Lưới tài nguyên mạng 4G

MỤC LỤC
MỤC LỤC....................................................................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH................................................................................................................................... 2
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT..................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G.......................................................................................................... 5
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.2 CÁC DỊCH VỤ HỆ THÔNG DI ĐỘNG 4G CUNG CẤP

5
7

CHƯƠNG 2: TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG 4G................................................................................................. 15
2.1. MIMO
15
2.1.1.Giới thiệu...............................................................................................................................................15
2.1.2.Cấu hình đa anten.................................................................................................................................15
2.1.3.Mô hình MIMO tổng quát.....................................................................................................................16
2.1.4.Đa anten thu.........................................................................................................................................17
2.1.5.Đa anten phát.......................................................................................................................................17
2.1.6.Ứng dụng MIMO trong LTE...................................................................................................................17
2.1.7.Kết luận.................................................................................................................................................18
2.2.OFDM
19
2.2.1.Sơ lược về OFDM...................................................................................................................................19
2.2.2.Các khái niệm liên quan đến OFDM......................................................................................................20
2.2.3. Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM.................................................................................................21
2.2.4. Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ.......................................................................................21
2.2.5. Điều chế trong OFDM...........................................................................................................................23
2.2.6. Hệ thống OFDM băng gốc....................................................................................................................24
2.2.7. Đánh giá về kỹ thuật OFDM.................................................................................................................25
2.2.8. Đặc tính kênh truyền của kỹ thuật OFDM............................................................................................26

2.2.9: Đồng bộ trong OFDM...........................................................................................................................27
2.2.10.Ứng dụng OFDM.................................................................................................................................27
2.3.KỸ THUẬT UPLINK:SC-FDMA (SINGLE CARRIER FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS)
28
2.3.2: Xử lý đường lên cơ bản........................................................................................................................31
2.3.3. Đo lường hiệu suất SC-FDMA...............................................................................................................32
2.3.4. SC-FDMA phân tập không gian............................................................................................................32
2.3.5. Đặc tính công suất đỉnh của một tín hiệu SC-FDMA............................................................................32
2.3.6.Kết luận.................................................................................................................................................33
2.4.KỸ THUẬT DOWNLINK:OFDMA (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS)
34
2.4.1:Đặc điểm chung....................................................................................................................................34
2.4.2.Kỹ thuật OFDMA....................................................................................................................................36
2.5.MIMO KẾT HỢP OFDM
38
2.5.1.Tổng quan..............................................................................................................................................38
2.5.2.Hệ thống MIMO OFDM.........................................................................................................................40
2.5.3.Giới thiệu mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti...........................................................................40
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG MẠNG 4G......................................................45
3.1.SỬ DỤNG MATLAB
45
3.1.1.Code mô phỏng.....................................................................................................................................45
3.1.2.Kết quả mô phỏng.................................................................................................................................47
3.2.SỬ DỤNG SIMULINK
48
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................................... 51

