Nghiên cứu và thiết kế các phương pháp mã hóa kênh cho mạng di động 4g

1

MỤC LỤC

1

MỤC LỤC .......................................................................................................... i

2

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. iii

3

DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. vi

4

MỞ ĐẦU..............................................................................................................1

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG .....................................................3
1.1

Sự phát triển của mạng di động .....................................................................3

1.2

Mục tiêu nâng cấp mạng di động ...............................................................6

1.2.1 Tốc độ dữ liệu cao trong môi trường nhiễu giới hạn .................................. 8
1.2.2 Tốc độ dữ liệu cao trong môi trường nhiễu giao thoa giới hạn ................ 10

1.2.3 Tốc độ dữ liệu cao với băng thông giới hạn sử dụng điều chế mức cao .. 11
1.2.4 Điều chế mức cao sử dụng kết hợp mã hóa kênh ..................................... 12
1.2.5 Sử dụng băng thông rộng hơn với kỹ thuật đa sóng mang ....................... 13
1.3
2

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM ................15

CHƢƠNG 2: MÃ HÓA KÊNH .......................................................................18
2.1

Tổng quan về kĩ thuật mã hóa kênh ........................................................18

2.2

Mã chập ......................................................................................................19

2.2.1 Giới thiệu chung ....................................................................................... 19
2.2.2

chập trong TE-4G ............................................................................ 21

2.2.3 Giải mã chập ............................................................................................. 25
2.3

Mã hóa Turbo ............................................................................................37

2.3.1 Giới thiệu về mã Turbo ............................................................................ 37
2.3.2 Mã hóa Turbo trong LTE ......................................................................... 38
2.3.3 Bộ trộn ...................................................................................................... 40

2.3.4 Tổng quan về các thuật toán giải mã ........................................................ 42
2.3.5 Giải thuật MAP ......................................................................................... 44
3 CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT MÃ HÓA PHÂN TẬP KHÔNG GIAN TRONG
HỆ THỐNG MIMO ................................................................................................50
3.1

Tổng quan về kỹ thuật phân tập ..............................................................50
i


3.2

Phân tập không gian ..................................................................................51

3.3

Mô hình hệ thống MIMO..........................................................................53

3.3.1 Mã hóa STBC ........................................................................................... 54
3.3.2 Mã hóa SFBC ........................................................................................... 56
3.3.3 Mã hóa VBLAST...................................................................................... 57
4

CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN ..................................................59
4.1

Giới thiệu về mô hình kênh truyền ..........................................................60

4.1.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường ......................................................... 60
4.1.2 Mô hình truyền thông tin .......................................................................... 62

4.2

Mô hình kênh SCM ...................................................................................65

4.2.1 Tổng quan mô hình kênh SCM ................................................................ 65
4.2.2 Tham số môi trường Suburban Macrocell ................................................ 67
4.2.3 Hệ số kênh ................................................................................................ 70
4.2.4 Các hàm tương quan ................................................................................. 71
5

6

CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ..........................................................73
5.1

Giới thiệu chung.........................................................................................73

5.2

Th m số m phỏng ....................................................................................76

5.3

Kết quả mô phòng......................................................................................77

KẾT LUẬN .......................................................................................................81

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................82

ii

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các
kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa
học của PSG.TS Nguyễn Văn Đức, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu của
tác giả khác. Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài
liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các Tài liệu tham khảo

LÊ THỊ THOA

iii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
A
AoA

:

Angle of Arrival

AoD

:

Angle of Departure

BER

:

Bit Error Rate

BS

:

Base Station

:

Cyclic Redundancy Check

:

Discrete Fourier Transform

:

Enhance NodeB

FDM

:

Frequency Division Multiplexing

FFT

:

Fast Fourier Transform

IDFT

:

Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT

:

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

:

Inter-Symbol Interference

:

Long Term Evolution

MAC

:

Media Access Control

MAP

:

Maximum a-posteriori Probability

MIMO

:

Multi Input Multi Output

MISO

:

Multi Input Single Output

MS

:

Mobile station

B

C
CRC
D
DFT
E
EnB
F

I

L
LTE
M

iv


O
OFDM

::

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

P
PDSCH

:

Physical Downlink Shared Channel

PCCC

:

Paralled Concatenated Convolutional Coding

QAM

:

Quadrature amplitude modulation

QPSK

:

Quadrature Phase Shift Keying

RS

:

Reference signal

RCS

:

Recursive systematic convolutional encoders

SCM

:

Spatial Channel Model

SER

:

Symbol Error Ratio

SFBC

:

Space Frequency Block Coding

SIMO

:

Single Input Multi Output

SISO

:

Single Input Single Input

SNR

:

Signal Noise Ratio

STBC

:

Space Time Block Coding

Wifi

:

Wireless Fidelity

Wimax

:

