luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử thiết kế mã hóa đa truy cập trong mạng di động đa tế bào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG



PHAN ĐÌNH THẮNG




THIẾT KẾ MÃ HÓA ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG
DI ĐỘNG ĐA TẾ BÀO




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





Đà Nẵng - Năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


PHAN ĐÌNH THẮNG

THIẾT KẾ MÃ HÓA ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG
DI ĐỘNG ĐA TẾ BÀO



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

Phan Đình Thắng



















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 3
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

TẾ BÀO VÀ OFDM 4
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 4
1.2. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ
BÀO 4
1.2.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 5
1.2.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 6
1.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 7
1.2.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ tiền 4G 9
1.2.5. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) 10
1.3. KỸ THUẬT OFDM 13
1.3.1. Giới thiệu 13
1.3.2. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM 14
1.3.3. Sự trực giao 16
1.3.4. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 17
1.3.5. Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM 21
1.3.6. Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM 23
1.3.7. Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 24
1.4. ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA KỸ THUẬT OFDM 25
1.4.1. Sự suy hao 25
1.4.2. Tạp âm Gaussian 26
1.4.3. Trải trễ 26
1.4.4. Dịch tần số Doppler 26
1.4.5. Kênh truyền fading 27
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 30
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG
VÀ CÁC KỸ THUẬT MÃ HÓA ĐA TRUY CẬP 31
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 31
2.2. TỔNG QUAN KỸ THUẬT MIMO 31
2.2.1. Giới thiệu về kỹ thuật MIMO 31
2.2.2. Các hệ thống thông tin không dây 32

2.2.3. Mô hình hệ thống MIMO 34
2.2.4. Kỹ thuật phân tập 35
2.2.5. Các độ lợi của hệ thống MIMO-OFDM 38
2.2.6. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO 40
2.3. KỸ THUẬT MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG 40
2.3.1. Kênh đa người dùng 40
2.3.2. Kỹ thuật đa truy cập 42
2.4. ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN SDMA
TRONG HỆ THỐNG MU-MIMO 46
2.5. KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 48
2.5.1. Giới thiệu về tiền mã hóa 48
2.5.2. Tiền mã hóa Zero-forcing 49
2.5.3. Phân bổ công suất tối ưu 52
2.6. KÊNH SVD MIMO 53
2.7. KỸ THUẬT MÃ HÓA D-SVD VÀ P-SVD 57
2.7.1. Giới thiệu 57
2.7.2. Kỹ thuật D-SVD 58
2.7.3. Kỹ thuật P-SVD 60
2.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 61
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÃ HÓA ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG DI
ĐỘNG ĐA TẾ BÀO 63
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 63
3.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG MẠNG ĐA TẾ BÀO 63
3.3. THIẾT KẾ MA TRẬN ZF-BASED POSTCODING 65
3.4. THIẾT KẾ PRECODING TẠI NGƯỜI SỬ DỤNG 67
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 69
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 70
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 70
4.2. CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 70
4.3. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 71

4.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 73
4.4.1. Đánh giá BER hệ thống mạng đa tế bào 73
4.4.2. Đánh giá dung lượng trung bình trên một tế bào so với SNR
trong hệ thống mạng đa tế bào. 74
4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG. 75
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 76
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 78








DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
1G
First Generation Mobile
Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ nhất
2G
Second Generation Mobile
Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ hai
3G
Third Generation Mobile

Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ ba
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 tư
AMPS
Advanced Mobile Phone
System
Hệ thống điện thoại di động
tiên tiến
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
CDMA
Code Division Multiple
Access

Đa truy cập phân chia theo
mã
CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp
CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DPC Dirty Paper Coding
D-SVD
Drect-Channel Singular Value
Decomposition
Phân tích ma trận thừa số
kênh trực tiếp
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
GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
Communication 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
KKT Karush-Kuhn-Tucker
Điều kiện Karush-Kuhn-
Tucker
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
LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn
MAC Multiple Access Channel Kênh đa truy cập
MIMO
Multiple Input Multiple
Output
Đa anten phát - Đa anten thu

