luận văn: đánh giá chất lượng truyền dẫn trong hệ thống di động 4g LTE

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.69 MB, 63 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHÚ THẢO

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN TRONG HỆ
THỐNG DI ĐỘNG 4G LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHÚ THẢO

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN TRONG HỆ
THỐNG DI ĐỘNG 4G LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHÚ THẢO

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪ TRONG HỆ
THỐNG DI ĐỘNG 4G TLE

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Trần Trúc Mai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ PHÚ THẢO

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪ TRONG HỆ
THỐNG DI ĐỘNG 4G TLE

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Trần Trúc Mai

Hà nội – 2014

1

Lời cảm ơn:

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, đến ngày hôm nay tôi gần như
đã hoàn thành chương trình đào tạo Thạc sĩ ngành Công nghệ thông tin tại khoa
Công nghệ thông tin trường Đại Học Công nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô trong
trường đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức về lĩnh vực công nghệ
thông tin, giúp tôi có kiến thức để hoàn thành quá trình học tập, nghiên cứu và
đặc biệt là trong quá trình công tác chuyên môn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Trần Trúc Mai đã định
hướng và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Trong
quá trình thực hiện, có những lúc tôi đã gặp rất nhiều khó khăn vì đây là lĩnh
vực tương đối mới mẽ với cá nhân tôi, nhưng Thầy đã tận tình chỉ bảo cho tôi
nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong suốt quá trình thực hiện.
Sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp
đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận
văn.
Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều, hơn
nữa đây là lĩnh vực tương đối mới mẽ với bản thân nên luận văn còn có nhiều
thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy, Cô và các bạn học
viên cao học.
Hà Nội, tháng 10 năm 2014

HỌC VIÊN

Lê Phú Thảo

2

Lời cam đoan:

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, không sao
chép của bất kỳ ai. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, tháng 10 năm 2014
Tác giả luận văn

Lê Phú Thảo

3

ContentPHỤ LỤC
Lời cảm ơn: 1

Lời cam đoan: 2

PHỤ LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 10

PHẦN 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE [1,3,4] 12

1.1.

Giới thiệu về công nghệ 4GPP LTE [2, tr.2-7] 12

1.1.1.

Một số thuộc tính quan trọng của LTE 12

1.1.2.

Băng thông truyền dẫn 13

1.1.3.

Chương trình đa truy nhâp 13

1.2.

Kênh lớp vật lý. 13

1.3.

Điều chế và mã hoá 14

1.4.

Cấu trúc frame đường xuống 15

1.4.1.

Cấu trúc khe đường xuống 16

1.4.2.

Frame đường lên và cấu trúc khe đường lên 17

1.5.

So sánh LTE với HSPA và WiMAX [4] 18

1.6.

Kết luận 20

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ [1, tr.5-16] 21

2.1.

Lý do sử dụng điều chế số 21

2.2.

Các đặc điểm tín hiệu có thể được sửa đổi. 21

2.3.

Định dạng I/Q 22

2.4.

Điều chế dịch pha: 22

2.4.1.

Điều chế dịch pha nhị phân BPSK 22

2.4.2.

Điều chế dịch pha cầu phương. 23

2.5.

Điều chế khoá dịch biên: 23

2.6.

Điều chế biên độ cầu phương. 24

Chương 3. PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN
SỐ TRỰC GIAO OFDM [7,8] 26

4

3.1. Giới thiệu 26

3.2. Lịch sử của OFDM [7] 27

3.3. Điều chế đa sóng mang [8] 28

3.3.1. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. 30

3.3. Các vấn đề liên quan đến OFDM 31

3.3.1. Khoảng bảo vệ 31

3.3.2. Sóng mang con rỗng 33

3.3.3. Sự phân chia giải băng. 33

3.3.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình 35

3.4. Kiến trúc máy thu phát OFDM 37

Chương 4. CÁC YẾU TỐ ĐƯỜNG TRUYỀN 41

4.1.

Nhiễu trắng 41

4.1.1. Giới thiệu 41

4.1.2. Mô hình toán học cho mô phỏng kênh truyền AWGN 41

4.2.

Rayleigh fading 43

4.2.1.

Giới thiệu 43

4.2.2.

Fading vùng rộng và fading vùng hẹp 44

4.2.3.

Mô hình toán học của kênh rayleigh fading. 48

PHẦN 2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 52

Chương 5. MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI, KÊT
LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 52

5.1.

