Nghiên cứu kỹ thuật mimo OFDMA và ứng dụng trong thông tin di động tế bào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------X—W-----------

NGÔ VĂN TÚC

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA
VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------X—W-----------

NGÔ VĂN TÚC

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA
VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ Khoa học này là do tôi nghiên cứu và
được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Đức. Các kết quả tham
khảo từ các nguồn tài liệu cũng như các công trình nghiên cứu khoa học khác được
trích dẫn đầy đủ. Nếu có gì sai phạm về bản quyền, tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm trước nhà trường.
Hà Nội, tháng 9 năm 2011
HỌC VIÊN

Ngô Văn Túc

Trang 1


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................5
DANH MỤC HÌNH VẼ..............................................................................................8
LỜI NÓI ĐẦU ..........................................................................................................11
CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT CƠ SỞ ........................................................................13
1.1. Tình hình hệ thống thông tin di động hiện tại:...................................................13
1.1.1. Thế hệ 1G (First Generation): .........................................................................13
1.1.2. Thế hệ 2G (Second Generation): ....................................................................13
1.1.3. Thế hệ 3G (Third Generation): .......................................................................14
1.1.4. Công nghệ 4G: ................................................................................................16

1.2. Các vấn đề cơ bản của kênh vô tuyến:...............................................................19
1.2.1. Suy hao đường truyền: ....................................................................................19
1.2.2. Hiện tượng Multipath-Fading: ........................................................................20
1.2.3. Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng: ................22
1.2.4. Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm: ..........................26
1.2.5. Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean[17]:.........................................28
1.3. Các phương thức ghép kênh[4]:.........................................................................30
1.3.1. Ghép kênh theo tần số FDM: ..........................................................................31
1.3.2. Ghép kênh theo thời gian TDM: .....................................................................31
1.3.3. Ghép kênh theo mã CDM: ..............................................................................32
1.3.4. Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM: ........................................................32
1.4. Các mô hình hệ thống thông tin không dây: ......................................................33
1.4.1. Hệ thống SISO: ...............................................................................................34
1.4.2. Hệ thống SIMO:..............................................................................................34
1.4.3. Hệ thống MISO:..............................................................................................35
1.4.4. Hệ thống MIMO:.............................................................................................35
1.5. Kết luận chương: ................................................................................................36
CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO..................................37
Trang 2


Mục lục

2.1. OFDM: ...............................................................................................................37
2.1.1. Sự phát triển của OFDM:................................................................................37
2.1.2. Nguyên lý kỹ thuật OFDM: ............................................................................40
2.1.2.1. Sóng mang trực giao: ...................................................................................40
2.1.2.2. Mô hình hệ thống OFDM: ...........................................................................41
2.2. Hệ thống MIMO:................................................................................................52
2.2.1. Kênh MIMO:...................................................................................................52

2.2.2. Các kỹ thuật phân tập tín hiệu:........................................................................54
2.2.2.1. Phân tập tần số: ............................................................................................55
2.2.2.2. Phân tập thời gian:........................................................................................55
2.2.2.3. Phân tập không gian:....................................................................................57
2.2.2.4. Các độ lợi trong hệ thống MIMO[19]:.........................................................58
2.2.3.Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO: ......................................................59
2.2.4. Mã hóa không gian - Thời gian STC: .............................................................63
2.2.4.1. Mã hóa không gian - Thời gian khối STB: ..................................................64
2.2.4.2. Mã hóa không gian - Thời gian lưới STTC: ................................................66
2.2.4.3. Mã hóa không gian - Thời gian lớp BLAST:...............................................69
2.5. Kết luận chương: ................................................................................................69
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG
TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO .............................................................70
3.1. Hệ thống MIMO–OFDM: ..................................................................................71
3.1.1. Mô hình hệ thống MIMO–OFDM: .................................................................71
3.1.1.1. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti:...............................................73
3.1.1.2. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST:.............................................77
3.1.2. Dung lượng của hệ thống MIMO–OFDM: .....................................................80
3.2. Hệ thống MIMO-OFDMA:................................................................................81
3.2.1. Công nghệ đa truy nhập OFDMA:..................................................................81
3.2.1.1. Khái niệm:....................................................................................................82
3.2.1.2. Đặc điểm: .....................................................................................................82
Trang 3