Worldwide Interporability For Microware Access

Q

R

S

W

v


3 DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Mã hóa kênh được sử dụng cho các kênh dữ liệu LTE .............................19
Bảng 2.2 Mã hóa kênh được sử dụng cho kênh điều khiển.......................................19
Bảng 2.3 Giá trị bảng trạng thái của bộ mã chập ....................................................24
Bảng 2.4 Sự phụ thuộc của f1, f2 vào K [3] ..............................................................40
Bảng 4.1 Tham số môi trường Suburban Macrocell[5] ...........................................67
Bảng 4.2 Góc lệch AoD và AoA của các tuyến con[5] .............................................69
Bảng 5.1 Các tham số mô phỏng của hệ thống .........................................................76

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tỉ lệ yêu cầu nhỏ nhất E0/Nb nhỏ nhất tại máy thu[2] .................................8
Hình 1.2 Chòm sao điều chế QPSK(a), 16-QAM(b) và 64QAM(c)[2] ....................12
Hình 1.3 Hệ thống OFDM với nguyên lý trực giao ..................................................16
Hình 1.4 Nguyên lý trực giao ....................................................................................17
Hình 2.1: Ví dụ về mã chập với tốc độ mã R=1/2 và K = 3 .....................................20
Hình 2.2 Sơ đồ cụ thể của khối của mã chập có tốc độ mã R = 1/2 và K = 3 ..........20
Hình 2.3 Sơ đồ bộ mã hóa chập trong LTE[4] .........................................................21
Hình 2.4 Ví dụ về mã chập trong LTE-4G với tốc độ mã R=1/3 và k=7 .................22
Hình 2.5 Khởi tạo giá trị cho thanh ghi trạng thái ....................................................22
Hình 2.6 Quá trình làm việc của một bộ mã chập có R = 1/3, K =7.........................23

Hình 2.7 Giản đồ lưới của bộ mã chập với tốc độ mã R=1/2 và K = 3 ....................25
Hình 2.8 Viterbi Decoding tại t =0 ...........................................................................27
Hình 2.9 Viterbi Decoding tại t =1 ...........................................................................28
Hình 2.10 Viterbi Decoding tại t =2 .........................................................................29
Hình 2.11 Viterbi Decoding tại t =3 .........................................................................30
Hình 2.12 Viterbi Decoding tại t =3, sau khi loại bỏ Hmax .....................................30
Hình 2.13 Viterbi Decoding tại t =4 .........................................................................31
Hình 2.14 Viterbi Decoding tại t =5 .........................................................................32
Hình 2.15 Viterbi Decoding tại t =6 .........................................................................33
Hình 2.16 Viterbi Decoding tại t =7 .........................................................................34
Hình 2.17 Bộ m hóa Turbo cơ bản .........................................................................37
Hình 2.18 Mã hóa Turbo trong LTE .........................................................................39
Hình 2.19: Sơ đồ bộ giả m Turbo đơn giản[9] ........................................................42
Hình 2.20: Hai phương pháp chính để giải mã Turbo ..............................................44
Hình 2.21 Các trạng thái có thể có của chuyển dịch trạng thái trong bộ RSC có k=3
...................................................................................................................................46
Hình 2.22 Giải mã MAP sử dụng sơ đồ lưới ............................................................47
Hình 2.23 Chia các trạng thái thành 3 đoạn ..............................................................49
Hình 3.1 Phân loại hệ thống thông tin không dây .....................................................53
Hình 3.2 Ánh xạ tún hiệu trong STBC......................................................................54
Hình 3.3 Ánh xạ tín hiệu trong SFBC .......................................................................56
Hình 3.4 Ánh xạ tín hiệu trong mã hóa V-BLAST ...................................................58
Hình 4.1 Mô hình phản xạ trong truyền dẫn phân tập đa đường ..............................60
Hình 4.2 Mô hình truyền dẫn đa đường trong thực tế...............................................61
Hình 4.4 Mô hình truyền tín hiệu ..............................................................................64
vii


Hình 4.5 Mô hình kênh SCM[3] ...............................................................................66
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống mô phỏng ..........................................................................73

Hình 5.2 Ảnh hưởng của số lần giải mã lặp đến hiệu năng m Turbo .....................77
Hình 5.3 Ảnh hưởng của mức điều chế đến tỉ lệ lỗi bít ............................................77
Hình 5.4 So sánh khả năng sửa lỗi của mã Turbo và mã xoắn khi sử dụng mã hóa
MIMO SFBC .............................................................................................................78
Hình 5.5 So sánh khả năng sửa lỗi của mã Turbo và mã xoắn khi sử dụng mã hóa
MIMO VBLAST .......................................................................................................79
Hình 5.6 So sánh sự kết hợp giữa mã hóa MIMO và mã hóa kênh ..........................80

viii


4

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
uận văn “Nghiên cứu và thiết kế các phương pháp mã hóa kênh cho mạng
di động 4G” đề cập đến vấn đề nghiên cứu về lý thuyết kỹ thuật mã hóa kênh, đưa
ra các đặc điểm chi tiết của mã hóa kênh và ứng dụng của mã hóa kênh khi kết hợp
các phương pháp m hóa không gian thời gian nhằm nâng cao chất lượng kênh
truyền trong mạng di động 4G.
2. Mục đích nghiên cứu củ luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
2.1 Mục đích nghiên cứu củ luận văn
Nghiên cứu lý thuyết Mã hóa kênh, ứng dụng của Mã hóa kênh trong các hệ
thống thông tin di động 4G.
2.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
ý thuyết về Mã hóa kênh, ứng dụng của Mã hóa kênh trong các hệ thống
thông tin di động 4G.
3. Nội dung chính củ luận văn và đóng góp củ tác giả
 Chương 1: Tổng quan mạng di động

