con băng hẹp. Truyền OFDM sử
dụng vài trăm sóng mang con được truyền trên cùng một liên kết vô tuyến đến cùng một
máy thu.
• Dạng xung hình chữ nhật đơn giản. Nó đáp ứng phổ dạng sinc-square ở mỗi sóng
mang.
• Những sóng mang con được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách
giữa các sóng mang con ∆f. Khoảng cách sóng mang con bằng tốc độ điều chế trên mỗi
sóng mang con.
Hình 1.1.Sắp xếp các sóng mang con của tín hiệu OFDM.
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 16
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
1.2.1 Nguyên tắc làm việc của OFDM
Hệ thống điều chế OFDM được tạo ra từ một máy phát và thu như trong các hệ

thống điều chế khác. Về cơ bản, hệ thống này bao gồm 4 giai đoạn chính: (i) tách luồng
dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song, (ii) tạo kí hiệu, (iii) chuyển đổi dữ liệu trong
miền thời gian và (ix) chuyển đổi các luồng dữ liệu song song trở lại một lần nữa thành
tín hiệu kĩ thuật số trong miền thời gian cung cấp cho hệ thống truyền tải.
1.2.1.1 Bộ phát OFDM.
a. Bộ chuyển đổi nối tiếp- song song (S-P).
Qua bộ biến đổi nối tiếp- song song, P ký hiệu điều chế trên được chuyển thành P
luồng song song với độ dài T
FFT
(độ dài hiệu dụng của mỗi ký hiệu OFDM). Mỗi ký hiệu
điều chế Xi ở đầu ra bộ S-P có giá trị phức thể hiện phổ rời rạc của sóng mang
con thứ i trong tổng số N sóng mang con của hệ thống.
b. Khối ánh xạ sóng mang con.
Các sóng mang con được điều chế (X
0
, X
1
, X
2
, , X
P-1
)khi đi qua khối ánh xạ sóng
mang con sẽ được kết hợp với (N-P) sóng mang con rỗng (bằng 0) để tạo nên tập giá trị
phức {Xi} ) và đưa lên N đầu vào của bộ IFFT.
c. Bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT).
- IFFT cho ra N sóng mang con trong miền thời gian {Xi} . Các
sóng mang con trong miền thời gian này được thể hiện ở các mẫu rời rạc, với tần số lấy
mẫu: trong đó ∆f là khoảng cách giữa các sóng mang con.
- N sóng mang con tại đầu ra của IFFT được biểu diễn ở dạng các mẫu rời rạc, sóng mang
con thứ i tại thời điểm k trong miền thời gian được xác định như sau:

Với: - ;
- k: là một số nguyên nằm trong khoảng từ (-∞, +∞), ký hiệu cho sóng mang con
thứ i của ký hiệu OFDM thứ k tương ứng;
- X
i,k
giá trị phức của tín hiệu được điều chế thông thường thứ i tại thời điểm k;
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 17
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
- m là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu, với thời gian lấy mẫu
.
- Như vậy, với tín hiệu phát trong miền tần số tại đầu vào bộ IFFT biểu diễn như sau:
Với: - là phép chuyển vị;
- P là số ký hiệu điều chế đươc đưa vào;
- Số số “0” = N-P (tương ứng với các sóng mang rỗng được thêm vào).
Tín hiệu tại đầu ra của bộ IFFT (trong miền thời gian) nhận được bằng cách nhân tín hiệu
đầu vào IFFT (trong miền tần số) với ma trận sau:
( )
Hàng của ma trận trên thể hiện các sóng mang con tại thời điểm lấy mẫu m.
d.Bộ biến đổi song song- nối tiếp (P-S).
Tín hiệu đầu ra bộ biến đổi song song thành nối tiếp (trong miền thời gian) tại thời
điểm k được xác định như sau:
do các sóng mang con tương ứng với i = là các sóng mang rỗng (bằng “0”).
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 18
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
e. Bộ chèn CP (Cyclic Prefix).
Bộ chèn CP thực hiện chèn V mẫu (có độ dài T
CP
) của ký hiệu OFDM vào đầu ký
hiệu này để được độ dài ký hiệu bằng:
T=T