Mục lục

3.2.1.3. OFDMA nhảy tần:........................................................................................84
3.2.2. Hệ thống OFDMA: .........................................................................................85
3.3. Ứng dụng MIMO-OFDMA trong thông tin di động tế bào:..............................86

3.3.1.Ứng dụng trong 4G LTE:.................................................................................86
3.3.2. Hệ thống MCMC-CDMA: ..............................................................................91
3.4. Kết luận chương: ................................................................................................92
CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG MIMO-OFDMA BẰNG
MATLAB ..................................................................................................................93
4.1. Hệ thống thu phát SC-FDMA: ...........................................................................94
4.2. Mô phỏng hệ thống SCFDMA 10 user trong các trường hợp: cố định, di chuyển
chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe): ...................................................................101
4.3. So sánh hệ thống SC-FDMA và MCMC-CDMA:...........................................103
4.4. Kết luận chương: ..............................................................................................105
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.......................................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................107

Trang 4


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Từ viết tắt

Ý nghĩa tiếng việt

3GPP

3rd Generation Partnership Project

Dự án đối tác thế hệ thứ 3

ACF

Auto Correclation Function

Hàm tự tương quan

ADC

Analog-to-digital converter

Chuyển đổi tương tự-số
Hệ thống điện thoại di động

AMPS

Advance Mobile Phone System

tiên tiến
Kênh truyền có nhiễu trắng

AWGN

Addictive White Gaussian Noise

cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ bit lỗi

Bell-Laboratories Layered Space-Time
BLAST

Code

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

BS

Base Station

Trạm gốc
Đa truy nhập phân chia theo

CDMA

Code Division Multiplexing Access

mã

CP

Cylic Prefix

Tiền tố lặp

Diagonal-Bell-Laboratories Layered
D-BLAST

Space-Time Code

DAC

Digital-to-analog converter

Chuyển đổi số- tương tự

IS-136-Digital Advance Mobile Phone
D-AMPS

System

DFT

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc

Frequency Division Multiplexing

Đa truy nhập phân chia theo

FDMA

Access

tần số

FEC

Forward Error Correction

Mã hóa sửa sai trước
Thuật toán biến đổi Fourier

FFT

nhanh

Fast Fourier Transform
Trang 5


Danh mục từ viết tắt

Global System for Mobile
GSM

Communications

ICI

Inter Carrier Interference

Nhiễu xuyên kênh
Phép biến đổi Fourier rời rạc

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

ngược

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

FFT ngược

IP

Internet Protocol

ISI

InterSymbol Interference

LTE

Long Term Evolution

MAI

Multi access Interfearence

MC

Multicarrier Communication

MCMC-

Multicode Multicarrier Code Division

CDMA

Mutiple Access

MIMO

Multiple Input Muliple Output

Đa đầu vào đa đầu ra

MISO

Multiple Input single Output

Đa đầu vào một đầu ra

MS

Mobile Station

Trạm di động

Nhiễu xuyên ký tự
Nhiễu đa truy cập

Không nằm trong tầm nhìn
NLOS
OFDM
OFDMA

Non Light Of Sight

thẳng

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo

Multiplexing

tần số trực giao

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập theo tần số trực

Multiplexing Access

giao
Tỉ số công suất tương đối cực

PAPR

Peak- to-Average Power Ratio

PDC

Personal Digital Cellular

QAM

Quadrature Amplitute Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying
Single Carrier Frequency Division