MISO Multiple Input Single Output

Đơn anten phát – Đơn anten
thu
MU Multi User Đa người dùng
NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Bắc Âu
OCI Out-of-Cell Interference Nhiễu của các tế bào lân cận

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
P-SVD
Projected-Channel Singular
Value Decomposition
Phân tích ma trận thừa số
kênh được chiếu
QAM
Quadrature Amplitude
Modulation
Điều biên cầu phương
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
SC-FDMA Single Carrier Frequency Đa truy nhập phân chia theo
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
Division Multiple Access tần số đơn sóng mang
SINR
Signal to Interference Noise
and interference 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
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
SISO Single Input Single Output
Đơn anten phát - đơn anten
thu
SIMO Single Input Multiple Output
Đơn anten phát - đa anten
thu
SVD
Singular Value
Decomposition
Phân tích ma trận thừa số
TACS
Total Access Communication
System
Hệ thống giao tiếp truy cập

tổng hợp
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
ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không













DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình

Tên hình Trang
1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin di động tế bào 5
1.2 Mô hình mạng 4G 10
1.3 Phổ của sóng mang con OFDM 13
1.4 So sánh các kỹ thuật sóng mang 15
1.5 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM 18
1.6 Cấu trúc khung dữ liệu OFDM 22
1.7 Cấu trúc khung dữ liệu OFDM 22
1.8 Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu 22
1.9 Chùm tín hiệu M-QAM 23
1.10 Các tín hiệu đa đường 27
2.1 Sự khác nhau giữa SISO, SIMO, MISO và MIMO 32
2.2 Mô hình hệ thống MIMO 34
2.3 Kỹ thuật Beamforming 38
2.4 Ghép kênh không gian 39
2.5
Phân tập không gian giúp cải thiện SNR

40
2.6 Kênh đường xuống và kênh đường lên 41
2.7 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA 42
2.8 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 43
2.9
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

44
2.10 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA 45
2.11 Truyền dẫn đa người dùng MU transmission 46
2.12 Hệ thống truyền dẫn đa người dùng đơn giản 47
2.13 Mô hình precoding trong hệ thống SDMA – OFDM 49

2.14 Mô tả tiền mã hóa ZF trong hệ thống SDMA 50
2.15
Mô hình SVD MIMO tối ưu

57
3.1 Mô hình mạng đa tế bào 64
4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 72
4.2
BER trung bình so với SNR cho MAC với điều chế
16-QAM
73
4.3
Dung lượng trung bình so với SNR cho truyền dẫn
MAC
74
1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các dịch vụ sử dụng các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng
như điện thoại không dây, Internet không dây,…phát triển ngày càng mạnh
mẽ, cùng với đó nhu cầu về dung lượng và chất lượng của hệ thống ngày càng
được tăng cường nhằm thoả mãn nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng cao của
con người do đó đòi hỏi người ta phải đưa ra các biện pháp để cải thiện chất
lượng cũng như dung lượng của hệ thống trong một phạm vi băng tần nhất
định.
Trong các hệ thống mạng vô tuyến đơn tế bào, truyền dẫn đa truy cập
phân chia theo không gian (SDMA) sử dụng precoding và/hoặc postcoding
thích hợp đã được triển khai mạnh mẽ để nâng cao hiệu quả phổ của hệ thống
[3], [13], [17], [19]. Để có thể cho hiệu quả phổ cao hơn, truyền dẫn đa tế bào