1

DANH MỤC HÌNH ẢNH
HÌNH 1.2.1 DỊCH VỤ THÔNG TIN Y TẾ............................................................................................................. 7
HÌNH 1.2.2 HỆ THÔNG CUNG CẤP NỘI DUNG TIÊN TIẾN..................................................................................8
HÌNH 1.2.3 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ....................................................................................................................... 9
HÌNH 1.2.4 HỆ THÔNG ĐẶT HÀNG DI ĐỘNG.................................................................................................. 10
HÌNH 1.2.5 HỆ THỐNG QUẢN LÝ THỰC PHẨM............................................................................................... 12
HÌNH 1.2.6 HỆ THỐNG BẢO HIỂM RỦI RO..................................................................................................... 13
HÌNH 1.2.7 HỆ THỐNG QUẢN LÝ DI ĐỘNG..................................................................................................... 14
HÌNH 2.1: MÔ HÌNH KÊNH MIMO VỚI NT ANTEN PHÁT VÀ NR ANTEN THU....................................................16
HÌNH 2.2:SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG OFDM...................................................................................................... 20
HÌNH 2.4: GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ........................................................................................... 20
HÌNH 2.5: TÍN HIỆU OFDM CÓ 4 SÓNG MANG CON.......................................................................................21
HÌNH 2.6: PHỔ TÍN HIỆU OFDM VỚI 4 SÓNG MANG......................................................................................21
HÌNH 2.7: CHÈN KHOẢNG THỜI GIAN BẢO VỆ VÀO TÍN HIỆU.........................................................................22
HÌNH 2.8: KHOẢNG THỜI GIAN BẢO VỆ GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA ISI..............................................................23
BẢNG 2.1: THÔNG SỐ CỦA ĐIỀU CHẾ QPSK................................................................................................... 23
HÌNH 2.9:BIỂU ĐỒ KHÔNG GIAN TÍN HIỆU QPSK........................................................................................... 24
HÌNH 2.10: SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM............................................................................................................ 24
HÌNH 2.11:QUÁ TRÌNH ĐỒNG BỘ TRONG OFDM........................................................................................... 27
HÌNH 2.12: CẤU TRÚC BỘ PHÁT VÀ THU CỦA HỆ THỐNG SC-FDMA/OFDMA..................................................28
HÌNH 2.13:QUÁ TRÌNH TẠO RA CÁC SYMBOL SC-FDMA..................................................................................29
HÌNH 2.14: BỘ LỌC RAISED-COSIN................................................................................................................ 29
HÌNH 2.15: SC-FDMA – TÁCH SÓNG VÀ CÂN BẰNG........................................................................................ 30
HÌNH 2.16: XỬ LÝ KÊNH VẬT LÝ ĐƯỜNG LÊN CƠ BẢN....................................................................................31
HÌNH 2.17: BỘ PHÁT SC-FDMA CHUNG......................................................................................................... 32
HÌNH 2.18: OFDMA – TÁCH SÓNG VÀ CÂN BẰNG.......................................................................................... 38
BẢNG 2.2: PAPR 99,9% CHO OFDMA............................................................................................................. 38
HÌNH 2.19: CÁC CHUẨN THÔNG TIN KHÔNG DÂY CỦA IEEE............................................................................39
HÌNH 2.20: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG MIMO-OFDM........................................................................................40
HÌNH 2.21: SƠ ĐỒ KHỐI BỘ PHÁT OFDM...................................................................................................... 40

HÌNH 2.22: SƠ ĐỒ KHỐI BỘ THU OFDM........................................................................................................ 40
HÌNH 2.23: MÁY PHÁT MIMO–OFDM ALAMOUTI.......................................................................................... 41
HÌNH 2.24: MÁY THU MIMO-OFDM ALAMOUTI............................................................................................ 41

2


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
4G
AAA
AMPS

4th Generation
Adaptive Array Antenna
Advanced Mobile Phone

Thế hệ 4
Ăngten dãy thích nghi
Dịch vụ điện thoại di động

AR
ARQ

Service
Access Router
Automatic Repeat reQuest

tiên tiến
Bộ định tuyến truy cập
Kĩ thuật yêu cầu lặp tự

ATM

Asynchronous Transfer

động
Chế độ truyền dị bộ

BS
BSC
BSS
BTS
CDMA

Mode
Base Station
Base Station Controller
Base Station Controller
Base Tranceiver Station
Code Division Multiple

Trạm gốc
Bộ điều khiển trạm gốc
Hệ thống trạm gốc
Trạm thu phát gốc
Đa thâm nhập phân chia

CRC
CTP
DS

DS-CDMA
DSP
E2R

Access
Cyclic Redundancy Code
Context Transfer Protocol
Direct Sequence
Direct Sequence CDMA
Digital Singnal Processor
End-to-End

theo mã
Mã vòng dư
Giao thức truyền ngữ cảnh
Chuỗi trực tiếp
CDMA chuỗi trực tiếp
Bộ xử lý tín hiệu số
Khả năng cấu hình lại từ

EIRP

Reconfigurability
Effective Isotropically

đầu cuối đến đầu cuối
Công suất phát xạ đẳng

FEC
FDMA

Radiated
Forward Error Correct
Frequency Division

hướng hiệu dụng
Mã sửa lỗi trước
Đa truy cập phân chia theo

FH-OFDM

MultiAccess
Frequency Hopping

tần số
OFDM nhảy tần

GPS
GPRS

Orthogonal
Global Positioning System
General Packet Radio

Hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống vô tuyến gói

HARQ

System

Hybrid Automatic Repeat

chung
ARQ (tự động yêu cầu lặp)