SC-FDMA

Multiple Access
Trang 6

đại

Điều chế cầu phương


Danh mục từ viết tắt

SIMO

Single Input Multiple Output

Một đâu vào đa đầu ra

SISO

Single Input Single Output

Một đầu vào một đầu ra

SNR

Signal to noise

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Mã khối không gian-thời

STBC

Space-Time Block Code

gian

Space-Time Maximum Likelihood
STMLD

Decoder

STTC

Space-Time Trellis Code

TACS

Total Access Communication System
Đa truy nhập phân chia theo

TDMA

Time Division Multiplexing Access
Vertical-Bell-Laboratories Layered

V-BLAST

Space-Time
Wideband Code Division Multiple

WCDMA

Access
Wide Sense Stationary Uncorrelated

WSSUS

Scatter

Trang 7

thời gian


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng...................................20
Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian............................21
Hình 1.3: Đáp ứng tần số của kênh truyền................................................................22
Hình 1.4: Tín hiệu tới phía thu theo L đường ...........................................................23
Hình 1.5: Kênh truyền thay đổi theo thời gian..........................................................26
Hình 1.6: Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean ................................................30
Hình 1.7: Các phương thức ghép kênh .....................................................................31
Hình 1.8: Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di động.................33
Hình 1.9: Phân loại hệ thống thông tin không dây....................................................34
Hình 2.1: FDM truyền thống.....................................................................................37
Hình 2.2: Hệ thống thông tin đa sóng mang .............................................................38
Hình 2.3: Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM ....................................39
Hình 2.4: Ba tín hiệu sin trực giao ............................................................................40
Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống OFDM......................................................................41
Hình 2.6: Bộ S/P và P/S ............................................................................................42
Hình 2.7: Bộ Mapper và Demapper ..........................................................................43
Hình 2.8: Bit và Symbol............................................................................................43
Hình 2.9: Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK .......................................................44
Hình 2.10: Sơ đồ điều chế và giải điều chế DPSK ...................................................45
Hình 2.11: Giản đồ chòm sao QAM .........................................................................46
Hình 2.12: Bộ IFFT và FFT ......................................................................................46
Hình 2.13: Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal .......................47
Hình 2.14: Bộ A/D và D/A .......................................................................................49
Hình 2.15: Bộ Up-Converter và Down-Converter....................................................50

Hình 2.16: Bộ Equalizer miền tần số ........................................................................52
Hình 2.17: Mô hình trực quan của một hệ thống MIMO[2] .....................................53
Hình 2.18: Mô hình kênh MIMO vô tuyến [2] .........................................................53
Trang 8


Danh mục hình vẽ

Hình 2.19: Phân tập theo thời gian............................................................................56
Hình 2.20: Các phương pháp phân tập......................................................................57
Hình 2.21: Kỹ thuật Beamforming ...........................................................................58
Hình 2.22: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền ......................................58
Hình 2.23: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR ................................................59
Hình 2.24: Mô hình tương đương của kênh truyền SISO [2] ...................................60
Hình 2.25: Mô hình tương đương của kênh truyền MISO [2]..................................60
Hình 2.26: Mô hình tương đương của kênh truyền SIMO [2]..................................61
Hình 2.27: Dung lượng kênh MIMO pha đinh Rayleigh [2] ....................................63
Hình 2.28: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu [7] .....................................64
Hình 2.29: Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti [7]..................................65
Hình 2.30: Sơ đồ mã lưới..........................................................................................67
Hình 2.31: Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 ............................................................68
Hình 2.32: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 ...........................68
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO –OFDM [16]................................................71
Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ phát OFDM [16] ................................................................71
Hình 3.3: Sơ đồ khối bộ thu OFDM [16]..................................................................72
Hình 3.4: Ma trận kênh truyền [7] ............................................................................73
Hình 3.5: Máy phát MIMO–OFDM Alamouti [2]....................................................73
Hình 3.6: Máy thu MIMO - OFDM Alamouti [2] ....................................................74
Hình 3.7: Máy phát MIMO -OFDM VBLAST [15].................................................77
Hình 3.8: Máy thu MIMO-OFDM VBLAST [15]....................................................80

