Nghiên cứu giảm PAPR trong hệ thống LTE ADVANCED

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
LỜI MỞ ĐẦU
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU



CÁC TỪ VIẾT TẮT
3G

3rd Generation

3GPP

3rd Generation Partnership Project

4G

4th Generation

AWGN

Additive white Gaussian Noise

B3G

Beyond 3rd Generation

BER

Bit Error Rate

BS

Base Station

CA

Carrier Aggregation

CC

Component Carrier

CDMA

Code Division Multiple Access

CoMP

Coordinated Multi Point

CP

Cyclic Prefix

DFT

Discrete Fourier Transform

DL

Down link

DSCH

Downlink Shared Channel

EDGE

Enhanced Data rates for GSM Evolution

ESNRC

Enhanced Signal to Noise Combining

ERC
FDMA

Equal Ratio Combining
Frequency Division Multiple Access


FDD

Frequency Division Duplex

FFT

Fast Fourier Transform

FSTD

Frequency Shift Transmit Diversity

FRC

Fixed Ratio Combining

GSM

Global System for Mobile communication

HSPA

High Speed Packet Access

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

IMT

International Mobile Telecommunications

IMT-A

International Mobile Telecommunications Advanced

ITU

International Telecommunication Union

LOS

Line Of Sight

LSP

Large Scale Parameter

LTE

Long Term Evolution

LTE-A

Long Term Evolution Advanced

MIMO

Multiple Input and Multiple Output

MM

Mobiliti Management

MMSE

Minimum Mean Square Error

MPC

Multi Path Component

MRC

Maximum Ratio Combining

NLOS

Non Line Of Sight


OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PAPR

Peak to Average Power Ratio

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RAN

Radio Access Network

RF

Radio Frequency

RN

Relay Node

RRM

Radio Resource Management

RX

Receiver

SCFDMA

Single Carrier Frequency Division Multiple Access

SCME

Spatial Channel Model Extended

SER

Symbol Error Rate

SISO

Single Input and Single Output

SNR

Signal to Noise Ratio

SNRC

Signal to Noise Ratio Combining

TDD

Time Division Duplex

TDSCDMA

Time Division Synchronous Code Division Multiple Access

TX

Transmitter


UE

User Equipment

UL

Up link

UMTS
VoIP
WLAN

Universal Mobile Telecommunications System
Voice over Internet Protocol
Wireless Local Area Network


LỜI MỞ ĐẦU
Hệ thống thông tin di động trên thế giới phát triển không ngừng, nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi

thông tin ngày càng cao của người dùng. Hệ thống LTE-Advanced có thể coi là hệ thống tiên tiến nhất
hiện nay, nó đã được một số nước trên thế giới triển khai xây dựng và thương mại hóa. Với tính tương
đồng với các thế hệ trước đặc biệt là thế hệ tiền 4G (LTE), LTE-Advanced đang chiếm ưu thế trong cuộc
đua với WirlessMAN-Advanced để trở thành công nghệ được ứng dụng rộng rãi cho 4G. LTE-Advanced
đã có những cải tiến đáng kể so với thế hệ tiền 4G (LTE) cũng như các thế hệ trước nó, ví dụ như về băng
thông cũng như tốc độ dữ liệu.
Đồ án này trình bày về một số kĩ thuật nổi bậc được sử dụng trong hệ thống LTE-Advanced. Nội
dung đồ án bao gồm 4 chương :
Chương 1 : Lịch sử phát triển mạng di động và tổng quan về LTE-Advanced
Chương này đã giới thiệu về sự ra đời và phát triển của các thế hệ thông tin di động. Khái quát được
các đặc điểm nổi bậc của LTE-Advanced.
Chương 2 : Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-Advanced
Trình bày chi tiết về hai kỹ thuật đa truy cập đường xuống (OFDMA ) và kỹ thuật đa truy cập đường
lên (SC-FDMA ). Qua đó, chúng ta có thể thấy được các ưu nhược điểm của từng phương pháp. Đây là
hai kỹ thuật đã được sử dụng trong gian đoạn tiền 4G với công nghệ LTE.
Chương 3 : Kỹ thuật kết tập sóng mang (Carrier Aggregation ) trong LTE-Advanced
Trong chương 3 chúng ta sẽ tìm hiểu một kỹ thuật hoàn toàn mới đã được đưa vào ứng dụng trong
LTE-Advanced đó là kỹ thuật kết tập sóng mang. Đây là kỹ thuật mang tính đặc trưng nhất trong LTEAdvanced bởi vì nhờ nó mà LTE-Advanced sẽ đạt được những đặc điểm kỹ thuật vượt bậc như băng
thông, tốc độ truyền dữ liệu để phù hợp với những yêu cầu của ITU đưa ra cho mạng 4G.
Chương 4 : Đánh giá chỉ số PAPR trong hệ thống LTE-Advanced
Chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về chỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to
Averrage Power Ratio) của hai phương pháp OFDMA và SC-FDMA. Bằng mô phỏng matlab, chúng ta đã
biết được tại sao LTE-Advanced vẫn tiếp tục sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho đa truy cập đường lên.
Trong quá trình hoàn thành đồ án này, tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn
còn nhiều thiếu sót. Rất mong quý thầy cô chỉ bảo thêm.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông, đặc
biệt là thầy Tăng Tấn Chiến đã nhiệt tình hướng dẫn để em hoàn thành tốt đồ án này.