Mô phỏng sơ đồ điều chế BPSK 52

Để thực hiện các mô phỏng trong luận văn này tác giả đã sử dụng công
cụ mô phỏng là ngôn ngữ lập trình Matlab, bởi nó là một ngôn ngữ linh hoạt
và nó có nhiều hàm và chức năng phù hợp với yêu cầu của bài toán đặt ra. 52

5.2.

Mô phỏng sơ đồ điều chế QPSK 53

5.3.

Mô phỏng sơ đồ điều chế QAM. 54

5.4.

Kết quả mô phỏng chất lượng truyền dẫn đường xuống của hệ
thống di động 4G LTE 55

5.5.

Kết luận 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Long term evolution LTE
Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM
Inter-symbol interference ISI
Time-Division Multiple Access TDMA
Code-Division Multiple Access CDMA
Digital-Advance Mobile Phone System D-AMPS
Global System for Mobile Phone GSM
Frequency Division Multiple Access FDMA
Universal Mobile Telecommunication System UMTS
High Speed Packet Access HSPA

Time Division Synchronous Code Division Multiple Access TD-SCDMA
Third Generation Patnership 3GPP
Multi Input Multi Output MIMO
Wideband Code Division Multiple Access WCDMA
Binary Phase Shift Keying BPSK
Quadrature Phase Shift Keying QPSK
Quadrature Amplitude Modulation QAM
Adaptive Modulation and Coding AMC
High Speed Dowlink Packet Access HSDPA
High Speed Uplink Packet Access HSUPA
Frequency Division Duplex FDD
Time Division Duplex TDD
UMTS Terrestrial Radio Access UTRA
Fast Fourier Transform FFT
Transmit Time Interval TTI
Primary-Synchronization Channel P-SCH
Secondary-Synchronization Channel S-SCH
Physical Broadcast Channel PBCH
Physical Downlink Shared Channel PDSCH
Physical Downlonk Control Channel PDCCH
Reference Signal RS
Cyclic Prefix CP
Resource Block RB
Radio Frequency RF
Digital Video Broadcast-Satellite DVB-S
Amplitude Signal Keying ASK
Digital Video Broadcast-Cable DVB-C
Inter-Carrier Interference ICI
Peak-to-Average Power Ratio PAPR
Output Back-Off OBO

6

Discrete Faurier Transform DFT
Inverse Discrete Fourier Transform IDFT
Additive White Gaussian Noise AWGN

7

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc frame loại 1 [2,tr.5] 15

Hình 1.2. Lưới tài nguyên đường xuống [2,tr.6] 16

Hình 1.3. frame đường lên và định dạng khe cho cấu trúc frame loại 1
[2,tr.7] 18

Hình 1.4. So sánh các chỉ số của các công nghệ HSPA, mWiMAX và
LTE 18

Hình 2.1: Đặc điểm của tín hiệu được thay đổi [1,tr.7] 21

Hình 2.2 : Định dạng I/Q 22

Hình 2.4: Giản đồ véctơ và sơ đồ chòm sao trong điều chế QAM 24

Hình 3.1. Điều chế đa sóng mang không chồng lấn (a), điều chế đa sóng
mang chồng lấn (b) 28

Hình 3.3. (a) Minh hoạ của ISI do chậm trễ đa đường, (b) Khoảng bảo vệ
bằng không để tránh ISI, (c) khoảng bảo vệ với tiền tố lặp để loại bỏ ISI. 32

Hình 3.4. Mặt nạ phổ cho tín hiệu LAN trong băng tần U-NII 34

Hình 3.5 Cửa sổ miền thơi gian của tín hiệu OFDM 35

Hình 3.6 Điểm đầu ra chờ truyền của bộ khuếch đại công suất 36

Hình 3.7. Đáp ứng tần số kênh và hiệu ứng kênh fading trên sóng mang
con OFDM 38

Hình 3.8. Kiến trúc máy thu và máy phát của hệ thống OFDM 40

Hình 4.1. Mô kênh truyền AWGN 41

Hình 4.2. Biểu hiện của kênh Fading [3, tr.91] 45

Hình 4.3. Suy hao và nhiễu đường truyền trong hiện tượng fading [3,
tr.92] 47

Hình 4.4. Mối quan hệ giữa fading vùng rộng và fading vùng hẹp [3,
tr.92] 48

Hình 4.5. Hiện tượng đa đường trong truyền dẫn vô tuyến 49

Hình 5.1. Kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế BPSK 52

Hình 5.2. Kết quả mô phỏng tín hiệu điều chế QPSK 53

8

Hình 5.3. Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế 16QAM 54

Hình 5.4. Sơ đồ quá trình mô phỏng 57

Hình 5.5. Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của 4G LTE với
sơ đồ điều chế QPSK trong môi trường rayleigh fading một tia 58