Chương này sẽ trình bày về quá trình hình thành và phát triển của mạng di
thông tin di động cũng như giải thích lý do và mục tiêu nâng cấp mạng di động.
 Chương 2: Mã hóa kênh
Hai phương pháp m hóa kênh là

hóa chập và Mã hóa Turbo sẽ được trình

bày trong chương này.
 Chương 3: Kỹ thuật mã hóa phân tập không gian – thời gian
Chương này sẽ giải thích rõ các khái niệm về hệ thống phân tập MIMO và các
loại mã sử dụng cho hệ thống phân tập này
 Chương 4: Mô hình kênh truyền
Chương này sẽ đưa ra mô hình kênh truyền SC , phân tích các đặc tính tương
quan của kênh để có thể áp dụng cho hệ thống MIMO với nhiều anten phát và nhiều
anten thu.
1


 Chương 5: Kết quả mô phỏng
Các giả thiết về các phương pháp m hóa kênh kết hợp với các phương pháp
mã hóa không gian thời gian sẽ được làm rõ trong chương này bằng các kết quả mô
phỏng từ Matlab. Cùng với đó là các nhận xét và đánh giá cho từng trường hợp để
lựa chọn được phương pháp tối ưu nhất.

2


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG
1.1 Sự phát triển của mạng di động
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 đ đưa ra nhiều hình thức liên
lạc ngày càng tiện nghi hơn, chất lượng tốt hơn.
Kể từ khi được hình thành và phát triển, mạng thông tin di động đ phát triển
qua các giai đoạn như sau:
Mạng thông tin di động 1G
Thuật ngữ thông tin di động tế bào (cellular network) ra đời vào những năm
1970, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đ giải được bài
toán khó về dung lượng. Tháng 12-1971, hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM, ở
dải tần số 850MHz được đưa ra.
Giai đoạn này gọi là hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên (1G) với
dải tầng hẹp, tất cả các hệ thống 1G sử dụng điều chế tần số F

cho đàm thoại,

điều chế dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) cho tín hiệu và kỹ thuật truy cập
theo tần số FD A (Frequency Division

ultiple Access) được sử dụng. Hệ thống

này sử dụng các anten thu phát sóng gắn đặt bên ngoài, truyền tín hiệu tương tự
(analog) tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các
module gắn bên trong máy di động.
Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá
to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu và phát tín hiệu. Tiêu biểu cho thế
hệ mạng di động 1G là các thiết bị thu phát tin hiệu analog to và khá kềnh càng.
Mạng thông tin di động 2G
Mạng di động thế hệ này sử dụng các tín hiệu số thay cho tín hiệu analog của
thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja trong năm
1991. Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một

thời gian dài:
3


 Mã hoá dữ liệu theo dạng số.
 Phạm vi kết nối rộng hơn 1G.
 Đưa vào dịch vụ tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS.
Các tín hiệu thoại sẽ được xử lý dưới dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều
gói mã thoại có thể được truyền trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và
chi phí. Hơn nữa, truyền nhận tín hiệu số trong thế hệ 2G yêu cầu ít năng lượng hơn
và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, thu nhỏ được diện tích bên trong thiết bị.
Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple Access)
và nền CDMA (Code Division Multiple Access) cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ
theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia:
 GSM (TDMA-based), áp dụng đầu tiên tại Phần an và sau đó trở thành
chuẩn phổ biến trên toàn 6 Châu lục. Và hiện nay vẫn đang được sử dụng bởi hơn
80% nhà cung cấp mạng di động toàn cầu.
 CDMA2000 – tần số 450

HZ cũng là nền tảng di động tương tự GSM

nói trên nhưng nó lại dựa trên nền CDMA và hiện cũng đang được cung cấp bởi 60
nhà mạng GSM trên toàn thế giới.
 IS-95 hay còn gọi là CDMAOne, (nền tảng CD A) được sử dụng rộng
rãi tại Hoa Kỳ và một số nước Châu Á và chiếm gần 17% các mạng toàn cầu.
 PDC (nền tảng TDMA) tại Nhật Bản.
 iDEN (nền tảng TDMA) sử dụng bởi Nextel tại Hoa Kỳ và Telus
Mobility tại Canada.
 IS-136 hay còn gọi là D-AMPS, (nền tảng TDMA) là chuẩn kết nối phổ
biến nhất tính đến thời điểm này và được cung cấp hầu hết tại các nước trên thế giới

cũng như Hoa Kỳ.
Mạng thông tin di động 3G
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...
4