CHƯƠNG 1

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG
VÀ TỔNG QUAN VỀ LTE-ADVANCED
1.1 Giới thiệu chương

Các thế hệ mạng thông tin di động nối tiếp nhau phát triển trên nền công nghệ truyền
thông không dây liên tục đổi mới để đáp ứng nhu cầu tương tác, làm việc, giải trí ngày
càng cao của người dùng. Nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu, khả năng bảo mật, dung
lượng, chất lượng… của dịch vụ ngày càng lớn. Vì vậy việc ra đời của các hệ thống
2G,3G,4G là để đáp ứng các nhu cầu này. Ở chương này ta sẽ tập trung vào sự ra đời và
phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G, đồng thời trình bày tổng quan về hệ
thống LTE-Advanced.
1.2 Sự phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G

Hình 1.1 Các thế hệ mạng di động toàn cầu


1.2.1 Mạng thông tin di động 2G
Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so
với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của thế
hệ 1G. Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một
thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc
biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tín hiệu
thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã,
cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời
gian và chi phí.
1.2.2 Mạng thông tin di động 3G
Là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó. Nó cho
phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi
email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips … Nó đặc trưng bới tốc đọ truyền
dữ liệu cao, dung lượng lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tầng và nhiều cải tiến đáng kể

khác.
Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn
thông Thế giới (ITU). Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới,
nhưng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt : UMTS, CDMA2000,
TD-SCDMA và WIDEBAND-CDMA .
- UMTS: dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung
thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dung
GSM, 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. Tốc độ truyền dữ liệu tối đa là
1920Kbps nhưng thực tế tốc độ này là 384Kbps.
- CDMA2000: là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G, cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144
kbit/s tới trên 3 Mbit/s .
- TD-SCDMA: là chuẩn ít được biết đến hơn, được phát triển riêng tại Trung Quốc
bởi công ty Datang và Siemens.