Hình 5.6. Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của 4G LTE với
sơ đồ điều chế QPSK trong môi trường rayleigh fading một tia 58

Hình 5.7. Kết quả tính BER của mô phỏng đường xuống của mạng di
động 4G LTE với sơ đồ điều chế 16QAM trong môi trường rayleigh fading một
tia 59

Hình 5.8. Kết quả BER của đường xuống của 4G LTE với sơ đồ điều chế
64QAM trong môi trường rayleigh fading một tia 59

Hình 5.9. Kết quả chỉ số BER theo EbN0 của 3 sơ đồ điều chế trong môi
trường AWGN 60

Hình 5.10. Kết quả chỉ số BER theo EbN0 của 3 sơ đồ điều chế trong môi
trường Rayleigh fading một tia. 60

9

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Cơ chế điều chế cho đường lên và đường xuống [2,tr.3-4] 14

Bảng 1.2. Chỉ số tương ứng với hai loại cấu trúc frame 17

Bảng 5.1. Công thức tính BER theo lý thuyết của các môi trường AWGN
và Rayleigh fading một tia 56

10

MỞ ĐẦU

Ngày nay lĩnh vực thông tin di dộng đang đứng trước những yêu cầu ngày
càng cao về chất lượng dịch vụ và tốc độ truy nhâp. Thế giới đã chứng kiến
những bước phát triển của công nghệ này thông qua việc phát triển các thế hệ
mạng di động trên toàn cầu.
Đánh dấu sự phát triển, đầu tiên cần phải nói đến sự ra đời công nghệ 2G,
đặc trưng cơ bản của hệ thống này là dựa trên công nghệ chuyển mạch kỹ thuật
số với phương pháp truy nhập TDMA và CDMA, làm cho dung lượng của hệ
thống tăng so với thế hệ trước nó, và hệ thống này còn có khả năng hỗ trợ các
dịch vụ số liệu. Điển hình của thế hệ này là các mạng như D-AMPS (IS-136) ở
Mỹ sử dụng công nghệ TDMA, hoặc như mạng CdmaOne (IS-95) ở Mỹ và Hàn
Quốc sử dụng phương thức truy nhập CDMA, hoặc như mạng GSM đã được
triển khai rộng rãi tại châu Âu và nó sử dụng cả hai phương pháp truy nhập
TDMA và cả FDMA
Tiếp sau thế hệ thứ hai là thế hệ thứ 3 đã và đang được triển khai rộng rãi

trên toàn thế giới, cho phép truyền dữ liệu cả thoại và ngoài thoại như tải dữ
liệu, gửi emai, hình ảnh…, ở thế hệ mạng này cung cấp cả hai thệ thống là
chuyển mạch giói và chuyển mạch kênh, 3G được đặc trưng bởi khả năng truyền
thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ đa phương tiện, có nhiều công
nghệ di động 3G và tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm UMTS sử dụng kỹ
thuật truy nhập gói tốc độ cao HSPA, CDMA200 và TD-SCDMA
Với yêu cầu ngày càng tăng về số lượng và chất lượng dịch vụ của hệ
thống mạng di động, thì giải pháp là phải nghiên cứu và phát triển các hệ thống
mạng có khả năng đáp dứng yêu cầu này của người sử dụng, Để đảm bảo khả
năng cạnh tranh của hệ thống 3G trong tương lai, một tiến hoá dài hạn (LTE)
3GPP đã được chấp nhận bởi Release 8 của chuẩn 3GPP. Các đặc điểm của
LTE cung cấp một khuôn khổ cho việc tăng khả năng, nâng cao hiệu quả quang
phổ, cải thiện vùng phủ sóng và giảm độ trễ so với việc triển khai HSPA hiện
nay. Ngoài ra, truyền tải với nhiều ăng ten đầu vào và nhiều ăng ten đầu ra

11

(MIMO) sẽ được hỗ trợ cho thông lượng lớn, cũng như nâng cao năng lực hoặc
phạm vi hoạt động của hệ thống.
Hiện nay chuẩn 4G LTE là hệ thống đang được các nhà khoa học nghiên
cứu và sắp được các nhà cung cấp triển khai, tuy nhiên để triển khai được hệ
thống LTE trên thực tế, thì nó phải trải qua nhiều mức độ đánh giá thử nghiệm
với chi phí hết sức tốn kém. Vì thế mà việc xây dựng mô phỏng hệ thống này là
hết sức cần thiết bởi nó làm giảm thiểu chi phí, hơn nữa để phục vụ cho việc học
tập và nghiên cứu thì việc xây dựng các bộ mô phỏng để chứng minh các kết
quả nghiên cứu lý thuyết là hết sức cần thiết. Vì vậy đề tài “Đánh giá chất lượng
truyền dẫn trong hệ thống di động 4G LTE” là đề tài có ý nghĩa thực tiễn và có
giá trị về khoa học.