FFT
+ T
CP
Với: - T
FFT
là độ dài hiệu dụng của ký hiệu OFDM;
- T
CP
là khoảng bảo vệ để chống nhiễu xuyên ký hiệu ISI do phadinh đa đường;
V mẫu được chèn là V mẫu được sao chép từ các mẫu cuối cùng của tín hiệu x
k
. Thông
thường T
CP
được chọn bằng thời gian chênh lệch trễ cực đại (giữa trễ của đường đến
muộn nhất với trễ của đường đến sớm nhất), lúc này m trong phương trình ma trận trên sẽ
là m = 0, 1, , N-1, , N+V-1, tổng số mẫu đầu ra bộ CP sẽ bằng (N+V) mẫu.
Hình 1.2. Tín hiệu sau khi chèn tiền tố vòng CP trong miền thời gian và miền tần số.
Thời gian bảo vệ thu được bằng cách chèn tiền tố Cyclic (CP) vào lúc bắt đầu ký
hiệu x
k .
CP giúp chuyển đổi tuyến tính vào một chu kỳ và giảm cân bằng phức. CP
được tạo ra bằng cách sao chép các mẫu G cuối cùng của đầu ra IFFT và gắn chúng vào
đầu của x
k
. Để tránh ISI hoàn toàn, chiều dài CP G phải được lựa chọn để lâu hơn trễ
kênh.
f. Bộ biến đổi sang tương tự DAC.
Tín hiệu sau khi qua DAC cho đầu ra là tín hiệu tương tự có dạng:
Hay:

SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 19
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
1.2.1.2 Máy thu OFDM
a.Tín hiệu đầu vào máy thu.
Tín hiệu đầu vào có dạng: y(t) = x(t)⊗h(t) + �(t)
Với: - h(t) là độ lợi kênh;
-�(t) là tạp âm Gauss trắng cộng AWGN;
- ⊗ là tích chập.
b. Bộ biến đổi tương tự sang số (ADC).
Bộ ADC sẽ biến đổi y(t) sang tín hiệu số.
c. Bộ loại bỏ CP.
Bộ loại CP sẽ loại bỏ các tiền tố vòng CP đã thêm vào các ký hiệu ở bên phát. Quá trình
loại CP được thực hiện bằng tích chập vòng.
Ta có thể biểu diễn OFDM bao gồm CP rời rạc trong miền thời gian dưới dạng vecto như
sau:
Với: x
m
là ký hiệu cho mẫu thức m của tín hiệu OFDM trong miền thời gian.
Nếu không xét tạp âm, tín hiệu đầu ra của kênh sẽ là với h là vectơ có độ dài
(v+1) biểu thị đáp ứng kênh xung kim trong thời gian ký hiệu OFDM.
Ta có thể biểu diễn tín hiệu ra ở dạng ma trận quay vòng như sau:
�
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 20
Các mẫu CP
Chuỗi gốc
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
= Xh + �
Sau bộ loại bỏ CP, V mẫu của CP bị loại bỏ và N mẫu còn lại là các mẫu của tín hiệu
gốc.
d. Bộ biến đổi nối tiếp sang song song (S-P)

