luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền trong mạng 4g lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG



PHẠM HOÀNG PHƯƠNG




NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN
KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





Đà Nẵng - Năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


PHẠM HOÀNG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN
KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE



Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số : 60.52.70


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


Người hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN LÊ HÙNG


Đà Nẵng - Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN


Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phạm Hoàng Phương



















MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Bố cục đề tài 2
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu 2
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG

TIN DI ĐỘNG 4G LTE 3
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 3
1.3. KỸ THUẬT OFDM 7
1.3.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM 7
1.3.2. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 9
1.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 14
1.4. ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA KỸ THUẬT OFDM 14
1.4.1. Sự suy hao 14
1.4.2. Tạp âm Gaussian 15
1.4.3. Trải trễ 15
1.4.4. Dịch tần số Doppler 16
1.4.5. Kênh truyền fading 16
1.5. HỆ THỐNG MIMO 19
1.5.1. Giới thiệu về kỹ thuật MIMO 19
1.5.2. Mô hình hệ thống MIMO 19
1.5.3. Kênh SVD MIMO 21
1.5.4. Kỹ thuật phân tập 25
1.5.5. Các độ lợi của hệ thống MIMO-OFDM 28
1.6. KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 29
1.6.1. Giới thiệu về tiền mã hóa 29
1.6.2. Tiền mã hóa Zero-forcing (ZF) 31
1.6.3. Tiền mã hóa Block Diagonalization 33
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH
TRUYỀN 37
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 37
2.2. VAI TRÒ CỦA HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN 37
2.3. LƯỢNG TỬ HÓA VECTOR 39
2.3.1. Khái niệm lượng tử hóa vector 39
2.3.2. Quá trình lượng tử đáp ứng kênh truyền 40

2.4. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI SỐ LƯỢNG NGƯỜI DÙNG HẠN
CHẾ MỖI CELL 41
2.4.1. Huấn luyện và hồi tiếp. 41
2.4.2. Sai số lượng tử hồi tiếp 46
2.5. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU NGƯỜI DÙNG TRONG
MỘT CELL 48
2.5.1. Hai phương án thiết kế cho một hệ thống MIMO đường xuống 48
2.5.2. Tổng kết kết quả với đa người dùng 50
2.6. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU ANTEN THU. 51
2.6.1. Mô hình hệ thống 51
2.6.2. Tiền mã hóa Block Diagonalization 52
2.6.3. Lượng tử không gian con 53
2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 54
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN
TRONG MẠNG 4G LTE 55
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 55
3.2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG 56
3.2.1. Mô hình tín hiệu phát 56
3.2.2. Đáp ứng kênh truyền theo mô hình BEM 57
3.2.3. Mô hình tín hiệu thu 58
3.3. HỒI TIẾP ĐA NGƯỜI DÙNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH BEM 59
3.3.1. Hồi tiếp hữu hạn sử dụng mô hình BEM 60
3.3.2. Tiền mã hóa BD 63
3.3.3 Thuật toán Greedy Scheduling 66
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 67
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN
KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 68
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 68
4.2. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN
TRONG MẠNG 4G LTE 68

4.2.1. Lưu đồ thuật toán của chương trình chính 68
4.2.2. Lưu đồ thuật toán tạo ma trận cơ sở 70
4.2.3. Lưu đồ thuật toán phân tích đáp ứng kênh theo mô hình BEM 71
4.2.4. Lưu đồ thuật toán lượng tử hóa hệ số BEM 72
4.2.5. Lưu đồ thuật toán khôi phục đáp ứng kênh tại BS 73
4.2.6. Lưu đồ thuật toán lựa chọn người dùng 74
4.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 75
4.3.1. Dung lượng hệ thống khi số lượng người dùng khác nhau 76
4.3.2. Dung lượng hệ thống khi số lượng bit hồi tiếp khác nhau 77
4.3.3. Dung lượng hệ thống khi số lượng anten phát khác nhau. 78
4.3.4. Dung lượng hệ thống khi sử dụng số hàm DSP-BEM khác nhau. 79
4.3.5 Dung lượng hệ thống khi tốc độ di chuyển của thuê bao khác
nhau 80
4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG. 81
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
3G
Third Generation Mobile
Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 3
3GPP
Third Generation Partnership
Project
Tổ chức chuẩn hóa các công
nghệ mạng thông tin di động
tế bào
4G
Fourth Generation Mobile
Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 4
AWGN
Additive White Gaussian
Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng
BD Block Diagonalization
BEM Basis Expansion Model Mô hình mở rộng cơ sở
BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit
BS Base Station Trạm gốc
CIR