IMT-2000

reQuest
International Mobile

Thông tin di động toàn

IP
IPv6

Telecommunication-2000
Internet Protocol
Internet Protocol Version 6

cầu-2000
Giao thức Internet
Giao thức Internet phiên
bản6

3


ITU

International

Liên minh Viễn thông

MIMO

Telecommunication
Multi Input-Multi Output

Quốc tế
Ăngten nhiều kênh vào-

Multi Carrier CDMA

nhiều kênh ra
Đa truy cập phân chia theo

Network Mobility
Next Genaration Network
Orthononal Frenquency

mã đa sóng mang
Tính di động mạng
Mạng thế hệ sau
Ghép kênh đa truy cập

Division

phân chia theo tần số trực

Orthononal Frequency

giao
Ghép kênh đa truy cập

Code Division Multiplexing

phân chia theo mã tần số

MC-CDMA
NEMO
NGN
OFDM

OFCDM

trực giao

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G
1.1 Giới thiệu chung
Hệ thống di động thế hệ thứ tư (4G) dự kiến sẽ đưa vào sử dụng,khai thác
vào khoảng năm 2012.Với sự đột phá về tốc độ và dung lượng,hệ thống di động
4G sẽ cung cấp những dịch vụ phục vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt thường
nhật, công việc cũng như có sự tác động lớn đến lối sống của chúng ta trong
trương lai gần. Cụ thể hơn trong từng khía cạnh của cuộc sống được trình bày
dưới đây.
Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học
Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G,sự tiên tiến của thiết bị đầu cuối,

học sinh, sinh viên, các nhà nghiên cứu khoa học có thể trao đổi thông tin
hình ảnh, thoại, và các thông tin cần thiết cho việc học tập, nghiên cứu mà
không có rào cản nào về khoảng cách cũng như ngôn ngữ. Thiết bị đầu cuối
di động của hệ thống di động thế hệ 4G (điện thọai cầm tay, đồng hộ đeo tay
…) co tích hợp camera, có chức năng thông dịch ngôn ngữ tự động giúp họ
trao đổi thông tin trực tiếp, học sinh, sinh viên có thể nhận những chỉ dẫn từ
giáo viên từ xa …
Giải trí
Hệ thống di động 4G được sử dụng cho hệ thống tải nội dung, trò chơi và
âm nhạc/video. Những trò chơi hình ảnh động có thể được truy cập ở bất cứ nơi
nào trên hệ thống. Những nội dung cực kì phong phú đa dạng về nhạc và phim
trong hệ thống có thể tài ngay lập tức bất cứ nơi đâu, vào bất cứ thời gian nào.
Truyền thông hình ảnh
Hệ thống di động 4G cũng được ứng dụng trong việc trao đổi thông tin giữa
các điểm cách xa nhau. Một đoạn phim của một sự kiện thể thao có thể được gửi
bở máy quay gắn trên một máy thu phát cầm tay và được gửi đi tức thời cho các
thành viên trong gia đình ở nước ngòai hoặc ở xa.
Thương mại di động
Hệ thống di động 4G được ứng dụng trong trao đổi và thỏa thuận mua bán
hàng hóa. Bằng cách đơn giản là giữa thiết bị di động cầm tay theo tấm quảng
5


cáo hoặc trên tạp chí, người sử dụng có thể thu được những thông tin liên quan
về sản phẩm, từ đó có thể đặt hàng và thanh toán bằng tài khoản thông qua thiết
bị di động.Dữ liệu được tải từ các thiết bị di động có thể được sử dụng như các
thẻ thanh toán, thẻ ra vào, thẻ thành viên … thay cho các loại thẻ cá nhân: thẻ
ngân hàng (ATM, Visa Card …), thẻ ra vào công ty, hộ chiếu v.v. Các dịch vụ di
động cũng được sử dụng trong nhiều trường hợp của cuộc sống, ví dụ như tải
chương trình tivi trên các máy chủ đặt tại gia đình lên thiết bị di động và xem