Bộ S-P cho ra N luồng song song ứng với N sóng mang con của tín hiệu thu được trong
miền thời gian {y’
1
(m)}(i= 0,1, , N-1) ở dạng các mẫu rời rạc. Các sóng mang này được
đưa lên bộ biến đổi FFT để chuyển đổi từ miền thời gian vào miền tần số.
e. Khối biến đối Fourier nhanh FFT.
Sau FFT máy thu lấy ra P sóng mang con cần thu trong miền tần số mỗi sóng mang con
được xác định như sau:
Với:
- i = ;
- k: là một số nguyên nằm trong khoảng từ (-∞, +∞), ký hiệu cho sóng mang con thứ i của
ký hiệu OFDM thứ k tương ứng;
- ký hiệu cho mẫu m trong miền thời gian của ký hiệu điều chế thông thường thứ
i trong khối P ký hiệu được phát tại đầu ra của kênh k;
- là giá trị phức của tín hiệu thu trong miền tần số trong kênh k;
- m = là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu trong miền thời gian với thời
gian lấy mẫu .
1.2.2 OFDMA trong LTE và WiMAX
Trong LTE và WiMAX, để hỗ trợ đồng thời nhiều người sử dụng, băng thông có
sẵn được chia trong miền thời gian và tần số để tạo thành các khối nhỏ hơn. Mỗi khối
hoặc một nhóm các khối được giao cho người sử dụng tùy thuộc vào điều kiện kênh và
các thông số khác. Các khối được điều chế bằng cách sử dụng đa truy cập phân chia theo
tần số trực giao (OFDMA).
Trong phổ tần sẵn có, OFDMA được chia thành số các sóng mang con trực giao
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 21
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
với khoảng cách ∆f (∆f = 15 KHz và 10,94 KHz cho LTE và WiMAX). Số thứ tự sau khi
sửa chữa của các sóng mang con được nhóm lại với nhau tạo thành một khối tài nguyên
(12 và 18 sóng mang con trong LTE và WiMAX). RB sau đó được xác định cho số lượng
các ký hiệu OFDM trong thời gian (5 - 14 ký hiệu) tùy thuộc vào cấu hình hệ thống. Sau

đó, RBS được nhóm vào khung 10ms trong trường hợp của LTE và 5ms trong trường
hợp của WiMAX. Trạm gốc điều khiển chính của RB gán một hoặc nhiều đơn vị của nó
đến người dùng để truyền dữ liệu. Sự hiển thị vật lý của các sóng mang con OFDMA và
hân bổ thời gian cho người sử dụng khác nhau được biểu diễn trong hình 1.4.
Hình 1.4.Thời gian và phân bổ tài nguyên tần số cho người sử dụng trong OFDMA.
OFDMA có nhiều lợi thế hơn các kỹ thuật khác:
• Hiệu quả quang phổ tốt nhất
• Cân bằng kênh được thực hiện có sự phức tạp thấp hơn trong miền tần số
• Nhiễu liên kí hiệu có thể được giảm thiểu bằng cách điều chỉnh tiền tố Cyclic
• Pha đinh phẳng do nhỏ hơn khoảng cách tần số trực giao của sóng mang con.
Những lợi thế trên làm cho OFDM được lựa chọn để điều chế cho công nghệ 4G.
Tuy nhiên, OFDM cũng có một số nhược điểm cần quan. Một trong những hạn chế lớn
của OFDM là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR). Khi tất cả các sóng
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 22
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
mang con được điều chế và thêm vào với nhau, biên độ có thể vượt rất cao so với giá trị
biên độ trung bình của tín hiệu miền thời gian. Điều này có thể ảnh hưởng đến việc thiết
kế bộ khuếch đại công suất và chi phí được sử dụng trong phần sau của máy phát.
1.3 Nhược điểm của kĩ thuật OFDM.
Trong phần trước, những ưu điểm của OFDM đã được đưa ra. Ngược lại, phần
này làm nổi bật những nhược điểm chính của OFDM.
• ODFM nhạy cảm với thời gian và độ lệch tần số trong phát và thu.
• Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao và ảnh hưởng đến bộ khuếch đại
công suất trong các giai đoạn sau của máy phát.
• Cần đồng bộ hóa đối với tất cả các giao tiếp trong miền thời gian
Đối với hệ thống OFDM, để duy trì trực giao giữa sóng mang con, thời gian, và
tần số thì đồng bộ hóa là cần thiết. Nếu hệ thống mất đi đồng bộ hóa, tính trực giao của
các sóng mang con bị ảnh hưởng và nhiễu liên kí hiệu tăng lên, lần lượt giảm thông qua
hệ thống. Vấn đề đồng bộ thời gian và tần số có thể được giảm thiểu bằng cách đồng bộ
hóa định kỳ giữa máy phát và thu. Tuy nhiên tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung

bình (PAPR) cao ảnh hưởng đến việc thiết kế và chi phí của bộ khuếch đại công suất, nhu
cầu truyền tải điện năng nhiều hơn để hoạt động.
1.3.1 Vấn đề PAPR với kỹ thuật OFDM.
Ký hiệu trong miền thời gian OFDM như một dạng xung Gaussian. Do đó, sự biến
đổi biên độ của tín hiệu điều chế OFDM rất cao với xác suất thấp hơn so với giá trị lí
thuyết cao có thể xảy ra của biên độ. Biên độ có giá trị cao là kết quả của việc bổ sung
các giai đoạn của các sóng mang con với nhau. Với những thay đổi để phù hợp trong giai
đoạn của khuếch đại công suất, công suất khuếch đại cần có phạm vi tuyến tính lớn mà
theo đó, có thể khuếch đại giá trị cao nhất của đỉnh biên độ và giá trị biên độ trung bình.
Tuy nhiên, bộ khuếch đại công suất thực tế (PAS) của máy phát RF tuyến tính chỉ
trong một phạm vi giới hạn. Như vậy, tín hiệu OFDM có khả năng bị từ phi tuyến tính
gây biến dạng gây ra bởi sự cắt xén. Điều này dẫn dến các phát xạ băng tần giả và sự sai
lệch băng tần của các tín hiệu. Về toán học, PAPR có thể được định nghĩa là bình phương
của biên độ đỉnh chia bởi công suất trung bình
[ ]
[ ]
2
2
ax { }
{ }
n
m x n
PAPR
E x n
=
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 23
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
Trong đó: x [n] là tín hiệu trong miền thời gian ở đầu ra của IFFT trong hệ thống OFDM.
Để tránh méo do quá trình khuếch đại, nhiều giải pháp được đưa ra để giảm thiểu các vấn
đề được liệt kê trong phần tiếp theo.

1.3.2 Kỹ thuật giảm PAPR
PAs phải hoạt động với công suất lớn, dẫn đến khuếch đại không hiệu quả hoặc
gây tốn kém máy phát. Có một số kỹ thuật khác để giảm PAPR trong đó bao gồm mã
hóa, cắt và lọc. Trong đó mã hóa được sử dụng chủ yếu vì giảm PAPR tốt nhất và thuộc
tính sửa lỗi phía trước các mã được sử dụng. Trạm gốc có thể hoạt động với công suất
cao hơn, có thể xử lý các vấn đề PAPR của OFDMA bằng cách cung cấp năng lượng lớn
cho PAs với chi phí tăng lên.
Vấn đề giảm thiểu PAPR bằng kỹ thuật điều chế được gọi là đa truy cập phân chia
theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA), tín hiệu được truyền trước khi nó đến giai đoạn
IFFT, giúp giảm biên độ đỉnh tại đầu ra của giai đoạn IFFT trong miền thời gian. Đồng
thời có thể giảm bớt gánh nặng tốn kém và tiêu thụ điện năng trên PAs trong các giai
đoạn sau. LTE sử dụng SC-FDMA ở đường lên để tiết kiệm pin cho các thiết bị người
dùng.
1.4 Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA).
Trong các ứng dụng thông tin di động, OFDMA có ưu điểm rất lớn về khả năng đề
kháng đối với ảnh hưởng của truyền tín hiệu đa đường. Khả năng đề kháng này đạt được
nhờ việc hệ thống OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao với
mỗi sóng mang con hoạt động tại tốc độ bít chỉ bằng 1/N tốc độ bít của thông tin cần
truyền. Tuy nhiên dạng sóng OFDM thể hiện sự thăng giáng đường bao rất lớn dẫn đến
PAPR cao. Tín hiệu với PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất có tín tuyến tính
cao để tránh làm méo tín hiệu. Để đạt được mức độ tuyến tính này, bộ khuếch đại phải
làm việc ở chế độ công tác với độ lùi so với điểm bão hòa cao. Điều này dẫn đến hiệu
suất sử dụng công suất (tỷ số công suất phát với công suất tiêu thụ một chiều) thấp vì thế
đặc biệt ảnh hưởng đối với các thiết bị cầm tay. Một vấn đề khác gặp phải ở OFDMA
trong các hệ thống thông tin di động là cần dịch các tần số tham khảo đối với các đầu
cuối phát đồng thời. Dịch tần phá hỏng tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu
đa truy nhập MAI.
Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy
nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM với tên gọi là SC-FDMA và áp dụng cho LTE.
1.4.1 Cấu trúc bộ phát SC-FDMA.