Hình 3.9: OFDM và OFDMA [9] .............................................................................83
Hình 3.10: Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA [9] ..............................83
Hình 3.11: Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước
nhảy với 4 khe thời gian [9] ......................................................................................84
Hình 3.12: 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau [9] .....................85
Hình 3.13: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA [9]..............................................85
Hình 3.14: Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA [9] ...........................................86
Trang 9


Danh mục hình vẽ

Hình 3.15: Kế hoạch đa truy nhập/ ghép kênh người dùng ......................................87
Hình 3.16: Phân chia ghép kênh người dùng ............................................................87
Hình 3.17: Kế hoạch truyền Broadcast .....................................................................88
Hình 3.18: Truyền broadcast và Unicast...................................................................89
Hình 3.19: Sơ đồ khối DFT-s-OFDM.......................................................................90
Hình 3.20: Phương pháp phân phối sóng mang con cho nhiều thuê bao..................91
Hình 4.1: Giao diện mô phỏng..................................................................................93
Hình 4.2: Mô phỏng hệ thống thu phát SC-FDMA ..................................................94
Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống SC-FDMA........................................................................95
Hình 4.4: Tín hiệu phát tại A ....................................................................................96
Hình 4.5: Tín hiệu tại B.............................................................................................97
Hình 4.6: Tín hiệu tại C.............................................................................................97
Hình 4.7: Tín hiệu tại D ............................................................................................98
Hình 4.8: Tín hiệu tại E.............................................................................................98
Hình 4.9: Tín hiệu tại F .............................................................................................99
Hình 4.10: Tín hiệu tại G ..........................................................................................99
Hình 4.11: Tín hiệu tại H ........................................................................................100
Hình 4.12: Tín hiệu tại I..........................................................................................100

Hình 4.13: Tín hiệu tại K ........................................................................................101
Hình 4.14: Tín hiệu thu tại L...................................................................................101
Hình 4.15: So sánh hiệu suất hệ thống khi thuê bao thay đổi trạng thái.................102
Hình 4.16: Kết quả mô phỏng .................................................................................102
Hình 4.17: So sánh SC-FDMA với MCMC-CDMA ..............................................103
Hình 4.18: Kết quả so sánh SC-FDMA và MCMC-CDMA với M=16..................104
Hình 4.19: Kết quả so sánh SC-FDMA và MCMC-CDMA với M=64..................104

Trang 10


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng. Các hệ
thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng
băng thông hiệu quả hơn, khả năng chống nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền
thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các
yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai. Một trong những giải pháp được đưa ra là
sự kết hợp giữa hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM.
Nhu cầu về thông tin di động có xu hướng tăng rất nhanh cả về số lượng và
chất lượng, vì cuộc sống của con người ngày càng bận rộn, phạm vi di chuyển rộng
hơn. Con người ngày càng đòi hỏi khắt khe hơn, đó là vừa đa dạng về dịch vụ như
thoại hay data, vừa đòi hỏi băng thông rộng, tốc độ nhanh phục vụ cho nhu cầu
công việc, học tập và giải trí… Hệ thống thông tin di động tế bào ra đời là một bước
đột phá của loài người, nhưng từ đó công nghệ không ngừng thay đổi, cải tiến để
đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Vòng đời công nghệ ngày càng được
rút ngắn. Trong khi đó, sự giới hạn về phổ tần số như đang chống lại trào lưu trên,
không đủ khả năng để đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn của con người. Song
song với việc thương mại hóa dịch vụ thông tin di động thế hệ thứ 3(3G), hệ thống