Channel Impulse
response
Đáp ứng xung của kênh
truyền
CFR
Channel Frequency
response
Đáp ứng tần số của kênh
truyền
CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp
CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh
CSIT
Channel State Information
Transmiter
Thông tin trạng thái kênh ở
máy phát
CSIR
Channel State Information
Receiver
Thông tin trạng thái kênh ở
máy thu
DAC Digital Analog Converter Bộ biến đổi số sang tương tự

DL Downlink Đường xuống
DPC Dirty Paper Coding
DSP-BEM
Discrete Prolate Spheroidal
Basis Expansion Model

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FDD Frequency Division Duplex
Ghép kênh song công phân
chia theo tần số
FDM
Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
tần số.
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo
tần số
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
GSM
Global System for Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động
toàn cầu
GPRS General Packet Radio Service
Dịch vụ vô tuyến gói tổng
hợp
HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện kỹ nghệ Điện và Điện
Tử
IFFT

Inverse Fast Fourier
Transform
Biến đổi Fourier nhanh
ngược
ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự
ITU
International
Telecommunication Union
Liên hiệp Viễn thông Quốc
tế
LBG Linde, Buzo and Gray
LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn
MIMO
Multiple Input Multiple
Output
Đa anten phát - Đa anten thu

MU Multi User Đa người dùng
OFDM
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao
OFDMA
Orthogonal Frequency
Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo
tần số trực giao
PAPR Peak to Average Power Ratio
Tỉ số công suất đỉnh trên

công suất trung bình
PCM Pulse Code Mudulation Điều chế xung mã
QAM
Quadrature Amplitude
Modulation
Điều biên cầu phương
QPSK
Quadrature Phase Shift
Keying
Điều chế pha vuông góc
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
SC-FDMA
Single Carrier Frequency
Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
tần số đơn sóng mang
SINR
Signal to Interference Noise
Ratio
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và
tạp âm
SDMA
Space Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
không gian
SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
SISO Single Input Single Output

Đơn anten phát - đơn anten
thu
SVD
Singular Value
Decomposition
Phân tích ma trận thừa số
TDD Time Division Duplex
Ghép song công phân chia
thời gian
UE User Equipment Thiết bị người dùng
UL Uplink Đường lên
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu
UT User Terminal Người dùng đầu cuối
VQ Vector Quantization Lượng tử hóa vector
ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng
Tên bảng Trang

1.1
Các đặc điểm chính của công nghệ LTE
3

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình
Tên hình Trang
1.1 Phổ của sóng mang con OFDM

7
1.2
So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung và kỹ
thuật sóng mang chồng xung
8
1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 9
1.4 Tiền tố lặp trong OFDM 13
1.5 Các tín hiệu đa đường 17
1.6
Mô hình hệ thống MIMO với N
t
anten phát và N
r
anten
thu
20
1.7 Mô hình SVD MIMO tối ưu 24
1.8
Kỹ thuật Beamforming

28
1.9 Ghép kênh không gian 29
1.10

Phân t
ập không gian giúp cải thiện SNR

29

1.11 Mô hình precoding trong hệ thống SDMA - OFDM 30
1.12 Ví dụ về linear precoding 31
2.1 Ví dụ lượng tử hóa một chiều 39
2.2 Ví dụ lượng tử hóa vector hai chiều 40
2.3 Quá trình lượng tử hóa kênh truyền 41
2.4
Hồi tiếp thông tin trạng thái kênh truyền trong đường
xuống hệ thống MIMO
41
2.5 Mô hình ước lượng kênh và hồi tiếp 43
2.6
Hai phương án thiết kế cho một hệ thống MIMO đường
xuống
49
4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 70
4.2 Lưu đồ thuật toán tạo ma trận cơ sở 71
4.3
Lưu đồ thuật toán phân tích đáp ứng kênh theo mô hình
BEM
72
4.4 Lưu đồ thuật toán lượng tử hóa hệ số BEM 73
4.5
Lưu đồ thuật toán phân tích đáp ứng kênh theo mô hình
BEM