Cấu trúc của máy phát SC-FDMA tương tự như với máy phát OFDMA, ngoại trừ
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 24
Đồ án tốt nghiệp Chương 1
một sự thay đổi. Các thế hệ của tín hiệu SC-FDMA sử dụng chuyển đổi Fourier rời rạc
(DFT) để truyền tín hiệu trước khi được đưa đến giai đoạn IFFT. Bước đầu tiên của máy
phát là chuyển đổi các bit nối tiếp thành các khối các bit song song để điều chế chúng
trong ký hiệu M. Bước quan trọng tiếp theo, ký hiệu M được điều chế sau đó được thông
qua khối DFT M điểm nơi nó truyền các tín hiệu. Những tín hiệu M không được độn để
cho phù hợp có thể được độn thêm. Đầu vào IFFT có N điểm. Lưu ý rằng M <N. Có hai
loại cấu hình.
A) phát nội vùng
B) phát phân bố
Sau khi số không được độn, tín hiệu sau đó ánh xạ tới đầu vào của N điểm IFFT.
Sau thời điểm này, cấu trúc máy phát SC-FDMA tương tự như OFDMA.
1.4.1.1 Phát nội vùng
Trong chương trình phát SC-FDMA nội vùng, đầu ra của M điểm DFT được ánh
xạ tới các yếu tố đầu vào lân cận của N điểm DFT. (N-M) sóng mang con được ánh xạ
đến số không. Khi số không được gắn trên đầu ra DFT, tín hiệu này được đưa vào đầu
vào IFFT, đầu ra IFFT là phiên bản nội suy của các ký hiệu M ban đầu được điều chế như
đầu vào của DFT.
Đây là loại truyền tải nội vùng hóa được sử dụng khi kênh phẳng trong khu vực M
sóng mang con. Sóng mang con liền kề được giao cho một người dùng duy nhất để
hưởng lợi từ biến dạng kênh thấp. Nhưng đôi khi các kênh có thể không được bằng phẳng
trên tần số lân cận. Vì vậy, để giảm thiểu tác động biến dạng gây ra bởi kênh trên ký hiệu
lan truyền DFT, M đầu ra được ánh xạ tới các sóng mang con phân phối tại khối N điểm
IFFT. Loại ánh xạ lân cận này được thảo luận trong phần tiếp theo. LTE, lược đồ truyền
tải nội vùng hóa được sử dụng trong SC-FDMA đường lên từ người dùng đến trạm gốc.
1.4.1.2 Phát phân bố.
Trong chương trình phát SC-FDMA này, đầu ra của M điểm DFT là ánh xạ đồng
đều cho các sóng mang con phân phối tại N điểm IFFT và phần còn lại của sóng mang

con (N-M) được ánh xạ tới số không tức là các sóng mang con được ánh xạ rỗng không
được điều chế. Chương trình này rất hữu ích khi băng thông kênh gắn kết đang thấp hơn
so với M. Việc lập ánh xạ phân bổ sóng mang con cách đều nhau , gọi là mỗi sóng mang
con thứ j. Sau đó (j-1) số không được lắp vào giữa mỗi cặp đầu ra của DFT. Ánh xạ này
và sơ đồ khối tổng thể của SC-FDMA được hiển thị trong hình 1.5.
SVTH: Trần Đình Hoàng - D08VT2 Trang 25