thông tin di động thế hệ thứ 4(4G) đã và đang được nghiên cứu hoàn thiện, và đang
trong quá trình thử nghiệm, tiến tới thương mại hóa cung cấp dịch vụ trên diện rộng.
Các chuẩn 4G và các bộ tiêu chuẩn 3G(3GPP và 3GPP2) đều chỉ ra công
nghệ đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA là lựa chọn tối ưu cho việc
truy nhập vô tuyến lớp vật lý với hai ưu điểm chính là nâng cao hiệu quả sử dụng
phổ tần và tránh nhiễu phân tập đa đường. Một ưu điểm nổi bật khác của OFDMA
là khả năng kết hợp với kỹ thuật xử lý tín hiệu nhiều anten phát và anten thu
(MIMO), cho phép cải thiện dung lượng của hệ thống. Sự kết hợp của hai kỹ thuật
này đã và đang dành được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và được đánh
giá là xu hướng chủ đạo cho các hệ thống dữ liệu tốc độ cao trong tương lai.

Trang 11


Lời nói đầu

Đó chính là lý do vì sao em chọn đề tài này sau một thời gian dài học tập và
nghiên cứu dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn
Đức.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS Nguyễn Văn Đức đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian vừa qua.
Hà Nội, tháng 9 năm 2011
Học viên

Ngô Văn Túc

Trang 12


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT CƠ SỞ
1.1. Tình hình hệ thống thông tin di động hiện tại:
1.1.1. Thế hệ 1G (First Generation):
Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy
nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:
-

Phương thức truy nhập: FDMA.

-

Dịch vụ đơn thuần là thoại.

-

Chất lượng thấp.

-

Bảo mật kém.

Một số hệ thống điển hình:
-

NMT (Nordic Mobile Telephone): sử dụng băng tần 450Mhz, triển khai tại

các nước Bắc Âu vào năm 1981.
-

TACS (Total Access Communication System): triển khai ở Anh vào năm

1985.
-

AMPS (Advance Mobile Phone System): triển khai tại Bắc Mỹ vào năm

1978 tại băng tần 800Mhz.
1.1.2. Thế hệ 2G (Second Generation):
Hệ thống mạng 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số
(digital circuit-switched). Kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn 1G với các đặc điểm sau:
-

Dung lượng tăng.

-

Chất lượng thoại tốt hơn.

-

Hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data).

-

Phương thức truy nhập: TDMA, CDMA băng hẹp.
Một số hệ thống điển hình:

-

GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cập

TDMA được triển khai tại châu Âu.
-

D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng phương

thức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ.
Trang 13


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

-

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.
1.1.3. Thế hệ 3G (Third Generation):
Đây là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép
truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình
ảnh…). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ
thống 3G yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn khác so với hệ thống 2G
hiện nay. 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. Có một loạt các chuẩn công
nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn
TDD), CDMA2000 và TD-SCDMA:
-

UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập

WCDMA. UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được lựa
chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu
tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps). Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps
thôi. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA 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 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 (đường lên) và cải tiến QoS. Kỹ thuật này cho
Trang 14


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps (lý thuyết). 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:

Bao

gồm

CDMA2000

1xRTT

(Radio

Transmission

Technology), CDMA2000 (Evolution-Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV
(Evolution-Data and Voice).
-

CDMA2000 1xRTT: Chính thức được công nhận như là một công nghệ 3G,

tuy nhiên nhiều người xem nó như là một công nghệ 2,75G đúng hơn là 3G. Tốc độ
của 1xRTT có thể đạt đến 307Kbps, song hầu hết các mạng đã triển khai chỉ giới
hạn tốc độ đỉnh là 144Kbps.