12

PHẦN 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE [1,3,4]

1.1. Giới thiệu về công nghệ 4GPP LTE [2, tr.2-7]
Hệ thống không dây thế hệ thứ 3 (3G) dựa trên W-CDMA, Hiện đã được
triển khai rộng rãi trên phạm vi toàn cầu. W-CDMA duy trì được lợi thế cạnh
tranh bằng cách cung cấp truy cập gói tốc độ cao (HSPA) trong cả hai chế độ
đường xuống và đường lên. Để đảm bảo khả năng cạnh tranh của hệ thống 3G
trong tương lai, một tiến hoá dài hạn (long term evolution - LTE) 3GPP đã được
chấp nhận bởi Release 8 của chuẩn 3GPP. Các đặc điểm của LTE cung cấp một

khuôn khổ cho việc tăng khả năng, nâng cao hiệu quả quang phổ, cải thiện vùng
phủ sóng và giảm độ trễ so với việc triển khai HSPA hiện nay. Ngoài ra, truyền
tải với nhiều ăng ten đầu vào và nhiều ăng ten đầu ra (multi input multi output -
MIMO) sẽ được hỗ trợ cho thông lượng lớn, cũng như nâng cao năng lực hoặc
phạm vi hoạt động.
1.1.1. Một số thuộc tính quan trọng của LTE
 Dung lượng đường xuống: Tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 172.8Mbps
với băng thông 20MHz và 2x2 SU-MIMO
 Dung lượng đường lên: Tốc độ dữ liệu đỉnh lên tới 86.4Mbps với
băng thông 20MHz và sơ đồ điều chế 64QAM
 Tính linh hoạt của phổ: Khả năng mở rộng băng thông lên tới 20MHz,
bao gồm 1.4, 1.6, 3, 3.2, 5, 10,15 và 20 MHz trong cả hai đường lên và
đường xuống.
 Hiệu quả quang phổ: Tăng hiệu quả quang phổ so với Release 6 HSPA
từ 2 đến 4 lần;
 Độ trễ: 5 micro giây độ trễ cho gói tin IP nhỏ
 Di động: Tối ưu hoá cho di động tốc độ thấp từ 0 đến 15km/h, di động
tốc độ cao lên đến 120km/h được hỗ trợ với hiệu suất cao.
 Chỉ hỗ trợ cho chuyển mạch gói.

13

1.1.2. Băng thông truyền dẫn
Để giải quyết vấn đề của môi trường không dây quốc tế, quy định khu vực
phổ, LTE bao gôm việc thay đổi băng thông kênh có thể lựa chọn trong khoảng
từ 1.4MHz đến 20MHz, với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz,
trong trường hợp dịch vụ phát sóng đa phương tiện tiến hoá (evolved
multimedia broadcast multicast service - eMBMS), khoảng cách của sóng mang
con cũng có thể là 7.5 kHz, khoảng cách của sóng mang con là cố định đối với

bất kỳ một băng thông nào, để cho phép hoạt động trong phân bố kích thước phổ
tần, băng thông truyền thay đổi bằng cách thay đổi số lượng sóng mang con của
phương pháp điều chế OFDM.
1.1.3. Chương trình đa truy nhâp
Chương trình đa truy nhập cho tầng vật lý của LTE là dựa trên phương
pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (orthogonal frequency division
multiplexing - OFDM) cho đường xuống (down link – DL), và đơn sóng mang
phân chia tần số đa truy nhập (SC-FDMA) đường lên (up link – UL), OFDM
trong DL là rất thích hợp để đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh cao, và SC-FDMA
trong UL là phù hợp hơn so với OFDM do tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình (peak to average power ratio – PAPR) của tín hiệu phát thấp hơn, nên
hiệu quả sử dụng công suất sẽ tốt hơn, vì thế có thể tiết kiệm pin cho các thiết bị
di động.
1.2. Kênh lớp vật lý.
LTE DL và UL bao gồm kênh vật lý và tín hiệu vật lý, kênh vật lý mang
thông tin từ các lớp cao hơn và được sử dụng để thực hiện các dữ liệu người
dùng, cũng như điều khiển thông tin người sử dụng, tín hiệu vật lý không mang
thông tin từ các lớp cao, và thường được sử dụng cho việc tìm kiếm và ước
lượng kênh của các tế bào.
Các kênh vật lý DL chính là kênh phát quảng bá vật lý (physical broadcast
channel - PBCH), kênh điều khiển đường xuống (physical downlink control
channel - PDCCH), và kênh chia sẽ đường xuống (physical downlink shared

