Nghiên cứu và so sánh hai kỹ thuật OFDMA và SC FDMA dùng trong công nghệ di động LTE 4g

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
LỜI CAM ĐOAN
---------Tôi xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu và so sánh hai
kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA dùng trong công nghệ di động LTE-4G “ do tôi
thực hiện, không phải là bản sao của bất kỳ đồ án hoặc công trình đã có từ trước.
Đồ án này là do tôi tự tìm hiểu, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng
dẫn.
.
Đà Nẵng, ngày 02 tháng 06 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Trung


MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT………………………………………………………………...4

CÁC TỪ VIẾT TẮT
3G - Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba
3 GPP Third Generation Patnership Project Dự án hợp tác thế hệ 3
4G – 4th Generation Thế hệ thứ 4
A
AS - Access Slot Khe truy nhập
B
BER - Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi
BCH - Broadcast Channel Kênh quảng bá
BMC - Broadcast/Multicast Control Điều khiển quảng bá / đa phương
BS - Base Station Trạm gốc
BSC - Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc
BTS - Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C
CDMA - Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã
CN - Core Network Mạng lõi
D
DC - Delicated Control Điều khiển riêng
DCH - Delicated Channel Kênh riêng


DL - Down Link Hướng xuống
E
ETSI - European Telecommunications Học viện viễn thông Standard Institute Châu
Âu
F
FER - Frame Error Rate Tỷ số khung lỗi
FDD - Fequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số
FDMA - Frequency Division Đa truy cập phân chia theo Multiple Access tần số
G
GPRS - General Packet Radio Service Dịch vụ chuyển mạch gói vô tuyến
GoS - Grade of Service Cấp độ phục vụ
GSM - Global System of Mobile Hệ thống thông tin di động Communication toàn
cầu
H
HC - Handover Control Điều khiển chuyển giao
HDLA - History Data Logic Analyzer Bộ phân tích dữ liệu gốc
HLR - Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú
I
IMT-2000 - International Mobile Telecommunication Tiêu chuẩn viễn thông di
động toàn cầu 2000
ISDN - Integated Service Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ
ITU - International Telecomunication Union Liên minh viễn thông quốc tế

L
LC - Load Control Điều khiển tải
M
MAC - Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
ME - Mobile Equipment Thiết bị nhận dạng thuê bao
MM - Mobility Management Quản lý di động
MSC - Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di dộng


N
Nt Notification Thông báo
O
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiple Đa phân chia theo tần số trực
giao
OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia
tần số trực giao
OSS Operation Support System Hệ thống hỗ trợ hoạt động
P
PC - Power Control Điều khiển công suất
Q
QI - Quality Indicator Chỉ số chất lượng
QoS - Quality of Service Chất lượng dịch vụ


LỜI MỞ ĐẦU
Theo chu kỳ phát triển của mạng di dộng thì mạng di động thế hệ thứ 4 đã ra
đời. Với mục tiêu làm sao để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng
không dây, từ khoảng năm 2009 các nhà mạng lớn trên thế giới đã triển khai xây
dựng hệ thống thử nghiệm rồi tiến hành thương mại hóa và đó là 4G (4th Generation
– Thế hệ di động thứ 4).

Xuất phát từ sự tò mò, mong muốn tìm hiểu về thế hệ di động thứ 4 mới mẻ
này em đã quyết định chọn LTE-4G để tìm hiểu với tên đề tài là “ Nghiên cứu và so
sánh hai kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA trong công nghệ di động LTE-4G“ .
Mục đích hướng đến ở đề tài này là tìm hiểu, phân tích về 2 kỹ thuật nổi bật
được sử dụng trong LTE-4G qua đó đánh giá về khả năng phát triển của LTE-4G
cũng như 4G trong tương lai.
Nội dung đồ án gồm 4 chương :
Chương 1: Lịch sử phát triển mạng di động và tổng quan về LTE-4G.
Trong chương này sẽ giới thiệu các công nghệ di động trong lịch sử từ
GSM 2G đến CDMA 3G và cuối cùng là LTE-4G hiện nay đang được ứng dụng
rộng rãi trong thực tế.
Chương 2 : Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE4G
Ở chương 2 sẽ tìm hiểu kỹ về 2 kỹ thuật trong công nghệ LTE-4G đó là
OFDMA và SC-FDMA.
Chương 3: So sánh kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA, đánh giá PAPR
trong truyền dẫn OFDMA và SC-FDMA
Trong chương này sẽ đánh giá ưu nhược điểm của từng kỹ thuật và đưa ra sự
lựa chọn hợp lý cho đường lên và đường xuống. Nguyên nhân cần giảm PAPR
trong thực tế.
Chương 4 : Mô phỏng PAPR trong hệ thống LTE-4G
Ở chương này sẽ thực hiện mô phỏng PAPR và ý nghĩa của nó, từ đó khẳng
định lại việc chọn lựa 2 kỹ thuật dùng trong tuyến xuống và tuyến lên là phù hợp.