cùng sử dụng lại tần số có thể được triển khai nếu nhiễu giữa các tế bào lân
cận (OCI) là đủ nhỏ khi khoảng cách giữa các tế bào là đủ lớn [14], tuy nhiên
điều này gây lãng phí tài nguyên tần số (do tài nguyên tần số là có hạn). Nếu
như khoảng cách giữa các tế bào là nhỏ, thì OCI sẽ tăng và phải chịu tổn thất
đáng kể về dung lượng của hệ thống nhưng sẽ tiết kiệm được tài nguyên tần
số.
Ngoài các nghiên cứu các kênh quảng bá (truyền dẫn đường xuống), thì
đã có một số nghiên cứu về truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập
(truyền dẫn đường lên). Đặt biệt, các kỹ thuật phân tích ma trận thừa số
(SVD) dựa trên các kỹ thuật precoding và postcoding được sử dụng để loại bỏ
nhiễu liên người sử dụng (trong mỗi tế bào) và OCI [12], [18].
Khác với các kỹ thuật SVD [12], [18], đã được nghiên cứu tôi chọn đề
tài “Thiết kế mã hóa đa truy cập trọng mạng di động đa tế bào” thực hiện các
vấn đề của việc thiết kế precoding và postcoding cho truyền dẫn đường lên
2

trong hệ thống đa tế bào cùng sử dụng lại tần số. Bằng việc sử dụng Zero-
forcing-based precoding/postcoding và phân bổ công suất tối ưu, với kỹ thuật
này thì sẽ loại bỏ được nhiễu liên người sử dụng, OCI tốt hơn và làm cho
dung lượng của hệ thống cao hơn so với các kỹ thuật đã được nghiên cứu
trước đây là thật sự cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu thiết kế ma trận Zero-forcing-based postcoding tại các
trạm gốc BS để loại bỏ nhiễu liên người sử dụng và OCI trong hệ thống
truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng lại tần số.
 Nghiên cứu thiết kế precoding tại các người sử dụng để tối đa dung
lượng tổng của mỗi tế bào trong hệ thống truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng
lại tần số.
 Mô phỏng so sánh các kỹ thuật precoding và postcoding đã được
nghiên cứu trước đó (như: P-SVD) với kỹ thuật precoding và postcoding đã

được đề xuất trong đề tài.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu:
 Nghiên cứu Zero-forcing-based postcoding/precoding trong
truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập.
 Phạm vi nghiên cứu:
 Nghiên cứu các kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian
(SDMA) trong hệ thống MIMO đa người dùng.
 Nghiên cứu các mô hình truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa
truy cập.
 Nghiên cứu precoding/postcoding trong truyền dẫn đa tế bào.
4. Phương pháp nghiên cứu
 Thu thập và phân tích các tài liệu, thông tin có liên quan đến đề tài.
3

 Tham khảo các đề tài, bài báo khoa học đã được thực hiện có nội
dung liên quan đến mã hóa trong truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy
cập.
 Đề xuất thiết kế precoding/postcoding.
 Dùng phần mềm Matlab để thực hiện mô phỏng, kiểm tra so sánh kết
quả.
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: Tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào và OFDM.
Chương 2: Tổng quan về hệ thống MIMO đa người dùng và các kỹ thuật
mã hóa đa truy cập.
Chương 3: Thiết kế mã hóa đa truy cập trong mạng di động đa tế bào.
Chương 4: Mô phỏng và kế quả.
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, các tài
liệu giáo trình, cùng với các trang web tìm hiểu nội dung liên quan đến đề tài.
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.
4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ
BÀO VÀ OFDM
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Với nhu cầu ngày càng cao cho các dịch vụ không dây như thoại, dữ
liệu, video tốc độ cao,… kèm theo đó là đòi hỏi về chất lượng và dung lượng
cần được chú trọng, để đáp ứng những yêu cầu đó thì mạng thông tin di động
tế bào đã có những bước tiến nhảy vọt với nhiều tiêu chuẩn mới. Nội dung
của chương này sẽ giới thiệu khái quát quá trình phát triển của mạng thông tin
di động từ thế hệ đầu tiên đến công nghệ mới nhất 4G. Tiếp đến, sẽ giới thiệu
về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) - một kỹ thuật
được sử dụng phổ biến trong hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng.
1.2. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ
BÀO
Thông tin di động hiện là một lĩnh vực vô cùng quan trọng đời sống văn
hóa của con người trong thế kỷ 21 . Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã
trải qua nhiều giai đoạn phát triển và đã đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao
của con người.
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về
thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di
động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm
tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn

đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di
động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.
5

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp
được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về
dung lượng.
Trong mạng thông tin di động tế bào, mỗi một thập kỷ chứng kiến một
thế hệ mạng mới. Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm 80s. Đó là thế
hệ điện thoại di động tương tự (analog). Thế hệ thứ 2G bắt đầu nổi lên từ
nhưng năm đầu của thập kỷ 90. Thế hệ thứ 2G là công nghệ di động kỹ thuật
số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu. Thế hệ thứ 3 bắt đầu từ năm 2001 ở
Nhật, đặc trưng bởi dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao.
Hệ thống tiền 4G, những viên đá tảng cho thế hệ thứ tư và 4G hiện nay cũng
đã đưa vào khai thác và phát triển. Con đường phát triển của các công nghệ
mạng tế bào được thể hiện ở hình dưới đây.

Hình 1.1. Quá trình phát triển mạng thông tin di động tế bào
1.2.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Sự khởi đầu giản đơn (chỉ có chức năng nghe và gọi) 1G là chữ viết tắt
của công nghệ điện thoại không dây thế hệ đầu tiên (First Generation). Các
điện thoại chuẩn analog sử dụng công nghệ 1G với tín hiệu sóng analog được




ANALOG

TACS
AMPS

3G LTE

(OFDMA)

3GPP standards

EV
-
DV

CDMA2000

UMB
(OFDMA)

3GPP2 standards


802.16m

(OFDMA)

GSM
(TDMA)

GPRS EDGE
UMTS

(WCDMA)

HSPA

IS
-
136

(TDMA)

IS
-
95A

(TDMA)

IS-95B
1xRTT
(CDMA2000)

EV
-
DO

CDMA2000

WiFi

(OFDM)

802.16
-

2004

(OFDM)
802.16-2005

(OFDM)
Cellular Technology Evolution
1G 2G 2.5G 2.75G 3G 3.5G pre-4G

Broadband Wireless Technology Evolution
2005 2006 2006-2009 2010+
All-IP
Convergence

6

giới thiệu trên thị trường vào những năm 1980. Một trong những công nghệ
1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước
Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như AMPS
(Advanced Mobile Phone System - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được
sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication System - hệ thống
giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào
Nha và Nam Phi. Điểm yếu của 1G là: dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi
cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém,
không có chế độ bảo mật… Khi số lượng các thuê bao trong mạng ngày càng
tăng lên, các nhà nghiên cứu nhận thấy cần có biện pháp nâng cao dung lượng
của mạng, chất lượng cuộc thoại cũng như thêm các dịch vụ bổ sung cho
mạng. Người ta nghĩ đến việc số hóa các hệ thống điện thoại di động dẫn đến
sự ra đời của hệ thống di động thứ hai.
1.2.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (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 và có tên gọi
là GSM. Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di
động thế hệ hai lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động
dựa trên công nghệ số. Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài
dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn 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 các
Công ty viễn thông khai thác rất hiệu quả với các mạng thông tin di động số
MobiFone, VinaPhone, Viettel, Vietnamobile, Gtel theo tiêu chuẩn GSM.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ hai đều sử dụng kỹ thuật điều
chế số. Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:
Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access -
7