74
4.6
Lưu đồ thuật toán lựa chọn người dùng và tính toán
dung lượng hệ thống
75
4.7
Dung lượng hệ thống với số lượng người dùng khác
nhau
77
4.8
Dung lượng hệ thống với số lượng bit hồi tiếp khác
nhau
78
4.9
Dung lượng hệ thống với số lượng anten phát khác
nhau sử dụng tiền mã hóa BD và ZF
79
4.10
Dung lượng hệ thống với số hàm cơ sở DSP-BEM
khác nhau
80
4.11
Dung lượng hệ thống với tốc độ di chuyển của thuê
bao khác nhau
81
1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bên cạnh những hình thức phân chia đã biết như: thời gian, tần số và mã

trong truyền thông không dây, gần đây phân chia theo không gian được xem
như là một chiều hướng mới để nâng cao hiệu năng của hệ thống, đặc biệt là
trong truyền thông đa người dùng (MU). Trong đa truy cập phân chia theo
không gian (SDMA), việc sử dụng nhiều anten mảng cho phép trạm gốc
truyền tải đồng thời nhiều luồng dữ liệu đến với nhiều người dùng khác nhau
bằng cách khai thác chiều tín hiệu mới này. Trong mạng đa người dùng với
các node mạng có tốc độ di chuyển nhanh (ví dụ như người dùng ở trên ô tô,
tàu lửa hay tàu cao tốc trong hệ thống LTE), kết quả là đáp ứng xung kênh
truyền (CIR) luôn luôn thay đổi theo thời gian làm cho CIR trở thành một tập
hợp các thông số rất lớn. Điều này gây ra một lượng tải quá lớn cho kênh hồi
tiếp thông tin trạng thái kênh truyền trong quá trình xử lý tiền mã hóa và chọn
lựa người dùng khi kênh truyền luôn thay đổi ở trạm gốc và làm nảy sinh các
vấn đề về kênh hồi tiếp quá hạn mà có thể làm suy giảm nghiêm trọng hiệu
năng hệ thống.
Để khắc phục các vấn đề nêu trên, luận văn này trình bày phương pháp
thiết kế hồi tiếp hữu hạn thông tin kênh truyền sử dụng tiền mã hóa BD và lựa
chọn người dùng trong mạng đa người dùng MIMO. Mô hình mở rộng cơ sở
(BEM) được sử dụng như là một thông số phù hợp để bắt theo kênh biến thiên
theo thời gian và giảm số lượng thông số kênh. Đặc biệt, để tạo ra thông tin
hồi tiếp, vector lượng tử hóa của hệ số BEM được thực hiện tại thuê bao đầu
cuối với giả định việc ước lượng hệ số BEM lý tưởng đã được thực hiện bởi
một thuật toán đã có. Sau đó các chỉ số đầu ra của các vector lượng tử BEM
được gửi đến BS thông qua kênh hồi tiếp.
2

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền sử dụng mô hình
BEM nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu tại đầu thu trong thông tin vô tuyến.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu về hệ thống thông tin di động 4G và

một số kỹ thuật sử dụng trong mạng 4G LTE: kỹ thuật MIMO, tiền mã hóa và
hồi tiếp hữu hạn.
 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh
truyền trong mạng MIMO đa người dùng sử dụng mô hình BEM.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền. Thực
hiện tính toán mô phỏng các vấn đề liên quan và đánh giá kết quả, đề xuất,
kiến nghị.
5. Bố cục đề tài
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển, tài liệu tham khảo,
phụ lục, luận văn bao gồm 4 chương sau:
Chương 1: Một số kỹ thuật dùng trong mạng thông tin di động 4G LTE.
Chương 2: Tổng quan về hồi tiếp thông tin kênh truyền.
Chương 3:Thiết kế hồi tiếp thông tin kênh truyền trong mạng 4G LTE.
Chương 4: Mô phỏng kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền trong mạng 4G
LTE.
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo khoa học, các luận
văn thạc sĩ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng với
các trang web tìm hiểu. Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót,
rất mong nhận được sự góp ý của hội đồng để luận văn trở thành một công
trình thực sự có ích.
3