chúng khi đi ra ngòai, hoặc sử dụng thiết bị cầm tay di động để điều khiển Robot
từ xa.
Y tế và chăm sóc sức khỏe
Công nghệ di động thế hệ thứ tư được sử dụng trong y tế và chăm sóc sức
khỏe. Những dữ liệu về sức khỏe có thể tự động gửi đến bệnh viện theo thời
gian thực từ các thiết bị mang theo trên người của bệnh nhân, nhờ đó các bác sĩ
có thể thực hienẹ việc kiểm tra sức khỏe hoặc xử lý tức thì các tình trạng khẩn
cấp.
Điều trị trong tình trạng khẩn cấp
Phương tiện truyền thông di động được sử dụng cho cấp cứu khẩn cấp ngay
sau khi tai nạn giao thông xảy ra. Vị trí của vụ tai nạn sẽ được thông báo tự đông
bằng cách sử dụng thông tin định vị, khi đó các bác sĩ tại trung tâm y tế đưa ra
các chỉ dẫn sơ cứu cho bệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhận trên màn
hình. Các dữ liệu y tế cũng được truyền ngay lập tức đến các xe cứu thương
hoặc bệnh viện thông qua mạng di động.
Ứng dụng trong thảm họa thiên tai
Hệ thống di động đóng vai trò là thiết bị thông tin quan trọng trong trường
hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phép truyền đi hình ảnh thực trạng của các
khu vực xả ra thảm họa. Do đó tại những nơi thảm họa không diễn ra, tất cả lãnh
đạo chính phủ, các nhà quản lý, các phương tiện truyền thông đại chúng và
người dân nói chung có thể chia sẽ thông tin.

6


1.2 Các dịch vụ hệ thông di động 4G cung cấp
Dịch vụ cung cấp thông tin ý tế

Hình 1.2.1 Dịch vụ thông tin y tế
Trong đó:

+ Service charge (paid from insurance): phí dịch vụ (thanh toán tử bảo hiểm).
+ Access personal medical data: truy cập dữ liệu y tế cá nhân
+ Sed personal medical data: gửi dữ liệu y tế cá nhân
+ Advice/Infformation/heathe analysis: Lời khuyên/Thông tin/phân tích tình
trạng sức khỏe
+ Introduction to doctors, provision of adequate medicine: hướng dẫn từ bác sĩ ,
cung cấp thuốc thích hợp.
+ Medical data storage center: trung tâm lưu trữ dữ liệu y tế
+ Personal medical data: dữ liệu y tế cá nhân
+ Hospital/drug store: bệnh viện/kho thuốc

7


Dịch vũ cung cấp thông tin y tế sẽ cung cấp cho khách hàng những thông tin
chính xác và đầy đủ về tình trạng sức khỏe. Khách hàng sẽ nhận được chỉ dẫn,
đơn thuốc của bác sĩ khi có sự thay đổi về tình trạng sức khở từ trung tâm chăm
sóc y tế trên thiết bị di động của mình. Đồng thời khách hàng có thể truy cập
thông tin về sức khỏe của ình trên thiết bị di động.
Thậm chí trong dịch vụ này với công nghệ điều trị gen tiên tiến, khách hàng
có thể tải những thông tin về gen của họ ngay lập tức để có những biện pháp
điều trị thích hợp.
Dịch vụ cung cấp nội dung tiên tiến
Đơn giản, người dùng cho biết tên của video ( không nhất thiết phải chính
xác, có thể mơ hồ cũng được) mà họ lựa chọn ( chương trình ti vi đã phát, tin
tức, kịch, điện ảnh, hoặc hòa nhạc …) thông qua yêu cầu bằng lời thoại, người
sử dụng có thể xem chương trình video mình thích trên thiết bị di động đầu cuối
ở bất cứ đâu,bất cứ thời gian nào.
Nếu người dùng muốn xem phim ở rạp chiếu phim thì có thể đặt chỗ trước
và cũng có thể mua vé điện tử. Những video cũng có thể được chiếu trên tàu,

trên một thiết bị kính đeo mắt có khả năng hiển thị hình ảnh.

Hình 1.2.2 Hệ thông cung cấp nội dung tiên tiến
Trong đó:
8


+ Movie delivery: phân phát phim
+ Movie info.search: tìm kiếm thông tin phim
+Ambigous search by voice: tìm kiếm thông tin phim bằng thoại
+ Ticket purchase: thẻ dịch vụ
+ Content streaming delivery: cung cấp luồng nội dung
+ Real media content distribution by compact high-density disc, memory
card: phân phối nội dung bằng thẻ nhớ, đĩa nén mật độ cao
+Movie distributor: nhà cung cấp phim
+ Content server: máy chủ nội dung
+ Service provider: nhà cung cấp dịch vụ
+ Speech analysis: khối phân tích thoại
+ Seach server: máy chủ tìm kiếm
+ Member DB: cơ sở dữ liệu thành viên
Hệ thống định vị

Hình 1.2.3 Hệ thống định vị
Trong đó:
+ Monthly charge: phí dịch vụ hàng tháng
+ Location info: thông tin vị trí
+ Vehicle info: thông tin xe cộ
+ Entertainment: giải trí
+ Control info: thông tin điều khiển
9