14

channel - PDSCH), các tín hiệu vật lý DL chính là các tín hiệu tham chiếu
(reference signal - RS), và các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp (primery
synchronization signals P-SCH) và (secondary synchronization signals S-SCH)
Các kênh vật lý UL chính là kênh điều khiển đường lên vật lý (physical

uplink control channel - PUCCH) và đường lên vật lý chia sẽ kênh (physical
uplink shared channel - PUSCH), các tín hiệu vật lý UL chính là giải điều chế
tín hiệu tham chiếu và truy nhập kênh vật lý ngẫu nhiên (physical random
access channel - PRACH).
1.3. Điều chế và mã hoá
Cũng giống như truy nhập giói tin xuống tốc độ cao (hight speed
downlink packet access - HSDPA), LTE cũng sử dụng điều chế thích ứng và
mã hoá (adaptive modulation and coding - AMC) để cải thiện thông lượng dữ
liệu, kỹ thuật này thay đổi sơ đồ điều chế mã hoá đường xuống dựa trên điều
kiện kênh cho mỗi người sử dụng, khi chất lượng liên kết tốt, hệ thống LTE có
thể sử dụng một chương trình điều chế bậc cao hơn (nhiều bít hơn trên một ký
hiệu), kỹ thuật sẽ dẫn đến kết quả tốt hơn về hiệu suất của hệ thống, mặt khác,
khi điều kiện liên kết là kém hơn do các hiện tượng như fading, hệ thống LTE
có thể thay đổi sang một sơ đồ điều chế thấp hơn, để truy nhập một kết nối vô
tuyến ở ranh giới có thể chấp nhận được về hiệu xuất của kênh. Các sơ đồ điều
chế cho phép cho cả DL và UL được trình bầy ở bảng sau:
Bảng 1.1. Cơ chế điều chế cho đường lên và đường xuống [2,tr.3-4]
Đường xuống

Kênh đường xuống
Sơ đồ điều chế
PCH
QPSK
PDCCH
QPSK
PDSCH
QPSK, 16QAM, 64QAM

Tín hiệu vật lý

Sơ đồ điều chế
RS Orthogonal sequence modulated by binary pseudo
random sequence
P-SCH
Cycle of three Zadoff-Chu sequences
S-SCH
Two 31-bit BPSK M sequence
Đường lên

15

Kênh vật lý
Sơ đồ điều chế
PUCCH
Based on Zadoff-Chu
PUSCH
QPSK

Tín hiệu vật lý
Sơ đồ điều chế
PRACH
Zadoff-Chu
PRACH
U
th

root Zadoff-Chu

S-SCH
Two 31-bit BPSK M sequence

Hình 1.1. Cấu trúc frame loại 1 [2,tr.5]

1.4. Cấu trúc frame đường xuống
Hai cấu trúc frame vô tuyến được định nghĩa trong LTE, cấu trúc frame
loại 1, sử dụng cả hai kỹ thuật là kỹ thuật song công phân chia theo tần số
(frequency division duplex – FDD) và kỹ thuật song công phân chia theo thời
gian (time division duplex – TDD) trong cả hai chiều, cấu trúc frame loại 2 sử
dụng TDD trong cả hai chiều. Cấu trúc frame loại 1 được tối ưu hoá để cùng tồn
tại với hệ thống 3.84 Mcps UTRA, Cấu trúc khung loại 2 được tối ưu hoá để
cùng tồn tại với hệ thống 1.28 Mcps UTRA TDD, còn được gọi là TD-SCDMA.
Hình 1.1 thể hiện cấu trúc frame loại 1. Một frame vô tuyến DL có chu
kỳ 10 ms và bao gồm 20 khe (slot) với chu kỳ của một khe là 0.5 ms, hai khe