CHƯƠNG 1
MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 4G LTE
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương này trình bày những kiến thức chung về công nghệ LTE, các

nguyên lý cơ bản của truyền dẫn đa sóng mang trực giao (OFDM) và của hệ
thống dùng nhiều anten (MIMO). Tiếp theo đề cập đến đa truy cập phân chia
theo không gian (SDMA) và cuối cùng là các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ
thống thông tin di động 4G LTE.
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE
LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ
thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo
tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt
đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động
UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho
LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn,
sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến
trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị
đầu cuối.
Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTE
được tóm tắt trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 - Các đặc điểm chính của công nghệ LTE [2]
Băng tần 1,25 – 20 MHz
Song công

FDD, TDD, bán song công FDD

Di động 350km/h
Đa truy nhập
Đường xuống OFDMA
4

Đường lên SC-FDMA
MIMO
Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4

Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4
Tốc độ dữ liệu đỉnh
trong 20MHz
Đường xuống: 173 và 326 Mb/s tương ứng
với cấu hình MIMO 2 * 2 và 4 * 4

Đường lên: 86Mb/s với cấu hình 1 * 2 anten

Điều chế
QPSK ; 16 QAM và 64 QAM
Mã hóa kênh
Mã tubo
Các công nghệ khác
Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng
; điều khiển công suất ; ICIC và ARQ hỗn
hợp

Mục tiêu của LTE là cung cấp một dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ
thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một
cách linh hoạt khi triển khai. Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với
mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt,
chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu.
Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ
tốc độ dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO
(multiple input multiple output) trong 20MHZ băng thông. MIMO cho đường
lên là không được sử dụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE. Tốc độ
dữ liệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s trong 20MHZ băng thông. Ngoài viêc cải
thiện tốc độ dữ liệu đỉnh hệ thống LTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao hơn từ
2 đến 4 lần của hệ thống HSPA phiên bản 6.

Dải tần co giãn được: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng
mở rộng từ 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều
5

lên và xuống. Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng
thông. Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một
số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì
cũng được đáp ứng.
Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị
đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm đi
một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ
thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào, chức năng hỗ trợ từ 120
đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần.
Giảm độ trễ trên mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển:
- Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển: Giảm
thời gian để một thiết bị đầu cuối (UE - Người dùng Equipment) chuyển từ
trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một
kênh truyền. Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms.
- Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ
ong hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố
định. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game …,
vì cần thời gian thực. Giao diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả
năng độ trễ dưới 10ms cho việc truyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE.
Sẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả sẽ dựa trên IP. Một trong
những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn
toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Sâu xa hơn, phần
lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng
lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP. 3GPP cho phép cung cấp các dịch vụ
linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP
và các mạng cố định. EPC dựa trên các giao thức TCP/IP – giống như phần

lớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC
6

như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện. VoIP sẽ dùng cho
dịch vụ thoại.
Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5 km LTE cung cấp tối
ưu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động. Phạm vi lên đến
30km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng, còn hiệu suất phổ thì lại
giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu
cầu về độ di động vẫn được đáp ứng.
Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại: Tuy nhiên
mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại.
Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không
cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có.
OFDMA, SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE: Hệ thống
này hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & SC-
FDMA. Ngoài ra còn có song công phân chia tần số FDD và song công phân
chia thời gian TDD. Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho các
người dùng với chi phí thấp. Điều này tránh việc phải đầu tư một bộ song
công đắt tiền trong UE. Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhập
phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủ
sóng đường lên.
Giảm chi phí: Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi
phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các
dịch vụ. Các vấn đề đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan
đến yếu tố chi phí, chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các
trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề
cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít
năng lượng.
7

Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải
cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác. Người
dùng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và
thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE. Do đó, cho phép
chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của
HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE. Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ không
chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền
giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.
1.3. KỸ THUẬT OFDM
1.3.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM
a. Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing), về cơ bản là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều
chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng
tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier)
trực giao với nhau.

Hình 1.1: Phổ của sóng mang con OFDM [2]
Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn
lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng
lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn
8

hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường.
Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng
kênh và mức độ nhiễu.
b. Sự trực giao
Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau nếu thỏa:










b
a
tgtfk
tgtf
dttgtfgf
)()(,
)()(,0
)()(),(
*
(1.1)
Trong đó: g*(t) là liên hợp phức của g(t), khoảng thời gian từ a đến b là
chu kì của tín hiệu, k là một hằng số.