+ Emergency info: thông tin khẩn cấp
+ Logistics Info: thông tin hậu cần
+ Service provider: nhà cung cấp dịch vụ
+ Content provider: nhà cung cấp nội dung
+ Right holder: người giữ bản quyền
+ Content charge: phí nội dung
Người sử dụng có thể truy cập các dịch vụ thông tin dưới đây từ bên trong
một chiếc xe đang chuyển động. Những thông tin này sẽ được cung cấp một
cách hợp lý phụ thuộc thời gian,địa điểm và tính chất người sử dụng.
- Dịch vụ thông tin định vị (dịch vụ định vị, chỉ dẫn tuyến đường, thông tin
giao thông…)
- Dịch vụ thông tin xe cộ (thông tin xe ôtô, thông tin điều chỉnh động cơ xe…)
- Dịch vụ giải trí (radio, chương trình truyền hình, v.v.)
- Dịch vụ điều khiển (điều khiển xe trong sự kiện động đất, tai nạn…)
- Dịch vụ khẩn cấp (tai nạn, ôm đau bất ngờ…)
Dịch vụ đặt hàng di động

Hình 1.2.4 Hệ thông đặt hàng di động
Trong đó
+ Inquiry purchase application: yêu cầu mua ứng dụng
+ Product Info/Ads: thông tin sản phẩm/ quảng cáo
10


+ Product/Delivery charge: phí sản phẩm/phí phân phối
+ Commission: hoa hoàng
+ Application info: thông tin ứng dụng
+ Product info: thông tin sản phẩm

+ Platforrm provider: nhà cung cấp nền tảng
+ Ad cost: chi phí quảng cáo
+ Server utilization fee: phí sử dụng server
+ Manufacturer: nhà sản xuất
+ Seller: người bán hàng
+ Transporter: hãng vận chuyển
Cho phép đặt mua các sản phẩm hay thu nhập thông tin về sản phẩm một
cách dễ dàng nhờ thiết bị đầu cuối di động thông qua tạp chí, sách báo, áp phích
… hay các hình ảnh.
Thông tin liên quan tới sản phẩm đó (video, đặc tính kỹ thuật) sẽ được tự
động gửi tới thiết bị đầu cuối di động từ trung tâm sản phẩm và được hiển thị
dưới dạng các hình ảnh 3 chiều (3D). Người sử dụng có thể đặt hàng sản phẩm
ngay lập tức, việcthành toàn bằng tài khoản được thực hiện qua thiết bị đầu cuối
di động của họ. Việc sử dụng chứng thực bằng võng mạc giúp cho việc đặt mua
các sản phẩm có giá trị trở nên đơn giản, an toàn mà không cần bắt kỹ sự bảo về
nào.
Quản lý thực phẩm
Dịch vụ hỗ trợ cho người sử dụng có thể truy cập tới tủ lạnh gia đình
bằng thiết bị đầu cuối di động từ bên ngoài – để thấy được phẩm nào vẫn
còn, thực phẩm nào hết. Và nhờ hình ảnh hiển thị người dùng có thể biết
hạn sử dụng của thức ăn còn hay không. Người sử dụng cũng có thể tìm
được các công thức của thực đơn họ sẽ nấu sử dụng các thực phẩm có sẵn
trong tủ lạnh thông qua thiết bị đầu cuối di động đó. Thực phẩm nào thiếu
sẽ được hiện ra trên hình, và nếu đặt hàng chúng sẽ được gửi tới nhà vào
buổi tối.

11


Hình 1.2.5 Hệ thống quản lý thực phẩm

+ Service register/entry fee: phí đăng ký dịch vụ
+ Food purchase charge: phí mua thực phẩm
+ Billing for purchase: hóa đơn bán hàng
+ Payment: thanh toán
+ User membership DB: cơ sở dữ liệu thành viên
+ Order placement: sẵpếp đặt hàng
+ Supermarket, convenience store, shopping arcade: siêu thị , kho hàng …
Dịch vụ bảo hiểm rủi ro
Khi một ai đó bị kẹt trong đống đổ nát trong một trạn động đất quy mô
lớn, khả năng của mạng điện thoại di động có thể cung cấp chính xác thông
tin như vị trí của người đó - thiết bị đầu cuối luôn luôn được kết nối Internet
trừ khi nó bị hỏng – và luôn sẵn sang những hoạt động giải cứu một cách
nhanh chóng.