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.
1.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
Công nghệ điện thoại di động 3G cho phép truyền cả tín hiệu thoại và
dữ liệu (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh ). Hệ thống mạng 3G
cung cấp cả hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Điểm mạnh
của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh,
hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở
các tốc độ khác nhau.
Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, dung lượng của hệ thống lớn,
tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Các chuẩn công nghệ di
động 3G đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS, CDMA2000 và TD-
SCDMA.
 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System): dựa trên công

nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp thích hợp với các nhà khai
thác dịch vụ di động, sử dụng GSM/GPRS để đi lên 3G, tập trung chủ yếu ở
châu Âu và một phần châu Á, trong đó có Việt Nam. UMTS được tiêu chuẩn
hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho
GSM, GPRS và EDGE. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920 kbps (gần 2 Mbps).
Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384 kbps. Để cải tiến tốc độ dữ liệu
của 3G, hai kỹ thuật HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) và
HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) đã được đề nghị. Khi cả 2 kỹ
thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA. HSPA thường được
biết đến như là công nghệ 3.5G.
 HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về
8

người dùng di động). Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực
tế nó chỉ đạt tầm 1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps). Theo một báo cáo
của GSA tháng 7 năm 2008, 207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai,
trong đó 207 đã thương mại hoá ở 89 nước trên thế giới.
 HSUPA: tăng tốc độ uplink và cải tiến QoS. Kỹ thuật này cho
phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps. Cũng trong
cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã
triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch
triển khai mạng HSUPA.
 CDMA2000: là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95
(CDMA One). Các đề xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng
bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA2000 được
quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập với 3GPP. Đã có nhiều công nghệ
truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm
CDMA2000 1xRTT, CDMA2000 EV-DO và CDMA2000 EV-DV.
CDMA2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbps tới trên 3 Mbps. Chuẩn này
đã được chấp nhận bởi ITU.

 CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận như là một
công nghệ 3G, tuy nhiên nhiều người vẫn xem nó như là một công nghệ
2.75G đúng hơn là 3G. Tốc độ của CDMA2000 lxRTT có thể đạt đến 307
kbps, song hầu hết các mạng đã triển khai chỉ giới hạn tốc độ peak ở 144
kbps.
 CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1.25 MHz và
tốc độ dữ liệu đến 2.4Mbps cho đường xuống và 153 kbps cho đường lên.
1xEV-DO RevA hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến 3.1
Mbps và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1.2 Mbps. 1xEV-DO RevB
9

cho phép nhà cung cấp mạng gộp đến 15 kênh 1.25 MHz lại để truyền dữ liệu
với tốc độ 73.5 Mbps.
 CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một
kênh 1.25 MHz. cung cấp tốc độ peak đến 4.8 Mbps cho đường xuống và đến
307 kbps cho đường lên. Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô thời
hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA
như Verizon Wireless và Sprint đã chọn EV-DO.
o TD-SCDMA: là chuẩn di động được đề nghị bởi "China
Communications Standards Association" và được ITU duyệt vào năm 1999.
Đây là chuẩn 3G của Trung Quốc. TD-SCDMA dùng song công TDD, có thể
hoạt động trên một dãi tần hẹp 1.6 MHz (cho tốc độ 2 Mbps) hay dãi tần 5
MHz (cho tốc độ 6 Mbps).
1.2.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ tiền 4G
Hai công nghệ xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 (802.11m) và Long
Term Evolution (LTE) vì chưa đáp ứng được chuần của 4G là cho phép
truyền tải ở tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên . Về
bản chất, Wimax2 là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản
phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng cung cấp dịch vụ
GSM. Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử dụng công nghệ ăng-ten tiên

tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động
trên các băng tần khác nhau.
Long Term Evolution (LTE) : công nghệ di động mới đang được phát
triển và chuẩn hóa bởi 3GPP , nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện
đầy đủ các yêu cầu IMT-Advanced. LTE có tốc độ bit net lý thuyết là 100
Mbit/s cho download và 50 Mbit/s cho upload.
WiMax-2 : được phát triển bởi IEEE (IEEE 802.16m) , WiMax cung
10

cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ up và
down cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ
sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình. WiMAX có thể thay đổi
một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách
giảm tốc độ truyền và ngược lại, có tốc độ bit net lý thuyết là 128 Mbit/s cho
download và 64 Mbit/s cho upload.
1.2.5. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)