16

bao gồm một sub-frame, một sub-frame cũng được biết đến như khoảng thời
gian truyền (transmit time interval -TTI), có một chu kỳ 1 ms so với 2 ms TTI
của hệ thống HSPA, TTI ngắn hơn làm giảm độ trễ trong hệ thống và sẽ bổ sung
thêm dịch vụ cho bộ sử lý thiết bị đầu cuối di động.
Trong hình 1.1 sự ánh xạ vật lý của tín hiệu vật lý DL là:
- Điểm quy chiếu tín hiệu đã được truyền đi ở biểu tượng OFDM 0 và 4
của mỗi khe. Điều này phụ thuộc vào cấu trúc frame và số lượng ăng-
ten.
- P-SCH được truyền tải trên ký hiệu 6 của khe 0 và 10 của mỗi frame vô
tuyến, nó chiếm 72 sóng mang con, xung quanh trung tâm sóng mang

phụ DC.
- S-SCH được truyền tải trên ký hiệu 5 của khe 0 và 10 của mỗi frame vô
tuyến, nó chiếm 72 sóng mang con tập trung xung quanh sóng mang con
DC.
- Kênh vật lý PBCH được truyền trên 72 sóng mang con tập trung xung
quanh sóng mang con DC
1.4.1. Cấu trúc khe đường xuống
Đơn vị thời gian nhỏ nhất cho đường truyền xuống được gọi là tài nguyên
nguyên tố, là một biểu tượng trên một sóng mang con, một nhóm 12 sóng mang
con kề nhau trong tần số và một slot trong một lần, tạo thành một khối tài
Hình 1.2. Lưới tài nguyên đường xuống [2,tr.6]

17

nguyên (RB-resource block) thể hiện ở hình 1.2. Dữ liệu được phân bổ cho từng
thiết bị người dùng (UE) trong đơn vị của RB.
Một cấu trúc frame loại 1 sử dụng tiến tố lặp (cyclic prefic) thông thường,
một RB kéo dài 12 sóng mang con liên tiếp tại một không gian sóng mang con
15kHz, và 7 ký hiệu liên tiếp qua một chu kỳ khe của 0.5 ms như trong bảng
dưới đây, một CP được gắn vào ký hiệu như là khoảng bảo vệ, do đó, một RB có
84 tài nguyên nguyên tố (12 sóng mang con x 7 ký hiệu) tương ứng với một khe
trong miền thời gian và 180 kHz (12 sóng mang con x 15 kHz khoảng cách)
trong miền thời gian, kích thước của một RB là như nhau cho tất

Bảng 1.2. Chỉ số tương ứng với hai loại cấu trúc frame

Cấu hình









Cấu trúc frame loại 1 Cấu trúc frame loại 2
Tiền tố lặp bình thường

f=15kHz
12 7 9
Tiền tố lặp mở rộng


f=15kHz
6 8

f=7.5kHz
24 3 4

cả băng thông, do đó, số lượng của các RB vật lý phụ thuộc vào băng thông
truyền. Trong miền tần số, số lượng của các RB có thể dao động từ 6 (khi băng
thông truyền là 1.4 MHz) đến 100 (khi băng thông truyền là 20MHz).
1.4.2. Frame đường lên và cấu trúc khe đường lên
Cấu trúc frame loại 1 là tương tự như frame DL về khe, và chiều dài
khung, một cấu trúc khe phụ thuộc vào chiều dài CP, đối với một CP thông
thường, có bảy ký hiệu SC-FDMA trên một khe, để mở rộng CP có sáu ký hiệu
SC-FDMA trên một khe.

Giải điều chế tín hiệu tham chiếu UL, được sử dụng để ước tính kênh cho
giải điều chế phù hợp, được truyền đi trong bốn ký hiệu (tức là ký hiệu số 3) của
khe.

18

Hình 1.3. frame đường lên và định dạng khe cho cấu trúc frame loại 1
[2,tr.7]

1.5. So sánh LTE với HSPA và WiMAX [4]
Đối với việc phát triển một hệ thống di động thể hệ mới điều quan trọng
hơn cả đó chính là khả năng tái sử dụng được các cơ sở hạ tầng có sẳn cũng như
tái sử dụng các nguồn tài nguyên. Đối với LTE khả năng tái sử dụng cơ sở hạ
tầng và tài nguyên là rất hiệu quả như việc tăng hiệu suất mạng mà không cần
sửa đổi hệ thống ăng-ten, hiệu suất của giao thức. LTE có tốc độ cao nhờ khả
năng tương thích với cả phương thức TDD và FDD trong khi mWiMAX (moble
WiMAX) chỉ tương thích với TDD.