Trong thời gian làm đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song thời gian làm đồ
án có hạn, vấn đề mới nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự
góp ý của quý thầy cô. Qua đây, em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn
Cường đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này.

Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ LTE-4G
1.1 Giới thiệu chương

Trong quá trình phát triển của xã hội loài người, thông tin liên lạc luôn là
nhu cầu cần thiết và đóng một vai trò quan trọng trong đời sống xã hội. Để đáp ứng
nhu cầu này, khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin đã đưa ra nhiều hình thức
liên lạc ngày càng tiện nghi hơn, chất lượng tốt hơn. Các công nghệ di động lần lượt
ra đời với mục đích nâng cao hơn nữa chất lượng và giá thành dịch vụ như tốc độ,
khả năng kết nối, liên kết, khả năng bảo mật, dung lượng truyền… Do vậy lần lượt
xuất hiện các kỹ thuật như 1G 2G 3G 4G.. Các kỹ thuật này khác nhau cũng chỉ là
khác ở chỗ công nghệ mà kỹ thuật đó sử dụng.
Ở nước ta, thông tin di động xuất hiện vào năm 1992 với khoảng trên dưới
5000 thuê bao. Cùng với sự ra đời của Mobifone năm 1993 liên doanh giữa bưu
chính viễn thông VNPT và tập đoàn COMVIK (Thuỵ Điển ). Tiếp theo là sự ra đời
của Vinafone của trung tâm dịch vụ viễn thông (GPC) thuộc VNPT ra đời năm
1996. Năm 2002, công ty viễn thông của Hàn Quốc cũng đầu tư Sfone vào nước ta.
Tháng 6/2004 công ty viễn thông quân đội Viettel ra đời. Sự cạnh tranh của các nhà
mạng đã góp phần ngày càng nâng cao chất lượng dịch vụ và giá thành sản phẩm ở
nước ta.
Trong chương này sẽ giới thiệu lịch sử của các mạng thông tin di động từ
1G đến 4G và tổng quan về hệ thống LTE 4G.


Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động

Hình 1.1 Các hệ thống thông tin di động
1.2.1

Thế hệ 1G (First Generation)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tân

số FDM để truyền thông tin qua sóng vô tuyến. Nhược điểm của các hệ thống này là
chất lượng thấp, bảo mật thấp vùng phủ sóng hẹp, dịch vụ đơn thuần là thoại và dung lượng
nhỏ. Các hệ thống điển hình của kỹ thuật này như:
- NMT (Nordic Mobile Telephone): sử dụng băng tần 450Mhz triển khai tại các nước
Bắc Âu vào năm 1981.
- TACS (Total Access Communication System): của Anh vào năm 1985.
- AMPS (Advance Mobile Phone System): sử dụng băng tần 800MHz tại Bắc Mỹ năm
1978
1.2.2

Thế hệ 2G (Second Generation)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng chuyển mạch số, dùng kỹ

thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDM. Các hệ thống này có nhiều ưu điểm
hơn so với hệ thống 1G như sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, chất lượng
thoại tốt, hỗ trợ các dịch vụ số liệu, đảm bảo an toàn thông tin, cho phép chuyển
mạng quốc tế. Công nghệ 2G được sử dụng ở hầu hết trên thế giới hiện nay. Trong


Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

thời gian sắp tới, công nghệ 2G vân tiếp tục được sử dụng trước khi bị 3G thay thế
hoàn toàn. Các hệ thống điển hình của kỹ thuật 2G như:
- GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cập

TDMA tại châu Âu.
- D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng phương
thức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ.
- IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển khai
tại Mỹ và Hàn Quốc.
- PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng phương thức truy cập TDMA
được triển khai tại Nhật Bản.
1.2.3