Hình 1.2: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung
và kỹ thuật sóng mang chồng xung.
Trong hệ thống đa sóng mang (MC), nhằm thỏa mãn tính trực giao ta sử
dụng tần số có dạng
t)fj(2
k
e


những sóng mang này có tần số f
k
= kΔf, k = 0, 1,
2 m n N-1 cách đều nhau một khoảng
T
f
1

. Hình 1.2 cho ta thấy dạng
sóng của tín hiệu sin trực giao.
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con có dạng
t)fj(2
k
e


Xét biểu thức (1.1) trong chu kì T của tín hiệu:
9






Tk
kT
ftmnj
Tk
kT
dtedttgtf

)1(
)(2
)1(
*
)().(








mnT
mn
,
#,0
(1.2)
Khi n = m thì tích phân trên bằng T không phụ thuộc vào n, m.
Từ hình 1.2 ta nhận thấy phổ của một kí hiệu (symbol) trong khoảng thời gian
T có dạng hàm Sin(t), tại vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là điểm không của các
sóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không gây nhiễu lẫn nhau.
Tín hiệu sau điều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị điều chế, băng
thông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất:
f
N
= NΔf (1.3)
Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía
thu có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng.
1.3.2. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Nguyên lý hoạt động cơ bản của điều chế OFDM như sau
Ở phía phát chúng ta có dòng dữ liệu vào nối tiếp:
S
1
, S
2
, S
3
, … S
n
Qua bộ biến đổi nối tiếp song song (bộ S/P: Serial/Parrallel) ta có dòng
dữ liệu ra song song như sau:


S
1
S
2
S
3
:
S
n
10

Chúng ta giả thiết chu kỳ ký hiệu là T, chu kỳ lấy mẫu là ∆T với N mẫu
trong một chu kỳ ký hiệu. Như vậy ta có T=N∆T. Các tần số góc của các sóng
mang tương ứng là sẽ là:

2

T
N
n
n


với n=0,1,2…,N-1 (1.4)
Tín hiệu OFDM đưa vào có dạng như sau:




1
0
)(
N
n
tj
n
n
eSts

(1.5)
Khi lấy mẫu thứ k của tín hiệu OFDM ta có:









1
0
2
1
0
2
)()(
N
n
n
N
nk
j
n
N
n
Tk
T
n
N
j
nk
SIFFTeSeSsTkts


(1.6)
Rõ ràng bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (bộ IFFT) đã làm chức năng
điều chế OFDM, chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian. Sau khi

các sóng mang được điều chế, được cộng lại với nhau ở bộ biến đổi song song
nối tiếp (bộ P/S: Serial/Parrallel) ta sẽ thu được tín hiệu OFDM. Yêu cầu biến
đổi dạng tín hiệu số OFDM thành dạng tín hiệu tương tự để truyền lên kênh
vô tuyến được thực hiện nhờ bộ biến đổi số tương tự (bộ DAC)

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM
11

a. Mã hóa kênh
Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc
độ truyền số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong
một băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế
tùy ứng dụng cụ thể. Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số
BER và thời gian trễ chấp nhận được. Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không
đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng các
phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh.
Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu
bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đều đưa
thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều
hơn trong mã phát hiện lỗi. Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải
đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cần
phải truyền lại.
Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập
(convolutional code).
b. Khối xen rẽ Interleaver
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa
với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường
xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng fading lựa chọn tần số.
Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật
xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên

và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh.
c. Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được
điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh
12

được sắp xếp thành các nhóm có N
bs
(1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với
các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.
d. IFFT/FFT
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ
thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất
nhiều sóng mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một
máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường
hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là
không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức
năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động
sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được
xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh
và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi
DFT/IDFT.
e. Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)
Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ
đa đường. OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả. Luồng dữ liệu vào
được chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các
sóng mang phụ trực giao. Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được
ảnh hưởng của trải trễ đa đường.
Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn
thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM. Chiều dài của khoảng bảo vệ được

chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading. Về mặt thông
tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây
nhiễu liên sóng mang ICI. Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền
tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó. Bằng
cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP, và tín hiệu đa