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 đ bị chia thành 4 phần riêng biệt:
UMTS (W-CDMA)
 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) 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 dụng GSM, tập trung chủ
yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam). U TS được tiêu chuẩn
hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho
GSM, GPRS và EDGE.
CDMA 2000
 Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95. Các đề xuất
của CD A2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại
ỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc. CD A2000 được quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức
độc lập với 3GPP. CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbps tới trên 3
Mbps. Chuẩn này đ được chấp nhận bởi ITU.
TD-SCDMA
 Chuẩn được ít được biết đến hơn là TD-SCD A, được phát triển riêng tại
Trung Quốc.
Wideband CDMA
 Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbps và 2 Mbps. Giao thức này được dùng trong

một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbps. Khi nó dùng trong một mạng
cục bộ LAN, tốc độ tối đa chỉ là 1.8 Mbps. Chuẩn này cũng được công nhận bởi ITU.
Mạng thông tin di động 4G và các thế hệ tiếp theo LTE
Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Đây
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 Gbps. Các nghiên cứu đầu tiên
cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Gbps khi di chuyển và
tới 1 Gbps khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên

5


các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Và trong tương lai, mạng di động LTEAdvanced, 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 ti vi tốc độ cao, trải nghiệm
web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa từ
chính chiếc di động của mình.
1.2 Mục tiêu nâng cấp mạng di động
Mục tiêu chính của sự phát triển của thông tin di động là cung cấp truyền
thông dữ liệu tốc độ cao cho người sử dụng cuối. Hơn nữa, mạng di động thế hệ tiếp
theo phải hỗ trợ tốc độ cao cho cả người dùng ở vùng ven của cell. Phần này sẽ
trình bày tổng quan các khái niệm cơ bản về tốc độ dữ liệu trong các môi trường
khác nhau.
Định lý Shannon cho phép xác định tốc độ dữ liệu cao nhất (dung lượng
kênh truyền), mà thông tin có thể được truyền trên một kênh truyền nhất định. Đối
với trường hợp truyền dữ liệu trên kênh truyền chỉ chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng
Gaussian(AWGN), dung lượng kênh truyền C được xác định như sau[2]:

S

C  BW  log 2 1   ,

 N

(1.1)

Trong đó
 BW: Băng thông kênh truyền
 S: công suất tín hiệu thu được
 N: công suất nhiễu
Từ công thức (1.1), ta có thể thấy hai tham số ảnh hưởng đến tốc độ dữ liệu
là công suất tín hiệu thu, hay tổng quát hơn là tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu S/N và băng
thông kênh truyền.
Để xác định rõ hơn tại sao các tham số này lại hạn chế tốc độ dữ liệu kênh
truyền, ta giả sử tín hiệu được truyền trên kênh truyền với tốc độ truyền tin R, công
suất thu được sẽ được biểu diễn:

S  Eb  R

(1.2)
6


Trong đó:
 Eb: công suất thu được trên một bit thông tin.
Công suất nhiễu được tính như sau:

N  N0 * BW

(1.3)

Trong đó:

 N0: mật độ phổ công suất của nhiễu được tính theo (W/Hz).
Rõ ràng là tốc độ thông tin không thể vượt quá dung lượng kênh truyền nên ta có


E R 
 S
R  C  BW  log 2 1    BW  log 2 1  b

 N
 N0  BW 

(1.4)

Hay


  log 2 1   


Eb 

N0 

Với  là hệ số sử dụng băng thông  

(1.5)
R
BW

 Eb  2  1

Eb
 min   
N0

 N0 

Giá trị vế phải của biểu thức (1.6) là tỉ sổ

(1.6)
Eb
cần thiết nhỏ nhất ở máy thu
N0

để máy thu nhận tín hiệu với tốc độ thông tin như giả thiết trên.
Nếu hệ số sử dụng băng thông rất nhỏ so với 1, tốc độ thông tin sẽ nhỏ hơn
băng thông sử dụng, giá trị

Eb
cần thiết nhỏ nhất sẽ gần như thay đổi tương đương.
N0

Đối với cùng một mật độ công suất nhiễu, bất kì sự tăng nào của tốc độ thông tin
cũng cần một sự thay đổi tương tương của công suất tín hiệu S  R  Eb tại máy thu.