Thế hệ 3G (Third Generation)
Công nghệ chuẩn di động thế hệ thứ 3 này mang lại rất nhiều lợi ích so với

các thế hệ trước, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại như email, dữ liệu,
hình ảnh…với tốc độ cao cho cả thuê bao cố định và di động ở tốc độ khác nhau,
tăng hiệu quả sự dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Hệ thống 3G cung cấp cả
chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Một số kỹ thuật dùng trong công nghệ 3G
(tất cả đều dựa trên CDMA) bao gồm: UMTS, CDMA2000 và TD-SCDMA.
- UMTS: Sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA. Kỹ thuật này được đa số
các nhà cung cấp dịch vụ mạng chọn lựa để đi lên 3G. Tốc độ truyền tải tối đa là
1920Kbps nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ gần 384Kbps. Do vậy, nhằm cải tiến
tốc độ của 3G, 2 kỹ thuật ra đời đó là HSUPA và HSDPA gọi chung là HSPA hay
còn gọi là công nghệ 3,5G.
+ HSDPA: Tăng tốc độ downlink lên 14,4Mbps theo lý thuyết nhưng
thực tế chỉ đạt 1,8Mbps.
+ HSUPA: Tăng tốc độ uplink lên đến 5,8Mbps theo lý thuyết và tăng
QoS.
- CDMA2000: Bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission
Technology), CDMA2000 (Evolution -Data Optimized) và CDMA2000 EVDV(Evolution -Data and Voice).

Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

+ CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận là một công nghệ 3G.
Tốc độ có thể đạt đến 307Kbps
+ CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt
và có thể cho tốc độ dữ liệu đến 2,4Mbps cho downlink và 153Kbps cho uplink.
- TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China Communications
Standards TD-SCDMA dùng song công TDD. TD-SCDMA có thể hoạt động trên
một dãi tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps).
1.2.4

Thế hệ 4G
Khi nhìn vào tương lai, nhất là với nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụng

dịch vụ thông tin di dộng thì 3G sẽ dần không đủ sức đáp ứng các yêu cầu sử dụng
như:
- Nội dung đa phương tiện: Trước đây, nội dung web chỉ là văn bản nhưng
giờ đây, nội dung đồ hoạ ngày càng trở nên phổ biến. Một hình ảnh hay một video
có thể mang lại trải nghiệm gấp nhiều lần so với việc đọc văn bản nhưng đồng thời
nó cũng tăng dung lượng dữ liệu cần truyền trên mỗi trang web. Nhu cầu tải xuống
hình ảnh, phim phổ biến hơn bao giờ hết đã đặt ra một yêu cầu lớn hơn nữa trong
việc tăng băng thông hệ thống.
- Các mạng xã hội: Trước đây các blog chỉ dùng chia sẻ ý tưởng nên dưới
dạng vản bản là chủ yếu. Ngày nay, các trang mạng xã hội đã dần định hình lại việc
sử dụng internet, con người không chỉ tiêu thụ nội dung mà còn chia sẻ ý tưởng,
hình ảnh, phim ảnh của họ với người khác.
- Dịch vụ voice IP: Thế giới thoại trên đường dây cố dịnh ngày càng mất dần
thị hiếu người dùng do tính cố định, ngày nay các phương thức thoại trên nền tảng
IP có thể thực hiện được qua các mạng DSL hay TV cáp.
- Sự cạnh tranh thay thế đường dây cố định: Các nhà cung cấp dịch vụ thoại

cố định có doanh thu ngày càng giảm do cước thuê bao ngày cảng giảm trong khi số
lượng thông thoại ngày một cao. Do đó các nhà cung cấp đưa ra các dịch vụ để dữ
chân người dùng như TV cáp, truy cập internet cho PC thông qua dây thoại. Vậy
nên muốn cạnh tranh, họ phải tăng băng thông trên mạng của mình.


Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

- Với các nhu cầu cấp thiết như trên, LTE-4G đã ra đời.
Sự phát triển của LTE 4G thể hiện như bảng dưới.

Hình 1.2 Sự phát triển của LTE Advance/IMT Advance
Một số đặc điểm của LTE-4G:
- Tốc độ dữ liệu đỉnh: 1 Gbps cho đường xuống và 500 Mbps cho đường lên.
- Băng thông sử dụng: 20Mhz 100Mhz.
- Hiệu quả phổ đỉnh: 30bps/Hz cho đường xuống và 15 bps/Hz cho đường
lên.
- Thời gian chờ: nhỏ hơn 50 ms khi chuyển từ trạng thái rỗi sang trạng thái
kết nối và nhỏ hơn 5ms cho mỗi chuyển mạch gói riêng lẻ.
- Khả năng tương thích: LTE Advance có khả năng liên kết mạng với LTE
và các hệ thống của 3GPP.
Công nghệ 4G đã thể hiện được một loạt các ưu điểm vượt trội so với các hệ
thống cũ và cung cấp nhiều dịch vụ viễn thông dựa trên gói hỗ trợ bởi mạng di động
và cố định. Hãng Ericsson đã thử nghiệm công nghệ LTE-4G tại Thụy Điển, nhà
mạng AT&T và Sprint của Mỹ đã triển khai các dịch vụ sử dụng công nghệ này
năm 2013. Nhà mạng Nhật Bản – NTT Docomo cũng đã triển khai công nghệ LTE4G vào tháng 2/2011.


Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

Tại Việt Nam theo dự đoán của giới truyền thông thì phải tới năm 2018 thế
hệ di động thứ 4 mới được triển khai, cung cấp dịch vụ.

Hình 1.3 Tốc độ bit và sự phát triển di động đến IMT-Advanced
1.3 Tổng quan về Long Term Evolution ( LTE-4G) :
1.3.1 Giới thiệu chung:
Dựa trên tiền đề là LTE, 3GPP đã đưa ra công nghệ LTE-4G tập trung vào
dung lượng, tốc độ bít cao hơn và hạ giá thành sản phẩm. Do vậy ITU đã công nhận
LTE-4G đạt tiêu chuẩn 4G. Với khả năng hoàn toàn có thể tương thích với các thế
hệ trước cùng với sự ủng hộ của các nhà khai thác mạng trên thế giới, LTE-4G đã
nhanh chóng chiếm ưu thế trong việc mở rộng quy mô mạng hiện nay.
Đặc điểm của LTE-4G:
- Tăng tốc độ dữ liệu DL 3 Gbps, UL 1.5 Gbps.
- Hiệu quả sử dụng phổ cao hơn 16bps/Hz in R8 to 30 bps/Hz in R10
- Tăng số lượng thuê bao sử dụng đồng thời.
1.3.2 Yêu cầu thiết kế của LTE-4G :
1.3.2.1 Các thông số chính của LTE-4G yêu cầu:
STT

Yêu cầu

Thông số của LTE-4G

1

Tốc độ downlink (peak)

1Gbps

2

Tốc độ uplink (peak)

500Mbps


Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

3

Hiệu quả phổ (peak)

Lên tới 100MHz

4

Thời gian chờ

5

Hiệu suất phổ downlink (peak)

< 50ms khi chuyển từ trạng thái
rỗi sang trạng thái kết nối.
Và < 5ms cho mỗi chuyển mạch
gói riêng lẻ.
30bps/Hz (8X8)

6

Hiệu suất phổ uplink (peak)

15bps/Hz (4X4)

7

Hiệu suất phổ downlink trung bình

2.6 bps/Hz (4X2)

8

Hiệu suất phổ uplink trung bình

2.0 bps/Hz (2X4)

9

Khả năng di động

350km/h

1.3.2.2 Kiến trúc mạng của LTE-4G :

Hình 1.4 Kiến trúc mạng LTE-4G
- Thiết bị người dùng (UE) : UE là thiết bị đầu cuối người dùng (User
equipment) như điện thoại, máy tính...
- P-GW: chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE, cũng như thực thi
QoS từ PCRF. PCRF sẽ lọc các gói IP hướng xuống người sử dụng trong các

Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

thông báo QoS khác nhau.
- S-GW: tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua S-GW, SGW như một trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi UE di
chuyển giữa các eNodeB. Nó cũng giữ lại thông tin về các thông báo khi UE trong
tình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắt
đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE. Thêm vào đó, S-GW còn thực hiện các
chức năng điều khiển trong mạng khách như là thu thập thông tin để tính cước (ví
dụ như lưu lượng dữ liệu gửi và nhận từ người dùng). Nó cũng cung cấp các trạm di
động để kết nối liên mạng với các kĩ thuật khác của 3GPP như GPRS và UMTS.
- PCRF: chịu trách nhiệm việc điều khiển chính sách ra quyết định cũng như
điều khiển các thực thể trong PCEF (Policy Control Enforcement Function) thường
trú trong P-GW. PCRF cấp phép cho QoS quyết định cách thức một dòng dữ liệu
hoạt động trong PCEF và đảm bảo phù hợp thuê bao người dùng.
- MME: điều khiển các Node xử lí tín hiệu giữa UE và CN. Giao thức giữa
UE và CN là Non-Access Stratum (NAS).
- Chức năng chính của MME: cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính
lưu động giữa LTE-4G và mạng truy nhập 2G/3G. Trạng thái UE rỗi theo dõi khả
năng liên lạc (bao gồm điều kiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi).
- Theo dõi quản lý danh sách vùng. Kiểm tra tính xác thực của UE đến trạm
trên dịch vụ của nhà cung cấp PLMN và giám sát việc thi hành sự giới hạn
Roaming cho UE.
- Lựa chọn GW (sự lựa chọn Serving GW và PDN GW). Lựa chọn MME
cho Handover khi thay đổi MME. Lựa chọn SGSN cho Handover tới các mạng 2G,
3G,3GPP
Nó chịu trách nhiệm chứng thực các user (bằng cách tương tác với HSS Home
Subscriber Service). MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịch
mật mã, bảo vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật.
- eNodeB (eNB): Là một trạm gốc BTS được tăng cường giao diện LTE-4G

và chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến.


Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

1.3.3 Các kỹ thuật nổi bật được sử dụng trong LTE-4G :
- Kỹ thuật đa truy cập phân tần trực giao: (Orthogonal frequency-division
multiple access OFDMA): Đây là một biến thể của kỹ thuật OFDM được ứng dụng
trong truy cập downlink với ưu điểm và lưu lượng cao và cung cấp đồng thời nhiều
User.
- Kỹ thuật đa truy cập phân chia tần số sóng mang đơn : (Single Carrier
Frequency Division Multiple Access - SC-FDMA ): Đây là kỹ thuật được ứng dụng
cho truy cập uplink nhằm giảm thiểu PAPR và tiết kiệm năng lượng cho các UE.
- Kỹ thuật MIMO tiên tiến (Multi Input - Multi Output Advanced ).
- Tăng cường truyền dẫn nhiều anten (Enhanced Multi-antenna
Transmission).
1.3.3.1 Giới thiệu về OFDMA
- Kỹ thuật này được xem là phiên bản triển khai đa người dùng của OFDM.
Cách thức đa truy cập đạt được trong OFDMA là nhờ việc phân bổ nhiều sóng
mang con cho từng người dùng riêng biệt. Kỹ thuật này được phát minh ra rất sớm,
tuy nhiên do bị giới hạn về công nghệ phần cứng cho nên đến thế hệ tiền 4G mới
được sử dụng.
- Ưu điểm như: Sử dụng phổ hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa
đường (ISI), khả năng chống fading lựa chọn tần số. Cho phép truyền dữ liệu tốc độ
cao trên nhiều sóng mang tần số thấp, hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.
- Nhược điểm: OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler, một sai lệch
nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Các sóng mang phụ
chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Tỷ số công
suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR.
1.3.3.2 Giới thiệu về SC-FDMA

Trong thực tế, các thiết bị đầu cuối bị giới hạn về công suất nên không thể sử
dụng được OFDMA và chỉ số PAPR cao. Do vậy, kỹ thuật sóng SC-FDMA sử dụng
trong tuyến xuống nhằm hạ PAPR cùng với việc tiêu thụ ít năng lượng trên các thiết
bị đầu cuối.


Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

1.4 Tổng kết chương
Trong chương thứ nhất này đã trình bày lịch sử phát triển của ngành thông
tin di động từ 1G đến 4G và giới thiệu sơ lược về công nghệ LTE-4G. Đây là một
công nghệ mới và có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ trước, xứng
đáng là công nghệ dẫn đầu trong nền thông tin di động tương lai. Qua đó, đã giới
thiệu sơ lược về các kỹ thuật dùng trong LTE-4G.


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG XUỐNG VÀ ĐƯỜNG
LÊN TRONG LTE-4G
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ đi sâu vào hai kỹ thuật là OFDMA và SC-FDMA được
dùng trong LTE-4G. Hai kỹ thuật này lần lượt sẽ được dùng trong đường xuống và
đường lên, lý do chọn lựa OFDMA cho đường xuống, SC-FDMA cho đường lên.
Nội dung chương sẽ trình bày, phân tích cách thức hoạt động cũng như ưu nhược
điểm từng kỹ thuật và ứng dụng kỹ thuật này vào trong LTE-4G.
2.2 Kỹ thuật đa truy cập đường xuống
2.2.1Giới thiệu chung về OFDMA
Kỹ thuật OFDMA thực chất là một biến thể của kỹ thuật OFDM. OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là đa truy cập phân chia theo tần

số trực giao. OFDMA như là một kế hoạch ghép kênh người dùng, nghĩa là mỗi
khoảng thời gian symbol OFDMA, những nhóm nhỏ khác nhau của toàn bộ nhóm
sóng mang có thể dùng được sử dụng để truyền cho nhiều đầu cuối di động khác
nhau. Tức là thay vì dùng một kênh để truyền tải thông tin thì OFDMA dùng nhiều
sóng mang con trực giao để truyền song song. Vì vậy tín hiệu được chia thành nhiều
luồng tốc độ thấp hơn, mỗi luồng tương ứng cho một sóng mang con.