- WIDEBAND-CDMA: Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbit/s và 2 Mbit/s. Giao thức này
được dùng trong một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbit/s. Khi nó dùng
trong một mạng cục bộ LAN, tốc độ tối đa chỉ là 1,8 Mbit/s.
Để cải tiến tốc độ dữ liệu của mạng 3G hai kĩ thuật HSUPA và HSDPA đã được đề
nghị. Khi 2 kĩ thuật này được triễn khai người ta gọi chung là HSPA và nó được biết đến
như mạng 3,5G.
- HSUPA: kĩ thuật này cho phép tăng tốc độ upload thông tin tối đa là 5,8Mbps.
- HSDPA: kĩ thuật này cho phép download thông tin với tốc độ tối đa là 14,4Mbps,
nhưng thực tế thì nó chỉ đạt được 1,8Mbps và tốt nhất là 3,6Mbps.
1.2.3 Mạng di động tiền 4G-LTE (3,9G)
Hai công nghệ là LTE và WiMax đã được một số nhà mạng trên thế giới triển khai
xây dựng. họ gọi đó là 4G nhưng thật sự chưa được ITU công nhận nên nó được biết đến
như công nghệ 3,9G . Các đặc điểm chính của mạng di động tiền 4G dựa trên công nghệ
LTE: tốc độ truyền dữ liệu, dải tần co giản được, đảm bảo hiệu suất khi di chuyển, giảm

độ trễ ở mặt phẳng người dùng, giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và các mặt
phẳng điều khiển.
- Tốc độ truyền dữ liệu : dung lượng truyền trên kênh đường lên có thể đạt tối đa là
50Mbps và đường xuống là 100Mbps đối với băng thông 20MHz.
- Dải tần co giản được: dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ
1.4MHz ; 3MHz ; 5MHz ; 10MHz đến 20 MHz. Nó cho thấy sự linh hoạt trong việc sử
dụng băng thông.
- Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: tùy thuộc vào băng tần mà LTE tối ưu hóa hiệu
suất cho thiết bị đầu cuối. Khi thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc từ 0-15Km/h thì
hiệu suất là tối ưu, vẫn hỗ trợ hiệu suất cao đối với vận tốc 15-20Km/h, đối với vận tốc
trên 120Km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng.
- Giảm độ trễ ở mặt phẳng người sử dụng: hiện nay rất nhiều ứng dụng yêu cầu thời
gian thực nhưng nhược điểm của các mạng tổ ong là độ trễ đường truyền cao hơn nhiều
so với các mạng dây cố định.


Yêu cầu độ trễ trên giao tiếp vô tuyến đối với mạng LTE là khoảng chừng 5ms để độ
trễ truyền từ UE này đến UE khác tương đương với độ trễ ở các mạng dây cố định.
- IP: một trong những tính năng đáng kế nhất của mạng LTE đó là sự chuyển dịch
đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP. Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn
và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động khác.
- Đồ phủ sóng: LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng,độ di động và hiệu suất
phổ trong vòng bán kính 5km. khi phạm vi tăng lên đến 30km thì lưu lượng người dùng
sẽ giảm nhẹ nhưng hiệu suất phổ thì bị giảm 1 cách đáng kể, tuy nhiên nó vẫn có thể chấp
nhận được.
- Các kĩ thuật MIMO, OFDMA, SC-FDMA được sử dụng trong mạng LTE thay vì
CDMA như trong mạng 3G.
1.2.4 Mạng thông tin di động 4G
Là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với
tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s. Là chuẩn tương lai của các

thiết bị không dây. Điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển
và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên
các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Và trong tương lai, mạng di động LTE
Advance, WiMax (nhánh khác của 4G)… sẽ là những thế hệ tiến bộ hơn nữa, cho phép
người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải nghệm web tiên tiến hơn
cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa từ chính chiếc di động của
mình.
1.3 Tổng quan về LTE-Advanced (Long Term Evolution- Advanced)
Hệ thống thông tin di động 4G đã được khai thác và phát triển tại 1 số quốc gia phát
triển trên thế giới từ năm 2012. Với tính tương đồng với các thế hệ trước đặc biệt là thế
hệ tiền 4G (LTE), LTE-Advanced đang chiếm ưu thế trong cuộc đua với WirlessMANAdvanced để trở thành công nghệ được ứng dụng rộng rãi cho 4G.
LTE-Advanced thực chất chỉ là bảng nâng cấp của LTE nhằm hướng đến thỏa mãn
các yêu cầu của IMT-Advanced. Việc nâng cấp này thê hiện rõ ở chỗ các công nghệ được
sử dụng trong LTE cũng được sử dụng trong LTE-Advanced (OFDMA, SC-FDMA,