7


Hình 1.1 Tỉ lệ yêu cầu nhỏ nhất E0/Nb nhỏ nhất tại máy thu[2]
Trong khi đó, nếu hệ số sử dụng băng thông lớn hơn 1, yêu cầu về tỉ số

Eb
N0

nhỏ nhất sẽ tăng nhanh chóng theo  .
Do đó, nếu tốc độ thông tin lớn hơn băng thông kênh thì bất kể sự tăng nào
của tốc độ thông tin với cùng một băng thông sử dụng sẽ yêu cầu công suất thu tại
máy thu phải tăng một cách đáng kể.
1.2.1 Tốc độ dữ liệu c o trong m i trƣờng nhiễu giới hạn
Từ những phân tích ở trên, đối với hệ thống thông tin di động mà nhiễu là
yếu tố chính gây suy yếu tín hiệu, ta có thể đưa ra kết luận:
 Tốc độ dữ liệu có thể cung cấp cho hệ thống này luôn luôn bị giới hạn bởi
công suất tín hiệu thu được, hay tổng quát hơn là tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Với bất kể
sự tăng nào của tốc độ dữ liệu với băng thông cho trước, sẽ cần ít nhất một sự tăng
tương ứng của công suất tín hiệu thu được. Như vậy, nếu công suất tín hiệu thu có
thể thỏa mãn về mặt lí thuyết, tốc độ dữ liệu có thể tăng đều bất cứ giá trị nào với
cùng một băng thông.
 Đối với trường hợp hệ số sử dụng băng thông thấp, nghĩa là tốc độ dữ liệu
thấp hơn băng thông cho phép, sự tăng của tốc độ dữ liệu kéo theo sự tăng tương

8


đương của công suất tín hiệu thu. Đây chính là sự giới hạn về công suất, trong
trường hợp này, sự tăng của băng thông không gây ảnh hưởng đến công suất tín
hiệu thu được cần thiết với cùng một tốc độ dữ liệu.
 Mặt khác, nếu hệ số sử dung kênh cao, nghĩa là tốc độ dữ liệu lớn hơn
băng thông cho phép, bất kể sự tăng nào của tốc độ dữ liệu đều kéo theo sự tăng
đáng kể của công suất thu. Đây chính là sự giới hạn về băng thông, trong đó sự
tăng của băng thông sẽ làm giảm công suất tín hiệu thu cần thiết với cùng một tốc
độ dữ liệu.

Do đó, để có hiệu suất sử dụng tốt nhất đối với công suất tín hiệu thu, hay
tổng quát hơn là tỉ số tín hiệu trên nhiễu, băng thông truyền dẫn ít nhất phải bằng
với tốc độ dữ liệu muốn cung cấp.
Giả sử công suất phát không thay đổi, công suất tín hiệu thu được có thể tăng
bằng cách giảm khoảng cách giữa máy thu và máy phát, do suy hao truyền sóng thu
phát giảm. Vì vậy trong môi trường nhiễu giới hạn, ta có thể tăng tốc độ dữ liệu
bằng cách giảm khoảng cách giữa máy thu và máy phát. Trong hệ thống thông tin di
động, điều này tương đương với việc giảm kích cỡ các cell. Do đó, ta cần nhiều cell
hơn để phủ sóng cùng một diện tích. Hơn nữa, để cung cấp tốc độ dữ liệu tương
đương hoặc lớn hơn băng thông truyền dẫn, sẽ cần làm giảm đáng kể kích thước
cell. Hiểu theo cách khác, tốc độ dữ liệu cao chỉ được hỗ trợ cho những thiết bị gần
với trạm gốc chứ không phải toàn bộ thiết bị trong cell.
Một giải pháp khác để tăng công suất tín hiệu thu được với cùng một công
suất thu là tăng sử dụng thêm anten ở bên thu, còn gọi là phân tập anten thu. Nhiều
anten thu có thể áp dụng ở trạm gốc ( đường lên ) hoặc ở thiết bị ( đường xuống).
Bằng cách tổng hợp tín hiệu thu được từ nhiều anten khác nhau, tỉ số tín hiệu trên
nhiễu có thể tăng tương ứng với số anten thu được sử dụng. Do đó, tốc độ dữ liệu có
thể tăng với cùng một khoảng cách thu phát.
Kỹ thuật đa anten cũng có thể được áp dụng ở bên phát, thường là ở trạm gốc
và được sử dụng để tập trung công suất phát vào hướng của máy thu. Điều này sẽ
9


làm tăng công suất thu, vì vậy cũng làm tăng tốc độ dữ liệu với cùng một khoảng
cách thu phát.
Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu cho phép khi sử dụng nhiều anten thu hay phát
cũng chỉ tăng đến một mức độ nào đó, khi mà tốc độ dữ liệu bị hạn chế về mặt công
suất hơn là bị hạn chế về mặt băng thông. Tốc độ dữ liệu đạt được sẽ bắt đầu bão
hòa và bất cứ sự tăng thêm nào của số anten thu phát mặc dù cũng làm tăng tỉ số tín
hiệu trên nhiễu, nhưng cũng chỉ làm tăng tốc độ dữ liệu ở mức rất ít. Sự bão hòa của