12


Hình 1.2.6 Hệ thống bảo hiểm rủi ro
Trong đó:
+ Rescue, paramedics: cứu hộ, cứu hộ y tế
+ Service provider: nhà cung cấp dịch vụ
+ Platform provider: nhà cung cấp nền tảng
+ Disaster site (user): khu vực xảy ra thiên tai
+ Displays current location and destination: hiển thị vị trí hiện tại
+ Designate wanted area thru pen input: chỉ định vùng cần kiểm soát (bằng
bút cảm ứng)
+ Terminal location is indicated in blinks: vị trí thiết bị đầu cuối được chỉ ra
tức thời
+ Contact family using personal info: liên lạc với gia đình nhờ thông tin cá
nhân

+ Obtain medical record from home doctor using personal info: có được
báo cáo y tế từ bác sĩ nhờ thông tin cá nhân
+ Disaster insurance premium: phí bảo hiểm thiên tai
+ Insurance premium: phí bảo hiểm
+ Notifies location by ring tone: thông báo vị trí bằng nhạc chuông

13


Dịch vụ quản lý hành chính (quản lý) di động

Hình 1.2.7 Hệ thống quản lý di động
Khách hàng có thể truy cập thông tin và nhận được nhiều dịch vụ hành
chính khác nhau từ chính quyền quốc gia/địa phương trên một thiếtbị đầu cuối di
động tại nhà hoặc tại công sở.
- Ứng dụng cho các tài liệu/văn bằng khác nhau
- Trả thuế , đưa ra thuế thu nhập.
- Phát hành sách chăm sóc sức khỏe cho sản phụ, đưa ra báo cáo về sinh
sản, ứng dụng cho kiểm tra sức khỏe của trẻ, và các dịch vụ sức khỏe khác.
- Bỏ phiếu bầu cử.

14


CHƯƠNG 2: TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG 4G
2.1. MIMO
2.1.1.Giới thiệu
Kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát
và nhiều anten thu để truyền dữ liệu. MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọng của
LTE, được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Kỹ thuật cho ph p LTE cải

thiện hơn về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ. Mặc dù, sử dụng MIMO làm cho hệ
thống phức tạp hơn về quá trình xử lý tín hiệu và yêu cầu số lượng anten, nhưng nó có
thể tăng tốc độ dữ liệu lên mức cao, cho ph p hiệu quả sử dụng phổ tần. MIMO là một
kỹ thuật không thể thiếu của LTE.
2.1.2.Cấu hình đa anten
Một trong những đặc tính quan trọng trong cấu hình đa anten là khoảng cách
giữa hai phần tử anten do khoảng cách các anten có mối quan hệ với độ tương quan
giữa fading kênh vô tuyến (được xác định bởi tín hiệu tại các anten khác nhau). Các
anten được đặt xa nhau để độ tương quan fading thấp. Ngược lại, các anten được đặt
gần nhau để độ tương quan fading cao, bản chất là các anten khác nhau sẽ có fading
tức thời tương tự nhau.
Khoảng cách thực tế cần thiết giữa các anten để độ tương quan cao/ thấp phụ
thuộc vào bước sóng, tương ứng là tần số sóng mang được sử dụng. Tuy nhiên, nó
cũng phụ thuộc vào kịch bản khi triển khai. Trường hợp các anten trạm gốc, môi
trường macro-cell (tức là ô lớn và vị trí anten trạm gốc phải cao), khoảng cách anten
vào khoảng 10 bước sóng thì mới đảm bảo độ tương quan thấp, trong khi đó thì
khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động khoảng nửa bước sóng. Lý do khác nhau
giữa trạm gốc với máy đầu cuối di động là do trong kịch bản macro, phản xạ đa đường
gây ra fading chủ yếu xuất hiện ở những vùng gần xung quanh máy đầu cuối di động.
Do đó, khi nhìn từ vị trí máy đầu cuối thì ta thấy là những đường khác nhau đi đến
trong một góc lớn, độ tương quan vẫn sẽ thấp với khoảng cách anten tương ứng
nhỏ.Còn nhìn ở vị trí trạm gốc, những đường khác nhau sẽ đến trong một góc nhỏ hơn
nhiều, nên khoảng cách anten phải đủ lớn để độ tương quan thấp.
Trong kịch bản triển khai khác, ví dụ triển khai kịch bản micro-cell với các anten
trạm gốc thấp hơn nóc nhà và triển khai trong nhà. Môi trường trạm gốc lúc này giống