-

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 đường xuống và 153Kbps cho đường lên.
1xEV-DO Rev A hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến 3,1Mbps
và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2Mbps. Bên cạnh đó, 1xEV-DO Rev
B cho phép nhà cung cấp mạng gộp đến 15 kênh 1,25MHz lại để truyền dữ liệu với
tốc độ 73,5Mbps.
-

CDMA2000 EV-DV: Tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh

1,25MHz. CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ đến 4,8Mbps cho đường xuống và
đến 307Kbps 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.
-

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. TD-SCDMA có thể hoạt động
trên một dải tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps).
Ngày xuất hành của TD-SCDMA đã bị đẩy lùi nhiều lần. Nhiều thử nghiệm về công
nghệ này đã diễn ra từ đầu năm 2004 cũng như trong thế vận hội Olympic gần đây.

Trang 15

Chương 1: Lý thuyết cơ sở

1.1.4. Công nghệ 4G:
Nhu cầu đối với các hệ thống sau 3G
Khi nhìn vào tương lai, câu hỏi chính đặt ra cho các nhà cung cấp thiết bị
mạng là khi nào và tại sao người dùng cần đến các mạng không dây sau 3G. Mười
mấy năm trước, điện thoại là ứng dụng đầu tiên được di động hóa. Vài năm sau thì
SMS trở thành ứng dụng truyền dữ liệu di động đầu tiên vào được thị trường đại
chúng. Đến nay thì những mạng điện thoại di động đơn giản nhất cũng có khả năng
truyền SMS do bởi yêu cầu thấp về băng thông của nó. Có thể xem SMS chính là
dịch vụ tiên phong của những dịch vụ truyền dữ liệu khác như e-mail di động, duyệt
Web di động và nhiều dịch vụ khác nữa. Những ứng dụng như vậy trở thành hiện
thực nhờ sự xuất hiện các mạng không dây truyền các gói dữ liệu theo giao thức IP.
Đến nay thì dung lượng các mạng 3G và 3.5G vẫn đủ cho yêu cầu về băng thông
của các ứng dụng này và số lượng người dùng hiện có. Nhưng đã có thể thấy trong
tương lai không xa, một số xu hướng sẽ làm tăng yêu cầu về băng thông :
-

Mức độ sử dụng mạng không dây ngày càng tăng: Do giá thành ngày càng

hạ, ngày càng có nhiều người sử dụng các ứng dụng không dây cần truy cập
internet.
-

Nội dung đa phương tiện: Tuy những nỗ lực đầu tiên di động hóa Web chỉ

đạt được các trang Web chủ yếu là văn bản, nhưng nội dung đồ họa ngày càng trở
nên phổ biến hơn. Một hình ảnh có thể nói thay cho hàng ngàn từ ngữ, nhưng nó
cũng làm tăng lượng dữ liệu cần được truyền đi cho mỗi trang Web. Việc tải xuống
âm nhạc và phim ảnh cũng đang trở nên phổ biến hơn, làm tăng hơn nữa yêu cầu về

băng thông.
-

Các mạng xã hội di động: Tương tự như trong Internet đường dây cố định, có

một dòng ứng dụng mới đang thay đổi cách thức con người sử dụng Internet. Trong
quá khứ, người dùng chủ yếu chỉ tiêu thụ nội dung. Ngày nay thì các blog, các
website chia sẻ hình ảnh và các cổng truyền tải phim đang định hình lại Internet, bởi
vì người dùng không chỉ tiêu thụ nội dung nữa mà nay đã dùng mạng để chia sẻ
những ý tưởng, hình ảnh và phim ảnh của họ với người khác.
Trang 16


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

-

Voice over IP: Thế giới thoại đường dây cố định đang nhanh chóng chuyển

sang hướng VoIP. Nhiều khả năng là chỉ khoảng năm năm nữa, nhiều mạng thoại
đường dây cố định hiện nay sẽ chuyển hoàn toàn sang truyền thoại dựa trên IP.
Tương tự như vậy, về phương diện truy cập mạng, nhiều người dùng sẽ sử dụng
VoIP như dịch vụ thoại chính của họ. Hiện nay có thể thấy những động thái chuyển
dịch này rồi, bởi vì thị trường thoại chuyển mạch kênh đang chịu áp lực ngày càng
tăng do sự sụt giảm số lượng thuê bao và lưu lượng. Kết quả là, nhiều nhà cung cấp
dịch vụ thoại đường dây cố định không còn đầu tư vào công nghệ chuyển mạch
kênh nữa. Có thể quan sát thấy một xu hướng tương tự trong các mạng không dây.
Tuy nhiên, sự dịch chuyển ở đây chậm hơn nhiều, đặc biệt là do yêu cầu về băng
thông cao hơn để truyền các cuộc thoại qua một đường truyền chuyển mạch gói.
-