tốc độ dữ liệu tối đa có thể loại bỏ được nhờ sử dụng nhiều anten đồng thời ở cả bên
phát và bên thu, còn gọi là kỹ thuật MIMO phân tập không gian.
Một giải pháp nữa để tăng công suất tín hiệu thu được là giảm công suất
nhiễu hay chính xác hơn nữa là mật độ công suất nhiễu ở máy thu. Điều này có thể
thực hiện được nhờ thiết kế tối ưu thành phần cao tần (RF) của máy thu, cho phép
giảm nhiễu.
1.2.2 Tốc độ dữ liệu c o trong m i trƣờng nhiễu giao thoa giới hạn
Như đ trình bày ở trên, truyền thông trên kênh truyền vô tuyến được giả sử
là chỉ chịu ảnh hưởng của nhiễu. Tuy nhiên thực tế trong thông tin di động, nhiễu
giao thoa từ các cell lân cận hay còn gọi là nhiễu giao thoa liên cell cùng gây ảnh
hưởng đến kênh truyền vô tuyến nhiều hơn nhiễu thông thường. Điều này đặc biệt
đúng đối với trường hợp triển khai các cell nhỏ với tải lưu lượng cao trong phạm vi
hẹp ( môi trường thành thị). Thêm vào đó, nhiễu giao thoa của quá trình thu phát
trong cùng một cell, còn gọi là nhiễu giao thoa nội cell cũng ảnh hưởng đến kênh
truyền thu phát.
Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa đến liên kết vô tuyến cũng tương tự như
nhiễu thông thường. Những lý thuyết cơ bản trình bày ở phần trước cũng có thể
được áp dụng đối với trường hợp môi trường nhiễu giao thoa giới hạn.
 Tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt được với một băng thông cố định bị giới
hạn bởi tỉ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu giao thoa ( SIR).

10


 Để hỗ trợ được tốc độ dữ liệu lớn hơn băng thông cung cấp, cần phải đạt
được mật độ tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn nhiều.
Tương tự như trường hợp môi trường nhiễu giới hạn, giải pháp giảm kích
thước cell cũng như sử dụng kỹ thuật đa anten cũng là chìa khóa để tăng tốc độ dữ
liệu tối đa trong môi trường nhiễu giao thoa giới hạn.
 Giảm kích thước cell sẽ làm giảm số user trong cell, vì vậy làm giảm tải

trọng cell. Điều này sẽ làm giảm đáng kể mức nhiễu giao thoa trong cell, do đó sẽ
làm tăng tốc độ cell tối đa.
 Tương tự với việc tăng SNR, việc tăng SIR cũng có thể đạt được khi sử
dụng đa anen thu.
 Sử dụng kỹ thuật Beamforming với đa anten phát tập trung công suất phát
về phía thu sẽ làm giảm nhiễu giao thoa đến các liên kết vô tuyến, vì vậy sẽ cải
thiện được tỉ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa.
Một số khác biệt quan trọng của nhiễu giao thoa và nhiễu là nhiễu giao thoa có
cấu trúc cố định, có thể dự đoán được do đó có thể loại trừ một phần hoặc toàn phần.
1.2.3 Tốc độ dữ liệu cao với băng th ng giới hạn sử dụng điều chế mức cao
Như đ trình bày ở trên, để cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn băng thông cung
cấp, sẽ yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tỉ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa rất lớn.
Băng thông lại là tài nguyên rất quý hiếm. Hệ thống thông tin di động cần được
thiết kế sao cho nó có thể cung cấp tốc độ tốt nhất với các điều kiện tối ưu của tỉ số
tín hiệu trên nhiễu và tỉ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa. Ví dụ như với trường hợp
cell nhỏ với tải thấp và thiết bị ở gần cell. Giải pháp đơn giản để tăng tốc độ dữ liệu
với cùng một băng thông là sử dụng điều chế tín hiệu đa mức, nghĩa là tăng 8bit
thông tin trên một tín hiệu điều chế.
Trong trường hợp của điều chế QPSK được sử dụng ở phiên bản đầu tiên của
chuẩn 3G, mỗi symbol có thể nhận 4 giá trị khác nhau của tín hiệu. Bốn giá trị này
được minh họa bằng 4 điểm như trên hình 1.2.
11


16 – QAM

QPSK

64 - QAM

(c)

(b)

(a)

Hình 1.2 Chòm sao điều chế QPSK(a), 16-QAM(b) và 64QAM(c)[2]
Với bốn giá trị khác nhau của tín hiệu, QPSK cho phép hai bit thông tin có
thể được truyền trong thời gian của một tín hiệu điều chế. Nếu sử dụng điều chế
16QAM với 16 giá trị khác nhau của tín hiệu, 4 bit thông tin có thể được truyền
trong thời gian của một symbol. Tương tự với trường hợp 64QAM, 6 bit thông tin
có thể được truyền trong thời gian của một symbol. Như vậy, tại cùng một thời
điểm, băng thông của tín hiệu truyền đi về mặt lý thuyết là độc lập với mức điều chế
và phụ thuộc rất lớn vào tốc độ điều chế (số tín hiệu điều chế trên giây). Do đó, hiệu
suất sử dụng băng thông tối đa có thứ nguyên là bit/Hz, của 16QAM và 64QAM, về
mặt lý thuyết sẽ tăng hai đến ba lần so với QPSK.
Ngoài các loại điều chế được mô tả trên hình, còn rất nhiều loại điều chế
khác như 8PSK, cho việc sử dụng điều chế mức cao, có thể sử dụng hiệu suất kênh
truyền cao hơn, do đó cũng tăng tốc độ dữ liệu cho phép với cùng một băng thông.
Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng kênh truyền càng cao, sẽ đi kèm sự trá giá về độ nhạy
với nhiễu và nhiễu giao thoa. Cụ thể hơn, điều chế mức cao như 16QA