MIMO,…). Nhưng đã có 1 số cải tiến để phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của nó như
MIMO tăng cường sử dụng cấu hình cao hơn (8x8 MIMO), đồng thời LTE-Advanced
còn sử dụng thêm nhiều kĩ thuật mới để nâng cao đặc tính : kết tập sóng mang, trạm
chuyển tiếp, đa anten cải tiến, phối hợp đa điểm, mạng không đồng nhất.
1.3.1 Yêu cầu thiết kế của LTE-Advanced
1.3.1.1 Các thông số chính
Các yêu cầu
Tốc độ đường xuống đỉnh
Tốc độ đường lên đỉnh
Khả năng cung cấp phổ
Thời gian chờ (mặt phẳng người
dùng)
Thời gian chờ (mặt phẳng điều
khiển)

Hiệu suất phổ đỉnh ở đường xuống
Hiệu suất phổ đỉnh ở đường lên
Hiệu suất phổ trung bình ở đường
xuống
Hiệu suất phổ trung bình ở đường
lên

Đáp ứng của LTE-Advanced
1Gbps
500Mbps
Lên đến 100MHz
10ms
50ms
30bps/Hz (8x8)
15bps/Hz (4x4)
2.6bps/Hz (4x2)
2.0bps/Hz (2x4)

Bảng 1.1 Các thông số chính của LTE-Advanced yêu cầu
1.3.1.2 Kiến trúc mạng của LTE-Advanced

Hình 1.2 Kiến trúc mạng của LTE-Advanced


- UE: là thiết bị đầu cuối. Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền
thông, duy trì và loại bỏ các liền kết thông tin người dùng cần.
- eNB (eNodeB) : có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP là trạm gốc được
tăng cường mới. Là trạm BTS tăng cường cung cấp giao diện không gian và thực hiện
quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống này. Nó nén IP header và mã hóa dữ liệu người
dùng. Sự chọn lọc của một MME khi không có định tuyến tới một MME nào tại thời

điểm UE attach, thì nó có thể xác định nhờ thông tin được cấp bởi UE. Định tuyến dữ
liệu phẳng người dùng hướng tới cổng dịch vụ Serving Gateway. Lập lịch và truyền dẫn
thông tin quảng bá. Lập lịch và truyền dẫn những thông báo tìm gọi. Cấu hình phép đo và
báo cáo phép đo sự lưu động và sự lập trình.
- S-GW (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN.
Nó có chức năng là : SWG có chức năng định tuyến và hướng các gói dữ liệu người
dùng, E-UTRAN ngừng bộ đệm gói downling và bắt đầu mạng thúc đẩy yêu cầu của dịch
vụ. khi các UE ở trạng thái rỗi thì SWG sẽ kết thúc đường dữ liệu downling và kích hoạt
tìm gọi khi mà dữ liệu của downling chuyển tới UE. Quản lý và lưu trữ các văn cảnh của
UE.
- PDN-GW (Packet Data Network- Gate Way ) : Cổng mạng dữ liệu gói là tuyến biên
giữa EPS và các mạng dữliệu gói bên ngoài. Nó là nút cuối di động mức cao nhất trong
hệ thống, và nó thường hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho UE. Nó thực hiện
các chức năng chọn lưu lượng và chọn lọc theo các yêu cầu bởi các dịch vụ được đề cập.
Là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Đồng thời nó
cũng là Router đến mạng Internet.
- MME (Mobility Mangament Entity) : Là node quan trọng của mạng truy cập LTEAdvanced. Nó chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan
tới quản lý thuê bao và quản lý phiên, quản lý tính lưu động và xác nhận UE cùng những
tham số bảo mật. Một số chức năng chính của MME là : xác thực và bào mật, quản lý hồ
sơ thuê bao và dịch vụ kết nối, quản lý tính di động, quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ
kết nối.