Hình 1.2. Mô hình mạng 4G
Nền tảng 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây
3G. 4G là một giải pháp khắc phục những giới hạn và những điểm yếu của
mạng 3G để đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp
ứng được.
Nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa
phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi
nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng. NTT
DoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G.
11

Mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100

Mbps, đồng thời sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và
đang phát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-
4G, RFID, UWB, satellite…để cung cấp một kết nối vô tuyến rộng khắp
(ubiquitous), mọi lúc, mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung cấp nào, không
kể người dùng đang dùng thiết bị di động gì. Người dùng trong tương lai có
thể kết nối mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp, dịch vụ chất
lượng cao và mang tính đặc thù cho từng cá nhân.
Mạng 4G được kỳ vọng đáp ứng các đặc điểm sau:
 Cung cấp khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi. Để thỏa mãn được điều
đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn hợp (bao gồm nhiều công nghệ mạng khác
nhau), kết nối, tích hợp nhau trên nền toàn IP. Thiết bị di động của 4G sẽ là đa
công nghệ (multi-technology), đa mốt (multi-mode) để có thể kết nối với
nhiều loại mạng truy nhập khác nhau.
 Cung cấp giải pháp chuyển giao liên tục, không gián đoạn giữa nhiều
công nghệ mạng khác nhau và giữa nhiều thiết bị di động khác nhau. Mạng
4G cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ tầm 100 Mbps và cơ chế nhằm đảm
bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực. Để vượt lên khỏi tình
trạng bảo hòa của thị trường viễn thông, các nhà cung cấp mạng sẽ phải tìm
kiếm khách hàng bằng các dịch vụ tùy biến theo yêu cầu của khách hàng.
Một số công nghệ quan trọng của 4G
OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access :
OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do
đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước
đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng
mang.
OFDMA là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM, một dạng cải
12

tiến của OFDM. Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA
chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác

với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không
gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê
bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng
mang con gọi là kênh con hoá.
Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con
thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con
được sử dụng. Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát
một kênh con riêng.
MIMO - Multiple Input Multiple Output :
MIMO là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn
đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều anten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận
dữ liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu…MIMO tận
dụng sự phản xạ lại của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường
truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường
khác nhau. Nói tóm lại, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều
anten thu để truyền và nhận dữ liệu.
Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ
sóng trên cùng một băng thông, giảm chi phí truyền tải. Công nghệ MIMO
cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu đó.
Trong việc truyền thông bằng sóng vô tuyến, những chướng ngại vật
trên đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như các tòa nhà cao ốc, dây điện
và những cấu trúc khác trong khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ
hoặc khúc xạ. Những yếu tố này làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hoặc mất hẳn.
Trong truyền thông kỹ thuật số, những yếu tố trên có thể làm giảm tốc độ
truyền cũng như chất lượng của dữ liệu.
13

Trong công nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền
sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin. Dữ liệu
truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được

ấn định. Điều này tương tự đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ
bên ngoài, sau đó não bộ sẽ lọc, phân loại những âm thanh đó. Các sản phẩm
Wifi sử dụng công nghệ MIMO được nhiều nhà sản xuất quan tâm vì chúng
có khả năng cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, tầm phủ sóng và độ tin cậy.
1.3. KỸ THUẬT OFDM
1.3.1. Giới thiệu
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), 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. 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 hơn nhiều so
với các kĩ thuật điều chế thông thường.

Hình 1.3. Phổ của sóng mang con OFDM
Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng
kênh và mức độ nhiễu.
14

1.3.2. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành
các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng
mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang
con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa
đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn
toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM.
Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ
để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Truyền dẫn đa sóng mang là cơ sở của OFDM. Giữa kỹ thuật điều chế đa

sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có
sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm
được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng
phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần
trực giao với nhau.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các
sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử
dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng
dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ
liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng
mang đó.