và

64QAM yêu cầu tỉ số Eb/N0 cao hơn ở phía thu để đạt được cùng một xác xuất lỗi
bit so với QPSK.
1.2.4 Điều chế mức cao sử dụng kết hợp mã hóa kênh
Điều chế mức cao như 16QA

và 64QA

yêu cầu tỉ số Eb/N0 tại phía thu

cao hơn để cho cùng một tỉ số lỗi bit so với QPSK. Tuy nhiên, khi sử dụng kết hợp
12


điều chế mức cao với mã hóa kênh sẽ đem lại hiệu quả tốt hơn, thậm chí yêu cầu tỉ
số Eb/N0 thấp hơn so với điều chế mức thấp QPSK.
Ví dụ, nếu hiệu suất sử dụng băng thông đạt giá trị mà số bit trên một tín
hiệu điều chế chỉ đạt gần tối đa, điều chế QPSK sẽ hạn chế việc sử dụng mã hóa
kênh do khi này tỉ lệ mã hóa là xấp xỉ 1. Khi đó, nếu sử dụng 16QAM, ta có thể sử
dụng mã hóa kênh với tỉ lệ xấp xỉ 2. Việc sử dụng các phương pháp m hóa kênh sẽ
giúp giảm tỉ lệ lỗi bit với cùng một mức tỉ số tín hiệu trên nhiễu do hiệu quả của
tăng ích m hóa(coding gain). Cần phải chú ý rằng, những phân tích ở đây, không
mâu thuẫn với những trình bày ở mục 2.1 . Việc sử dụng mã hóa kênh với tỉ lệ mã
hóa ½ cùng với 16QAM sẽ làm giảm tốc độ tín hiệu mang thông tin. Do đó, hiệu
suất sử dụng băng thông của trường hợp này vẫn bằng với trường hợp điều chế
QPSK không mã hóa.
Tóm lại, với cùng một tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu và nhiễu giao thoa, việc sử dụng
kết hợp điều chế mức cao và mã hóa kênh là giải pháp tối ưu để đạt được hiệu suất sử
dụng kênh truyền cao nhất (tốc độ dữ liệu cao nhất so với cùng một băng thông).
1.2.5 Sử dụng băng th ng rộng hơn với kỹ thuật đ sóng m ng
Truyền thông với hiệu suất sử dụng kênh truyền cao về cơ bản sẽ không hiệu
quả về mặt công suất do nó yêu cầu tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu và nhiễu giao thoa cao
với cùng mật độ tốc độ dữ liệu. Giải pháp sử dụng điều chế mức cao cũng chỉ đem
lại hiệu quả trong trường hợp tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cao như trường hợp của các
thiết bị gần với trạm gốc.
Để tăng tốc độ dữ liệu cung cấp trong thông tin di động, giải pháp triệt để vẫn
là phải sử dụng băng thông lớn hơn cho truyền thông và phải sử dụng hiệu quả băng

thông này. Tuy nhiên, giải pháp này cũng gặp phải các khó khăn sau đây:
 Tài nguyên băng tần là hạn chế và khó để tìm được băng tần có độ lớn cao,
nhất là đối với các tần số thấp.

13


 Việc sử dụng băng thông truyền dẫn lớn hơn dẫn đến kiến trúc máy thu
phức tạp hơn cả ở trạm gốc và thiết bị người dùng. Ví dụ, băng thông lớn hơn sẽ
ảnh hưởng hơn đến tần số lấy mẫu ở bên máy thu và máy phát, do đó tăng độ phức
tạp và công suất tiêu hao đến các bộ biến đổi tương tự - số và số - tương tự. Thiết kế
đối với các thành phân RF cũng khó và đắt hơn.
 Sự lựa chọn tần số của kênh truyền đối với băng thông truyền dẫn lớn. Hạn
chế này có thể giải quyết được nhờ các kĩ thuật ước lượng và kênh bằng kênh ở phía
thu.
Có hai phương thức triển khai đối với hệ thống có băng thông lớn:
 Sử dụng truyền dẫn đa sóng mang, nghĩa là truyền tín hiệu dải rộng như là
các tín hiệu dải hẹp được ghép với nhau. Ví dụ như truyền dẫn OFDM.
 Sử dụng truyền dẫn một sóng mang được thiết kế đảm bảo cả hiệu quả sử
dụng băng thông và giảm độ phức tạp của bộ cân bằng kênh.
Truyền dẫn đa sóng mang là giải pháp có thể tăng băng thông sử dụng mà
giảm được ảnh hưởng của kênh lựa chọn tần số. Truyền dẫn đa sóng mang, có nghĩa
là thay vì truyền dẫn một tín hiệu dải rộng, ta truyền nhiều tín hiệu dải hẹp hơn, hay
còn gọi là các sóng mang con, được ghép kênh theo tần số và được truyền đến bên
thu. Băng cách truyền M tín hiệu song song, tốc độ dữ liệu sẽ tăng

lần. Sự ảnh

hưởng của kênh chọn lọc tần số cũng chỉ được xét giới hạn đối với từng sóng mang
con và ảnh hưởng này là tương đương với trường hợp truyền dẫn tín hiệu dải hẹp.