- PCRF (Policy and Charging Rules Funtion) : là chính sách và tính cước tài nguyên,
là phần tử chịu trách nhiệm về chính sách và điều khiển tính cước. PCRF là một máy chủ
và thường được đặt với các phần tử CN khác tại các trung tâm điều hành chuyển mạch.
1.3.2 Các kỹ thuật nỗi bậc được sử dụng trong LTE-Advanced
1.3.2.1 Kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

Hình 1.3 Kĩ thuật OFDM

Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao được sử dụng trong đa truy cập
theo đường xuống của LTE-Advanced. Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm nỗi bậc như : hiệu
quả trong việc sử dụng băng tần, chống nhiễu xuyên kí tự, chống được nhiều liên sóng
mang… Ngoài ra nó còn có thế thay đổi tốc độ truyền tải đường lên và xuống một cách
dễ dàng nhờ vào việc thay đổi số lượng sóng mang được sử dụng.
1.3.2.2 Kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access)
Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn được LTE-Advanced sử
dụng cho đa truy cập đường lên. Ưu điểm của kỹ thuật này so với OFDMA là tỉ số PAPR
(tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) nhỏ hơn, dẫn đến việc tiêu thụ công suất ở
thiết bị đầu cuối ít hơn tăng tính di động cho thiết bị.
1.3.2.3 Kỹ thuật MIMO tiên tiến

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống MIMO
Là kỹ thuật đa anten thu và phát được LTE-Advanced tiếp tục sử dụng vì hiệu quả
của nó rất cao. Hai đặc tính nổi bậc của MIMO trong LTE-Advanced là ghép kênh không


gian và phát phân tập.Với cấu hình 8x8 ở đường lên và 4x4 ở đường xuống LTEAdvanced đã đạt được hiệu suất phổ đỉnh như yêu cầu (hiệu suất phổ đường xuống là
30bps/Hz và 15bps/Hz ở đường lên).
1.3.2.4 Kỹ thuật kết tập sóng mang (Carrier Aggregation)
Kỹ thuật kết tập sóng mang được LTE-Advanced áp dụng để tăng băng thông và do
đó làm tăng tốc độ bit. Nhờ đó mà LTE-Advanced đạt được yêu cầu về băng thông và tốc
độ truyền dẫn dữ liệu. Nó được xem như là một trong những kỹ thuật đặc trưng nhất của
LTE-Advanced.

Hình 1.5 Kĩ thuật kết tập sóng mang
Để tăng độ rộng băng tần mà vẫn duy trì được tính tương thích phổ(không bị nhiễu
sóng mang) nhờ vào việc sử dụng kỹ thuật kết tập sóng mang, trong đó nhiều sóng mang
con được kết hợp với nhau để cung cấp độ rộng băng tần cần thiết. Các sóng mang thành
phần có thể có băng thông là 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz và tối đa chỉ có 5 sóng mang thành

phần được kết hợp, từ đó băng thông kết hợp có thể lên tới 100MHz. Tùy thuộc vào độ
rộng băng tần sẵn có mà LTE-Advanced có thể áp dụng kỹ thuật kết tập sóng mang liền
kề hay không liền kề.


1.3.2.5 Truyền dẫn đa điểm phối hợp (Coordinated Multi-Point Transmission )
Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín
hiệu trên tạp âm và can nhiễu ở thiết bị đầu cuối. Định dạng chùm là một cách. Ở các
mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị xử lý băng
gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí. Hệ thống phối hơp có 1
nút nguồn phân phát 1 bản tin đến một số nút chuyển tiếp. Các nút này gửi lại tín hiệu đã
được xử lý đến nút đích. Nút đích kết hợp và sử dụng phân tập tín hiệu thu được từ các
nút chuyển tiếp và từ nút nguồn để nhận được tín hiệu thu.

Hình 1.6 Hệ thống phối hợp có 2 nút chuyển tiếp
Lợi ích của hệ thống CoMP trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ:
+ Tăng hiệu quả sử dụng mạng: bằng việc cung cấp kết nối tới nhiều trạm cùng lúc,
dữ liệu có thể tận dụng tối ưu tài nguyên của các trạm thu phát đó.
+ Nâng cao chất lượng thuê bao: sử dụng nhiều tế bào mạng trên 1 thuê bao sẽ tăng
khả năng thu nhận và giảm đáng kể việc mất kết nối.
+ Giảm nhiễu: Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can
nhiễu ở thiết bị đầu cuối.