HSPA
mWiMAX
LTE
Lưu lượng

Vùng phủ sóng

Độ phức tạp

Giá thành

Hình 1.4. So sánh các chỉ số của các công nghệ HSPA, mWiMAX và LTE

19

Từ bảng trên chúng ta có thể thấy rằng LTE so với các công nghệ khác có
một số đặc điểm nổi trội như: lưu lượng LTE đạt lưu lượng lớn hơn nhiều so
với các công nghệ khác như đối với HSPA lưu lượng của LTE tăng gấp hai lần,
nó cũng tăng gấp ¼ lần so với mWiMAX. Về vùng phủ sóng, công nghệ LTE
đạt hiệu quả về vùng phủ sóng cao, so với HSPA vùng phủ sóng của LTE tăng
gấp hai lần còn đối với mWiMAX thì LTE tăng gấp ¾ lần. Tuy nhiên bên cạnh
những ưu điểm trên thì LTE cũng có một số nhược điểm so với các HSPA và
mWiMAX như: Độ phức tạp và giá thành, LTE có độ phức tạp cao hơn so với
các kỹ thuật còn lại cụ thể nó phức tạp hơn hai lần HSPA và ¼ lần so với
mWiMAX, giá thành của LTE cũng cao hơn ½ so với HSPA và cao gấp 3 lần so
với mWiMAX.
Hơn nữa, giữa các công nghệ có nhiều các khác biệt về mặt kỹ thật dẫn
đến sự khác nhau về hiệu quả sử dụng. Đối với LTE tốc độ dữ liệu đỉnh tăng
đáng kể vì thứ nhất, sử dụng 20+20MHz cho cả hai kênh FDD trong khi HSPA
chỉ sử dụng 5+5MHz cho cả hai kênh FDD còn mWiMAX thì sử dụng 20MHZ

cho kênh TDD, vì thế tốc độ lý thuyết của LTE đạt 100 Mbps DL và 50 Mbps
UL, còn về mặt thực tế đạt 75 Mbps DL và 37.5 Mbps UL cao hơn rất nhiều so
với HSPA và mWiMAX. Tốc độ dữ liệu tăng còn phụ thuộc vào việc LTE sử
dụng các phương pháp điều chế bao gồm 64QAM/16QAM- 3/4 trong khi đó
HSPA chỉ sử dụng 16QAM/QPSK - 3/4
Sự khác biệt còn thể hiện cả trong phạm vi phủ sóng của mạng LTE,
HSPA và mWiMAX, trong khi HSPA tầm phủ sóng chỉ đạt 4 km cho DL và 30
Km
2
cho UL, với mWiMAX vùng phủ sóng còn hạn chế hơn so với HSPA chỉ
đạt ~3.3km cho DL và ~20km
2
cho UL, riêng với LTE độ rộng của vùng phủ
sóng rất lớn, trên 30-100km.
Nếu so sánh về thời gian truyền của tín hiệu, LTE có thời gian truyền tín
hiệu là thấp nhất vì thế độ trễ trong việc truyền dẫn trên kênh là thấp hơn so với
HSPA, vì thế có thể dẫn đến có thể giảm thiểu được các hiện tượng như hiện
tượng đa đường.

20

1.6. Kết luận
Việc phát triển các mạng viễn thông không dây lên 4G LTE là một tất yếu
khi nhu cầu sử dụng đa phương tiện tốc độ cao trên các thiết bị di động đầu cuối
ngày càng tăng cao, hơn nữa LTE là nột công nghệ có ưu thế hơn rất nhiều so
với các công nghệ cũ như HSPA hoặc mWiMAX, mặc dù việc sản xuất các thiết
bị di động đâu cuối yêu cầu độ phức tạp lớn nhưng nó không phải là vấn đề, mà
cái chính là nó có thể truyền tải dữ liệu ở tốc độ cao và chất lượng cũng như số
lượng dịch vụ tăng lên.

21

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ [1, tr.5-16]

2.1. Lý do sử dụng điều chế số

Việc chuyển sang điều chế số cung cấp nhiều năng lượng thông tin, khả
năng tương thích với các dịch vụ dữ liệu số, bảo mật dữ liệu cao hơn, chất lượng
truyền thông tốt hơn, và tính sẳn sàng hệ thống nhanh hơn. Việc phát triển các
hệ thống truyền thông đối mặt với những khó khăn sau:
- Băng thông có sẳn;
- Công suất cho phép;
- Mức độ nhiễu của hệ thống;
Phổ của tần số vô tuyến (RF) phải được chia sẽ, nhưng mỗi ngày có rất
nhiều người sử dụng cho phổ tần đó vì thế việc tăng dịch vụ truyền thông là điều
hết sức cần thiết. Mô hình điều chế số có công suất lớn hơn để truyền tải một
lượng lớn thông tin so sơ đồ hình điều chế tương tự.
2.2. Các đặc điểm tín hiệu có thể được sửa đổi.
Có ba đặc điểm cơ bản của tín hiệu sóng mang có thể được thay đổi đó là
biên độ, tần số và pha (hình 2.1), dựa vào ba đặc điểm trên người ta đưa ra ba
phương pháp điều chế số tương ứng, đó là điều chế dịch biên, điều chế dich tần
và điều chế dịch pa.