Hạn chế của việc sử dụng truyền dẫn đa sóng mang ở đây là do đặc tính phổ
của tín hiệu truyền đi trong từng sóng mang con. M sóng mang con truyền song
song không thê xếp khít với nhau trên một dải tần số. Điều này làm giảm hiệu quả
của việc sử dụng băng thông đối với truyền dẫn đa sóng mang.
Ví dụ về việc sử dụng đa sóng mang trong truyền dẫn WCD A/HSPA để tận
dụng băng thông lớn hơn. WCD A có tốc độ chip rate. Tuy nhiên phổ của tín hiệu
WCDMA về mặt lý thuyết lớn hơn 3.84

chip/s Thực tế phổ này có dạng cos nâng

14


với hệ số roll-off   0.22 . Do đó băng thông của tín hiệu WCDMA đạt đến xấp xỉ
4.7 MHz. Từ đó ta có thể kết luận, các sóng mang con mang tín hiệu WCDMA sẽ
phải cách nhau xấp xỉ 4.7 Hz để tránh ảnh hưởng của nhiễu liên sóng mang.
Hạn chế thứ hai của việc truyền dẫn đa sóng mang là tương tự như việc sử
dụng điều chế mức cao, truyền dẫn tín hiệu trên các sóng mang sẽ yêu cầu công suất
tức thời lớn. Điều này sẽ gây ra tiêu thụ công suất lớn và tăng độ phức tạp của bộ
khuếch đại công suất. Do đó, truyền dẫn đa sóng mang thường thích hợp với kênh
đường xuống, yêu cầu về công suất không cao trên hướng đầu tại các trạm phát.
Trong hệ thống 4G-LTE, kỹ thuật đa sóng ghép kênh mang trực giao phân
chia theo tần số OFD

được sử dụng cho các kênh đường xuống. Chi tiết về các

đặc tính, ưu điểm và nhược điểm của OFD

được trình bày ở phần 1.3.

1.3 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
Hệ thống OFD

là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo

tần số trực giao, hoạt động trên nguyên lý phát dữ liệu bằng cách phân chia luồng
dữ liệu thành nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụng các
luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số khác nhau.
Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFD

phân chia

dải tần công tác thành các băng tần khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số trung
tâm của các băng tần con này trực giao với nhau về mặt toán học. Điều này cho
phép phổ tần của các băng con chèn lấn nhau, do đó tăng hiệu quả sử dụng phổ tần
mà không gây nhiễu. Dưới đây là những nguyên lý chủ yếu của kỹ thuật OFD

[1].

Nguyên lý trực giao
Về mặt toán học, xét tập các tín hiệu ψ với ψp là phần tử thứ p của tập, điều
kiện để các tín hiệu trong tập trực giao đôi một với nhau là:

k , p  q
*

(
t
)


(
t
)
dt


p
q
b
0, p  q
a

15

(1.7)


Trong đó ψ*q(t) là liên hợp phức của ψq(t). Khoảng thời gian từ a đến b là chu
kỳ của tín hiệu, còn k là một hằng số.

Hình 1.3 Hệ thống OFDM với nguyên lý trực giao
Dựa vào tính trực giao, phổ của tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép
chồng lấn lên nhau. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của
toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể. Sự trực giao của các sóng mang phụ
được thực hiện như sau: phổ của sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh con
thứ p thông qua phép nhân với hàm phức ejpωst, trong đó ωs= 2Пfslà khoảng cách tần
số giữa hai sóng mang. Thông qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang
phụ trực giao với nhau.
( k 1)Ts



e

jp

(e

jqt

) dt 
*

kTs

( k 1) Ts



e j ( p  q )t dt

kTs

t ( k 1) Ts
1
j ( p  q )s t |t kT
s

e
j ( p  q )s

  T0,,ppqq

(1.8)

16


Ở phương trình (1.8) ta thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau
do tích phân của một sóng mang với liên hợp phức của sóng mang còn lại bằng 0
nếu chúng là hai sóng mang khác biệt. Trong trường hợp tích phân với chính nó
sẽ cho kết quả là một hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc để thực hiện giải
điều chế OFD
Ch.1

Ch.10

Tần số

Tiết kiệm băng thông

Tần số

Hình 1.4 Nguyên lý trực giao
Hình 1.4 minh họa khả năng tiêt kiệm băng thông của hệ thống OFDM so
với các hệ thống điều chế đa sóng mang khác.

17