1.3.3 So sánh giữa LTE và LTE-Advanced
Đặc tính
Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống
Tốc độ số liệu đỉnh đường lên
Băng thông
Hiệu suất sử dụng phổ tần(bps/Hz) ở

đường xuống
Hiệu suất sử dụng phổ tần(bps/Hz) ở
đường lên
Độ trễ
Cấu hình MIMO ở đường xuống
Cấu hình MIMO ở đường lên

LTE
326 Mbps
86 Mbps
≤ 20MHz
16.3 (4x4 MIMO)

LTE-Advanced
1 Gbps
500 Mbps
≤ 100MHz
30 (8x8 MIMO)

4.32 (SISO)

15 (4x4 MIMO)

10 ms
4x4
2x4

5 ms
8x8
4x4

Bảng 1.2 Bảng so sánh LTE với LTE-Advanced
1.4 Kết luận chương
Ở chương này chúng ta đã sơ lược về lịch sử phát triển của các thế hệ di động. Các
công nghệ của các thế hệ tương ứng, trong đó công nghệ vượt trội hơn cả chính là LTEAdvanced. Chúng ta sẽ đi vào chi tiết hơn về các kỹ thuật được sử dụng chủ yếu trong
LTE-Advanced ở các chương tiếp theo.


CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG XUỐNG
VÀ ĐƯỜNG LÊN TRONG LTE-ADVANCED
2.1 Giới thiệu chương
Để hiểu rõ hơn về hai kỹ thuật đa truy cập đường xuống (OFDMA) và đa truy cập
đường lên SC-FDMA, trong chương này chúng ta sẽ đi sâu phân tích đánh giá các ưu
nhược điểm của hai kỹ thuật này.
2.2 Kỹ thuật đa truy cập đường xuống
2.2.1 Giới thiệu chung về OFDMA
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : đa truy cập phân chia
theo tần số trực giao đã được LTE-Advanced sử dụng cho đa truy cập đường xuống.

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống OFDMA
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ
thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song(S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu
song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC ) và được sắp xếp
theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối
IDFT.Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền
tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền
trên các kênh di động vô tuyến đa đường..Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch
đại công suất và phát đi từ anten.

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu
Gausian trắng (Additive White Gaussian Noise-AWGN),…
Bên phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận
được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền
thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT (khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ
điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được
sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Sau cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối
tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp.
2.2.1.1 Chức năng của từng khối
- Khối S/P : chuyển đổi các luồng dữ liệu bit nhị phân từ nối tiếp thành song song
để giảm tốc độ đưa vào bộ điều chế .
- Khối FFT và IFFT : 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 và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.

Hình 2.2 Sơ đồ khối FFT và IFFT
- Khối chèn khoảng bảo vệ nó có chức năng chèn các khoảng bảo vệ giữa các symbol
trong OFDM để tránh nhiễu liên kí tự.
- Khối P/S : khối này có nhiệm vụ ghép các giá trị thực thu được thành một chuỗi
theo đúng thứ tự ban đầu. khi ta ghép tất cả giá trị thực này trên miền thời gian nó sẽ tạo
thành 1 đường bao tín hiệu OFDMA.