Hình 2.1: Đặc điểm của tín hiệu được thay đổi [1,tr.7]
Amplitude
(biên độ)

Frequency
(Tần số)

Phase
(Pha)

Phase and
Amplitude

(Pha và biê độ)

22

2.3. Định dạng I/Q
Trong truyền thông số, điều chế thường thể hiện trong một mối quan hệ
của I và Q. Đây là một hình chữ nhật đại diện của biểu đồ cực, trên một biểu đồ
cực, trục I năm trên tham chiếu có pha bằng không, và trục Q là được xoay 90
0

so với trục I, vectơ tín hiệu chiếu vào trục I là thành phần I và chiếu lên trục Q là
thành phân Q của nó.

Hình 2.2 : Định dạng I/Q
Điều chế số sẽ trở nên dễ dàng thực hiện với bộ điều chế I và Q, hầu hết
các ánh xạ điều chế dữ liệu số vào một số điểm rời rạc trên mặt phẳng I/Q,
chúng được gọi là các điểm chòm sao, khi tín hiệu di chuyển từ điểm này đến
điểm khác, đồng thời biên độ và pha điều chế thường là kết quả, để thực hiện
được điều này với một bộ điều biên và một bộ điều pha là rất khó khăn và phức
tạp, nó cũng là không thể với một bộ điều pha thông thường, các tín hiệu có thể,
về nguyên tắc, được khoanh tròn một gốc theo một hướng, đòi hỏi phải có vô
hạn khả năng chuyển đổi pha, ngoài ra, điều chế đồng thời cả AM và PM là dễ
dàng với bộ điều chế I/Q.
2.4. Điều chế dịch pha:
2.4.1. Điều chế dịch pha nhị phân BPSK
Một trong những hình thức điều chế đơn giản nhất của điều chế số là nhị
phân hoặc điều chế dịch pha nhị phân (BPSK). Pha của đơn sóng mang có biên
độ cố định gao động giứa 0
0
và 180
o
. Trên một biểu đồ I và Q, trạng thái I có
I
Q

Gía trị
Q
Giá trị I
Chiếu tín hiệu
trên I và Q

23

hai giá trị khác nhau, có hai vị trí có thể có trong biểu đồ trạng thái, vì vậy mỗi
một ký hiệu sẽ được đặc trưng bởi bit 0 hoặc 1, tốc độ ký hiệu bằng tốc độ bit.
Trong sơ đồ điều chế BPSK, dữ liệu số đầu vào 0 hoặc 1 được chuyển đổi
vaò pha có giá trị tương ứng là 0 hoặc , vì vậy dạng sóng của nó sẽ có dạng

(

)
=
{
2

+

}

Trong đó 

là chuổi bit thông tin

Hình 2.3. Mô hình chòm sao của BPSK và QPSK
2.4.2. Điều chế dịch pha cầu phương.
Một ứng dụng khác rất phổ biến của phương pháp điều chế dịch pha đó là
phương pháp điêu chế dịch pha cầu phương (quadrature phase shift keying -
QPSK), nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như là: CDMA, DVB-S,
Cầu phương có nghĩa là tín hiệu dịch chuyển giữa các trạng thái pha lệch nhau

90
o
, tín hiệu chuyển lệch nhau 90
o
từ 45 đến 135, -45, hoặc -135, Các điểm này
được lựa chọn vì có thể dể dàng thực hiện bằng cách sử dụng một bộ điều chế
I/Q. Chỉ có hai giá trị của I và hai giá trị của Q là cần thiết và một ký hiệu lúc
này sẽ mang hai bít, có bốn trạng thái vì 2
2
=4. Do đó, nó mang lại hiệu quả
băng thông gấp đôi so với phương pháp điều chế BPSK.
2.5. Điều chế khoá dịch biên:
Sử dụng một sóng mang có tần số và pha không đổi, tuy nhiên tuỳ thuộc
vào dữ liệu tín hiệu số đầu vào, sẽ biến đổi biên độ của sóng mang theo các giá