Hình 2.1 Các sóng mang con trực giao trong miền tần số
OFDMA là phương thức truyền đa truy cập. Trong một khe thời gian, có thể
truyền nhiều sóng mang con phục vụ cho nhiều users khác nhau, mỗi user sẽ dùng
một hoặc nhiều sóng mang con trong chùm sóng mang con đó, do vậy sẽ có tín hiệu


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

điều khiển để thông báo cho các UE biết cần thu bộ phận nào và bỏ qua bộ phận
nào.
Nhờ chia nhỏ khối lượng thông tin nên tốc độ trên mỗi kênh con thấp hơn
nhiều so với tốc độ trên đường tổng cộng, do vậy có thể tránh được hiện tượng
nhiễu đa đường (multipath fading) trong thực tế.
2.2.1.1 Sơ đồ và chức năng các khối :

Hình 2.2 Mô hình hệ thống OFDMA

Hình 2.3 Chèn CP tại bộ IFT và phát đi
- Khối S/P : Series to parallet sẽ chuyển đổi chuỗi bit vào nối tiếp thành song
song, mục đích là để chia nhỏ luồng dữ liệu.
- Khối Modulation : Khối này điều chế dữ liệu vào thành các giá trị phức ở
đầu ra. Có thể sử dụng kiểu điều chế QAM hoặc QPSK.
- Bộ IFFT : Chuyển đổi tín hiệu sang miền thời gian.

- Khối chèn khoảng bảo vệ (Add cyclic prefix): Do trong thực tế, tín hiệu


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

truyền đi có thể phản xạ qua nhiều vật cản trong không gian sẽ tạo ra nhiều phiên
bản tương tự nhau với độ trê khác nhau. Khối này sẽ tạo ra khoảng bảo vệ bằng
cách cắt đoạn cuối của symbol trước dán vào phần đầu của symbol tiếp theo
- Khối P/S : Khối này chuyển các tín hiệu đầu ra bộ IFFT từ song song sang
nối tiếp.
- Khối DAC : Khối này chuyển tín hiệu số thành tương tự để tạo thành tín
hiệu liên tục với đường bao như hình dưới.
- Bộ khuếch đại : Khuêch đại tín hiệu lên tần số cao để truyền đi trong không
gian.

Hình 2.4 Hình bao biễu tín hiệu OFDMA
2.2.1.2 Truyền tín hiệu giữa các khối trong OFDMA
- Đầu tiên chuỗi bit vào sẽ được chia nhỏ ra thành từng đoạn nhỏ nhờ bộ
chuyển đổi nối tiếp sang song song. Tiếp theo, bộ điều chế sẽ tiến hành điều chế
từng đoạn bit đã cắt bằng QAM hoặc QPSK thành tín hiệu phức có dạng a+bi.
- Như vậy từng tín hiệu phức a 1+b1i, a2+b2i, a3+b3i, …., an+bni sẽ được đưa
vào khối IFFT chuyển đổi sang miền thời gian theo công thức sau:
Với k = 0, 1, 2, …., N-1

[1]


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Hình 2.5 Mô tả truyền dữ liệu giữa các khối trong OFDMA

- Như vậy, đầu ra bộ IFFT sẽ là tín hiệu rời rạc theo thời gian Ak
[1]
- Tín hiệu y(n) này sẽ được chèn khoảng bảo vệ CP để tăng khoảng cách an
toàn và đưa vào bộ DAC để lấy biên tín hiệu tạo thành tín hiệu liên tục theo thời
gian
[1]
- Tất cả các quá trình trên được thực hiện trên băng gốc (sau khi điều chế
QAM hoặc PSK) tuy nhiên khi truyền trong thực tế cần truyền ở tần số cao. Do vậy
tín hiệu sẽ được điều chế và khuếch đại trước khi truyền đi.
- Tại đầu thu thực hiện ngược lại, tín hiệu được hạ tầng rồi biến đổi sang tín
hiệu số rời rạc nhờ bộ ADC. Sau khi loại bỏ CP tín hiệu tiếp tục đưa vào bộ FFT để
chuyển lại sang miền tần số gồm cả thông tin về biên độ và pha để phục vụ cho việc
giải điều chế. Sau giải điều chế, chuỗi bit sẽ được chuyển song song sang nối tiếp
nhờ bộ P/S tạo thành chuỗi bit ban đầu.
2.2.2 Các đặc trưng của kỹ thuật OFDMA
2.2.2.1 Sử dụng FFT/IFFT