Sự thay thế cho đường dây cố định: Trong khi lượng thông thoại ngày càng

tăng thì doanh thu ngày càng giảm ở các mạng đường dây cố định lẫn không dây do
cước thuê bao ngày càng giảm. Vì vậy, ở nhiều nước, các nhà cung cấp dịch vụ
không dây đang cố gắng giữ hoặc tăng doanh thu bình quân trên mỗi thuê bao bằng
cách chào mời khả năng truy cập Internet cho máy PC, máy tính xách tay và các
thiết bị di động trên các mạng UMTS/HSDPA hoặc CDMA của họ. Như vậy là họ
bắt đầu cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ DSL và cáp. Muốn cạnh
tranh thành công, họ cũng phải tăng thêm băng thông trên mạng của mình.
Sự cạnh tranh từ những nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây khác: ở một
số nước, các nhà cung cấp dịch vụ khác đã và đang chào mời khả năng truy cập
Internet không dây broadband bằng các mạng Wifi hoặc Wimax/802.16. Những nhà
cung cấp như thế cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ UMTS và
CDMA truyền thống vẫn đang hoạt động trong thị trường này.
Một số công nghệ không dây hiện đang được xây dựng hoặc đang trong giai
đoạn triển khai ban đầu, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu tương lai này: LTE của
3GPP, HSPA+ và Wimax. Câu hỏi đặt ra là trong bối cảnh như vậy, những công
nghệ nào là 3G hiện nay, và công nghệ nào được xem là 4G trong tương lai ?
Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng
Trang 17


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những
công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế
(ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia
thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE
là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống

tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ
ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền
dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên
WCDMA.
3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đa
phương tiện với tốc độ trên 100Mb/s khi di chuyển ở tốc độ 3km/h, và đạt 30Mb/s
khi di chuyển ở tốc độ cao 120km/h. Tốc độ này nhanh hơn gấp 7 lần so với tốc độ
truyền dữ liệu của công nghệ HSDPA (truy nhập gói dữ liệu tốc độ cao). Do công
nghệ này cho phép sử dụng các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trong khi di
chuyển ở bất kỳ tốc độ nào nên nó có thể hỗ trợ sử dụng các dịch vụ nội dung có
dung lượng lớn với độ phân giải cao ở cả điện thoại di động, máy tính bỏ túi PDA,
điện thoại thông minh...
Ưu điểm nổi bật:
-

Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mbps và trên kênh

đường lên có thể đạt 50 Mbps.
-

Tăng tốc độ truyền trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển.

-

Sẽ không còn chuyển mạch kênh. Tất cả sẽ dựa trên IP. VoIP sẽ dùng cho

dich vụ thoại.
-

Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng

3GPP LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại. Điều
này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3GPP LTE vì không cần
thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có.
-

OFDMA và MIMO được sử dụng trong 3G LTE thay vì CDMA như trong

3G.
Trang 18


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

1.2. Các vấn đề cơ bản của kênh vô tuyến:
1.2.1. Suy hao đường truyền:
Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về
mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt
đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm
ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô
tuyến sẽ được phát đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu).
Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở
rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào
một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện
tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương
khoảng cách. Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua một
khoảng cách R
⎛ λ ⎞
PR = PT GT G R ⎜
⎟

⎝ 4πR ⎠

Trong đó

2

(1.1)