Hình 2.3 Đường bao tín hiệu OFDMA
2.2.1.2 Truyền tín hiệu giữa các khối trong OFDMA

Hình 2.4 Sơ đồ truyền dữ liệu trong khối OFDMA

Tín hiệu được truyền từ máy phát qua bộ S/P chuyển thành N chuỗi tín hiệu song
song,sau đó từng chuỗi tín hiệu con này qua mỗi bộ điều chế,ngõ ra các bộ điều chế sẽ
thu được một chuỗi số phức X0,X1,…,XN-1. Chuỗi này có dạng như sau :

x ( n) =

1
N

N −1

∑ X ( k )e
k =0

j 2 πNkn

(2.1)


Với Ts là chu kì của tín hiệu và fk là tần số các sóng mang.
Do

k
f
n = k n = f k nTs = f k t n
N
fs

(2.2)

Nên ta có thể viết lại :

x ( n) =

N −1

∑ X ( k )e

1
N

j 2πf k t n

k =0

(2.3)

Sau khi qua bộ IFFT thì tín hiệu là các mẫu rời rạc trong miền thời gian và có dạng sau :

1 N −1
y ( n) = Re{x(n)} = ∑ Re{( Ak + jB k ).( cos2πf k t n + jsin2πf k t n )}
N k =0
1
=
N

N −1

∑ ( A cos 2πf t
k

− Bk sin2πf k t n )

k n

k =0

(2.4)

Tín hiệu này tiếp tục qua khối chèn bảo vệ và khối D/A để ta thu được tín hiệu liên tục y(t) sau :

1
y (t ) =
N

N −1

∑ ( A cos2πf t + B sin2πf t )
k

k

k

k

k =0

(2.5)

Ở bên phía máy thu sẽ thực hiện các quá trình ngược lại (biến đổi A/D,lọc khoảng bảo vệ rồi qua
khối FFT được giải điều chế và biến đổi song song thành nối tiếp nhờ khối (P/S) để thu được tín hiệu như
ban đầu.

2.2.2 Các đặc điểm nổi bậc của kỹ thuật OFDMA
2.2.2.1 Sử dụng bộ FFT và IFFT
Kỹ thuật OFDMA có hiệu suất sử dụng phổ rất cao và có thể chống được nhiễu liên kí tự,nhờ sử
dụng kĩ thuật điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang con trực giao với nhau.
Tuy nhiên để thực hiện được điều này dường như là không thể, bởi vì mỗi sóng mang thành phần
cần phải có bộ tách sóng, bộ điều chế và giải điều chế cho riêng nó. Trong khi đó số lượng các sóng mang
thành phần dùng để truyền tín hiệu là rất lớn. Vì thế người ta đã dùng thuật toán IDFT/DFT để thay thế
tất cả các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế và giải điều chế nhằm giải quyết triệt để vấn đề này.
Xét chuỗi tín hiệu x(n) có chiều dài N (n=0,1,2,3,….., N-1) lúc đó


Công thức biền đổi của thuật toán DFT :
N −1

X ( k ) = ∑ x ( n) e

− j 2 πNkn

n =0

(2.6)

Với k = 0,1,……..,N-1
Công thức của thuật toán IDFT là :

x ( n) =

1
N

N −1

∑ X ( k )e

j 2 πNkn

k =0

(2.7)

Không dừng ở đó, các thuật toán DFT/IDFT vẫn còn tính toán khá lâu không thể đáp ứng được thời
gian thực,với thời gian tính của phép DFT gồm :
+ Thời gian thực hiện phép nhân số phức
+ Thời gian thực hiện phép cộng số phức
+ Thời gian đọc các hệ số
+ Thời gian truyền số liệu
Trong đó thời gian thực hiện phép nhân số phức là đáng quan tâm nhất. Vì thế người ta phải giảm
số lượng phép tính nhanh nhằm đảm bảo được thời gian thực cho kênh truyền, ở đây thuật toán
FFT/IFFT được sử dụng để thay thế cho DFT/IDFT. Thuật toán FFT/IFFT giúp cho việc tính toán nhanh và
đơn giản hơn rất nhiều.

2.2.2.2 Phương pháp chống nhiễu liên kí tự
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu cao tần từ máy phát có thể bị phản xạ từ các
vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu, dẫn đến lệch
pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm.