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Kỹ thuật OFDMA trong thực tế đã được phát minh từ rất sớm, khoảng thập
niên 70 nhưng do giới hạn về phân cứng nên chưa được triển khai. Theo lý thuyết
thì kỹ thuật này chia nhỏ luồng dữ liệu thành nhiều chuỗi ngắn hơn và được truyển
đi nhờ vô số sóng mang con trực giao. Lúc này, từng chuỗi bit sau khi được điều
chế QAM hoặc PSK sẽ được nhân với sóng mang con, các chuỗi bit sau khi được
nhân với sóng mang sẽ qua bộ cộng lại thành tín hiệu tổng rồi truyền đi.
Rõ ràng với cách làm này thì số lượng các bộ điều chế sóng sẽ rất lớn không
khả thi trong thực tế. Nhờ có sự phát triển của DSP hiện nay, người ta đã áp dụng
thuật toán IDFT/DFT đóng vai trò như hàng loạt bộ điều chế và giải điều chế.
Công thức biến đổi DFT

Với k = 0, 1, 2, …., N-1

[1]

Để giảm thiểu thời gian tính toán DFT, thuật toán FFT ra đời nhằm giúp việc
tính toán DFT nhanh gọn hơn. Vì thời gian tính toán chủ yếu là thời gian thực hiện
phép nhân phức nên chỉ cần giảm số lượng phép nhân, và giải pháp là sử dụng thuật
toán FFT.
Ta có tín hiệu qua bộ điều chế sẽ có dạng phức trong miền tần số, có thể biểu
diễn tín hiệu theo đồ thị tần số biên độ. Bộ IFFT biến đổi đầu vào sang miền thời
gian và chuyển song song sang nối tiếp. Như vậy, bộ IFFT đã làm công việc nhân
từng chuỗi tín hiệu vào sóng mang rồi tổng hợp lại giống như từng phần cứng riêng
biệt theo nguyên tắc của OFDMA.
Đầu thu thực hiện tương tự, bộ FFT sẽ chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian
sang tần số, có thể biểu diễn theo biểu đồ tần số biên độ như lúc ở máy phát. Ứng
với từng sóng mang con, bộ detect sẽ suy ra được các bit ban đầu.
2.2.2.2 Phương pháp chống nhiễu liên ký hiệu
Tín hiệu được truyền đi trong môi trường có nhiều vật cản nên sẽ xảy ra
hiện tượng phản xạ lên các vật thể tạo ra nhiều phiên bản của tín hiệu với độ trễ
khác nhau. Do đó, các tín hiệu đến sau sẽ gây ảnh hưởng lên các tín hiệu đến trước.
Hiện tượng này gọi là nhiễu liên ký tự ISI (inter symbol interfere).


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Hình 2.6 Tín hiệu bị phản xạ trên đường truyền
Vì sự phản xạ trên đường truyền này nên các tia phản xạ sẽ đi quãng đường
dài hơn tia truyền trực tiếp. Tại đầu thu, tín hiệu phản xạ này sẽ đến sau các tín hiệu
truyền trực tiếp gây nên hiện tượng chồng lấn trong vùng ISI.
Độ trễ được tính theo công thức:

[2]

Vì khoảng thời gian truyền của một mẫu tín hiệu rất nhỏ nên chỉ cần một sự
sai lệch nhỏ về khoảng thời gian trễ sẽ gây ra sai lệch thông tin.

Hình 2.7 Ảnh hưởng của ISI
Để hạn chế nhiễu liên ký tự này, người ta chèn thêm một khoảng bảo vệ giữa
các mẫu tín hiệu để đảm bảo tín hiệu không bị chồng lấn lên nhau bằng cách dời tín
hiệu tiếp theo ra xa tín hiệu trước nó một khoảng trễ . Việc làm này giúp an toàn
thông tin tuy nhiên lại làm cho thông tin truyền không được liên tục vì ta không thể
chèn một khoảng trống vào đó (để chèn khoảng trống chỉ có thể tắt hệ thống truyền,


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

điều này không tốt cho bộ khuếch đại). Do vậy người ta chèn khoảng bảo vệ bằng
cách cắt đi những bit cuối của tín hiệu sau dán vào đầu của nó.