PR : Công suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
G R : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)
GT : Độ lợi anten phát

λ

: bước sóng của sóng mang

Hoặc có thể viết lại là:
2

2

PT ⎛ 4πR ⎞ 1 1 ⎛ 4π ⎞ 2 2 1 1
=⎜
=⎜ ⎟ R f
⎟
PR ⎝ λ ⎠ GT GR ⎝ c ⎠
GT G R

(1.2)

Gọi là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
L pt ( dB ) = PT ( dB ) − PR ( dB )

= −10 log10 GT − 10 log10 GR + 20 log10 f + 20 log10 R − 47.6dB

(1.3)

Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho
các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản) như các
Trang 19


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các
tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi
trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn
hơn. Ví dụ đối với nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện
về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường
truyền như sau:
L pt = −10 log 10 GT − 10 log 10 G R − 20 log 10 hBS − 20 log 10 hMS − 40 log 10 R

(1.4)

Với hBS , hMS << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của
trạm di động MS (Mobile Station).
1.2.2. Hiện tượng Multipath-Fading:
Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào
các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên … và

gây ra các hiên tượng sau:

a) Hiện tượng phản xạ

b) Hiện tượng tán xạ

c) Hiên tượng nhiễu xạ

Hình 1.1: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng
-

Phản xạ (reflection): Khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng(hình 1.1a).

-

Tán xạ (scattering): Khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và

các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng (hình 1.1b).
-

Nhiễu xạ (diffraction): Khi sóng chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn

nhiều chiều dài bước sóng (hình 1.1c).
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số
bản sao này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật
Trang 20


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên thời điểm các bản sao này tới
máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các thành phần này khác nhau.
-

Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này

là khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ
và pha của các bản sao.
-

Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha.

-

Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.
Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc

tần số hay kênh truyền phẳng, kênh truyền biến đổi nhanh hay biến đổi chậm. Tùy
theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm
phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Rice

Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian
Hình 1.2 mô tả đáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời
gian, khi ta lần lượt phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời điểm khác
nhau, tín hiệu thu được có hình dạng khác xung ban đầu và khác nhau khi thời điểm
xung kích thích khác nhau.
Trang 21

Chương 1: Lý thuyết cơ sở

1.2.3. Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng:
Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau,
không bằng phẳng trong một dải tần số, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi
qua kênh truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là
chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi. Nếu
trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói
kênh truyền không chọn lọc tần số, hay kênh truyền phẳng; ngược lại nếu đáp ứng
tần số của kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta
nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số. Mọi kênh truyền vô tuyến đều
không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền
có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó.

Hình 1.3: Đáp ứng tần số của kênh truyền
Hình 1.3 cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có
băng thông lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng thông
nhỏ khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng.
Trên đây chúng ta đã mô tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác định
thông số của kênh truyền.

Trang 22


Chương 1: Lý thuyết cơ sở

Hình 1.4: Tín hiệu tới phía thu theo L đường
Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình
1.4 (chưa tính đến nhiễu) có dạng

y (t ) =

L

∑α
i =1

Với

i

x (t − τ i )

(1.5)

α i = α i (t )∠φi (t ) : hệ số suy hao biên độ và xoay pha

τ i = τ i (t ) : thời gian trễ có giá trị thực
Tổng quát tín hiệu tơi máy thu có dạng sau:
+∞

y (t ) =

∫ x(t − τ ).h(t,τ )dτ = x(t ) * h(t,τ )

(1.6)

−∞

Với h ( t , τ ) là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian của kênh truyền.

L

h(t ,τ ) = ∑ α i (t ).δ [τ − τ i (t )]
i =1

(1.7)

Từ (1.7) ta có đáp ứng hàm truyền thay đổi theo thời gian.
+∞

H (t , f ) = ∫ h(t ,τ )e − j 2πfτ dτ
−∞

Trang 23

(1.8)