Hình 2.5 Tín hiệu bị phản xạ trên đường truyền
Chính các thành phần trễ truyền làm cho các symbol liền kề nhau chồng lấn lên nhau ở phía máy
thu, tại máy thu sẽ là chồng chập các tín hiệu từ nhiều đường khác nhau. Hiện tượng này gọi là nhiễu
liên kí tự ISI (Inter Symbol Interference). Thời gian trễ truyền (trải trễ) được tính theo công thức (τ =
∆s/c), với khoảng thời gian của một mẫu tín hiệu thì đây là một khoảng chênh lệch rất đáng kể.

Hình 2.6 Ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự
Để giải quyết vấn đề này người ta dùng phương pháp chèn khoảng bảo vệ giữa hai symbol liền kề
nhau. Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu.
Mỗi ký hiệu khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín
hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của kí
hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao
chép đoạn cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian
ký hiệu dài hơn.

Hình 2.7 Chèn khoảng bảo vệ vào giữa 2 symbol


Không có phương pháp nào là trọn vẹn, khi ta chèn khoảng bảo vệ thì vấn đề về hiệu suất băng tần
lại bị ảnh hưởng. Vì vậy việc chèn khoảng bảo vệ cần được hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng
tần, đồng thời nó phải dài hơn khoảng trải trễ để có thể loại bỏ được nhiễu liên kí tự.

2.2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của điều chế trong OFDMA
Có hai phương pháp được sử dụng để điều chế trong kỹ thuật OFDMA là M-QAM và M_PSK. Mỗi cái
đều có mỗi thế mạnh riêng, tùy vào các trường hợp cụ thể khác nhau mà người ta áp dụng kiểu điều chế
nào.
Điều chế PSK(Phase Shift Keying) là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần
biến đổi theo tín hiệu băng gốc.
+ Ưu điểm : biên độ của tín hiệu khồng đổi trong quá trình truyền dẫn, nên vấn đề khuếch đại

trước khi truyền đi là dễ dàng và hiệu quả hơn. Đặc biệt là trong thông tin di động công suất truyền bị
khống chế. Khi số pha tăng lên thì cho phép giảm tốc độ bit truyền nhưng vẫn đảm bảo được dung lượng
cho trước, điều này sẽ làm giảm băng thông, cho phép truyền được nhiều kênh thông tin.
+ Nhược điểm : khi số pha tăng lên (M lớn) thì các tổ hợp bit sẽ càng gần nhau hơn, nghĩa là sẽ
làm tăng khả năng mắc lỗi của hệ thống. Do đó để đảm bảo được chất lượng người ta phải tăng công
suất truyền.
Điều chế M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) : là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều
chế biên độ và điều chế pha hay còn gọi là điều chế biên độ cầu phương.
+ Ưu điểm : nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái của sóng mang đã cách xa nhau, do vậy
khả năng mắc lỗi sẽ giảm. ngoài ra nó còn yêu cầu băng tần thấp nên sử dụng hiệu quả băng tần truyền
dẫn.
+ Nhược điểm : trong phương pháp điều chế này méo phi tuyến và méo xuyên kênh tăng, tỉ lệ lỗi
bit tăng nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm không đổi. đồng thời bộ điều chế cũng sẽ phức tạp hơn so với các
phương pháp điều chế riêng lẻ. Do biên độ của các tín hiệu thay đổi nên dùng QAM sẽ gặp khó khăn khi
phải truyền công suất lớn (do tỉ số giữa công suất tín hiệu max/min khi truyền đi là lớn hơn 1). Cụ thể là
để khuếch đại tín hiệu nhỏ tốt thì các tín hiệu lớn khi đi qua bộ khuếch đại sẽ làm nó làm việc ở chế độ
bão hòa nên đầu ra bộ khuếch đại sẽ bị méo. Ngược lại để khuếch đại tín hiệu lớn mà không bị méo thì
điểm làm việc của nó phải gần với gốc tọa độ, điều này làm hiệu suất bộ khuếch đại giảm đáng kể.

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDMA
2.2.3.1 Ưu điểm
Tăng hiệu quả sử dụng băng thông, nhờ các sóng mang con trực giao với nhau nên tiết kiệm đáng kể
lượng băng tần sử dụng.