Hình 2.8 Khoảng bảo vệ CP được chèn vào giữa 2 symbol
- Lý do chèn khoảng bảo vệ bằng cách này vì nó đem lại nhiều ưu điểm
+ Giúp hệ thống liên tục, không ảnh hưởng bộ khuếch đại
+ Việc so khớp phần cuối của mẫu với phần đầu của nó (phần đầu là
phần CP được thêm) giúp hệ thống dễ dàng nhận biết được điểm bắt đầu và
kết thúc của một mẫu tín hiệu.
- Tuy nhiên việc chèn CP cũng có thể gây tốn dung lượng đường truyền, ta
cần tính toán chọn độ dài CP cho hợp lý để không làm giảm hiệu suất hệ thống
nhưng CP cũng phải đủ dài để loại bỏ được ISI (4,7~16,7)
- Ở phía máy thu, CP sẽ được loại bỏ trước khi giải điều chế.
2.2.2.3 Ưu nhược điểm của điều chế QAM và PSK trong OFDMA

PSK(Phase Shift Keying): Là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần
biến đổi theo tín hiệu băng tần gốc

Hình 2.9 Biểu đồ vector


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Ưu điểm: Điều chế PSK có độ thay đổi biên độ bằng 0 cho nên khuếch đại trước khi truyền
dễ dàng, thích hợp truyền trong môi trường không yêu cầu công suất cao như thông tin di động
Nhược điểm: Khi số lương bit truyền trên mỗi mẫu lớn thì ta cần chia biểu đồ vector
thành nhiều điểm làm cho khoảng cách giữa các điểm nhỏ dễ gây nhiễu. Cho nên để đảm bảo an
toàn thông tin thì cần áp dụng các thuật toán mã hoá hoặc tăng công suất truyền.

QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Là phương thức điều chế kết hợp
giữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK. Trong phương thức điều chế này,
ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được
dịch pha 1 góc 90 độ. Tín hiệu tổng của 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừa
điều pha.

Hình 2.10 Biểu đồ không gian tín hiệu
Ưu điểm: Tuỳ vào số lượng bit điều chế, có nhiều biểu đồ không gian tín
hiệu 4 điểm, 16 điểm …. Nên khoảng cách hình học lớn, ít bị can nhiễu so với điều
chế PSK
Nhược điểm: Do có biên độ thay đổi nên cần công suất truyền lớn. Mà khi
công suất truyền lớn sẽ gây ra PAPR lớn. Thực tế tín hiệu được điểu chế rất nhiều
điểm trên mặt phẳng vector nên tốc độ truyền bằng QAM sẽ rất lớn.
2.3 Kỹ thuật đa truy cập đường lên
2.3.1 Giới Thiệu về SC-FDMA
Trong khi tuyến xuống người ta dùng kỹ thuật OFDMA thể hiện được nhiều

ưu điểm như tăng băng thông hệ thống, hiệu quả sử dụng phổ tăng, giảm fading lựa
chọn tần số… thì nó lại làm cho chỉ số PAPR lớn. Khi chỉ số PAPR lớn thì yêu cầu
hệ thống phải phát ở công suất lớn và bộ khuếch đại phải làm việc tuyến tính trên


Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

tất cả các vùng khuếch đại. Điều này làm tăng giá cả hệ thống và khó khăn trong
thực tế do các thiết bị đầu cuối vốn không dồi dào về năng lượng, nhất là với các
thuê bao di động. Do vậy, để hạn chế nhược điểm trên, kỹ thuật SC FDMA (Single
Carrier Frequency Division Multiple Access - đa truy cập phân chia tần số sóng
mang đơn ) đã được đề xuất dùng cho đa truy cập đường lên.
2.3.2 Phương Thức Truyền SC-FDMA
2.3.2.1 Cấu Trúc Hệ Thống
Kỹ thuật SC FDMA tương tự như kỹ thuật OFDMA, có đều trong SC
FDMA dùng sóng mang đơn để điều chế và giai đoạn đính kèm sóng mang được
thực hiện trong miền tần số nên sẽ có thêm bộ DFT trước khối ánh xạ sóng mang
con.

Hình 2.11 Mô hình hệ thống SC-FDMA sử dụng cho đường lên
2.3.2.1.1 Các khối chức năng trong hệ thống SC-FDMA
- Khối S/P: Chuyển tín hiệu đầu vào thành từng cụm song song đưa vào từng
khối để chuẩn bị biến đổ Fourier.
- Khối DFT: Thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu đầu vào sang miền tần số
trước khi thực hiện ánh xạ sóng mang con.
- Khối Subcarrier Mapping: Ánh xạ sóng mang con vào các mẫu tại đầu ra
của khối DFT để truyền đi. Có 2 kiểu ánh xạ sóng mang con: Kiểu Localized hoặc