15


với môi trường máy đầu cuối hơn, cho nên khoảng cách giữa các anten trạm gốc sẽ

nhỏ hơn vẫn đảm bảo độ tương quan thấp.
Các anten giả thiết ở trên có cùng phân cực. Một cách khác để đạt được độ tương
quan fading thấp là áp dụng phân cực khác nhau đối với anten khác nhau. Khi đó các
anten có thể được đặt gần nhau.
2.1.3.Mô hình MIMO tổng quát
Mô hình kênh MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa:

Hình 2.1: Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu
Ma trận kênh H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau:

(2.1)
Trong đó : hnm là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m.
Giả sử: x = [x1, x2, …, xNt ]T là số liệu phát
y = [y1, y2, …, yNt]T là số liệu thu
η = [η1, η2, …, ηNt]T là tạp âm Gaus trắng phức của Nr máy thu.
T là ký hiệu ph p toán chuyển vị.
Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu
thức sau:

16


(2.2)
ó thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận Nr x Nt trong phương trình (2.2) như sau:
y = Hx+η (2.3)
2.1.4.Đa anten thu
Kỹ thuật đa anten được sử dụng phổ biến nhất trong lịch sử và ít phức tạp nhất là
kỹ thuật đa anten thu. Nó thường được gọi là phân tập thu hoặc phân tập Rx mặc dù
không phải lúc nào mục đích của kỹ thuật này cũng là phân tập để chống lại fading
kênh vô tuyến.

2.1.5.Đa anten phát
Như một sự thay thế hoặc bổ sung cho kỹ thuật đa anten thu, phân tập và tạo búp
sóng cũng có thể đạt được với việc áp dụng kỹ thuật đa anten phát. Việc sử dụng nhiều
anten phát rất phù hợp với đường xuống, như là nhiều anten phát ở trạm gốc. Trong
trường hợp này, việc sử dụng nhiều anten phát đưa ra cơ hội phân tập và tạo búp mà
không cần thêm anten thu. Mặt khác, vì lý do độ phức tạp nên việc sử dụng nhiều
anten phát cho đường lên tức là ở máy đầu cuối không mấy khả thi. Trường hợp này
tốt hơn là sử dụng đa anten thu ở trạm gốc.
2.1.6.Ứng dụng MIMO trong LTE
Như một sự thay thế hoặc bổ sung cho kỹ thuật đa anten thu, phân tập và tạo búp
sóng cũng có thể đạt được với việc áp dụng kỹ thuật đa anten phát. Việc sử dụng nhiều
anten phát rất phù hợp với đường xuống, như là nhiều anten phát ở trạm gốc. Trong
trường hợp này, việc sử dụng nhiều anten phát đưa ra cơ hội phân tập và tạo búp mà
không cần thêm anten thu. Mặt khác, vì lý do độ phức tạp nên việc sử dụng nhiều
anten phát cho đường lên tức là ở máy đầu cuối không mấy khả thi. Trường hợp này
tốt hơn là sử dụng đa anten thu ở trạm gốc.
-Nghiên cứu thực tế:
LTE- dvanced là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ dựa
trên OFDM này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9. LTEAdvanced, dự án được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với các đặc
tả được mong đợi hoàn thành vào quý 2 năm 2010 như là một phần của Release 10
nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di
17


động thế hệ thứ 4 (4G) IMT- dvanced được thiết lập bởi ITU. Trong LTE-Advanced
Release 10, 3GPP cho thấy thiết bị người dùng với công nghệ MIMO có thể sử dụng
tới 4 ăng ten để truyền dữ liệu trên đường lên tới mạng vô tuyến di động.Tại đường
xuống, tối đa có tới 8 luồng dữ liệu song song được cung cấp. MIMO cho ph p công
suất mạng LTE được mở rộng hơn nữa. Hiện tại, 3GPP LTE chỉ sử dụng MIMO trên
đường xuống với 4 luồng dữ liệu song song. ho đến nay, mới chỉ có thể truyền được

một luồng dữ liệu trên đường lên. LTE-Advanced sẽ tương thích ngược và thuận với
LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE Advanced mới và các thiết
bị LTE-Advanced sẽ hoạt động ở cả các mạng LTE cũ.
Gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT- dvanced nhằm tạo ra định nghĩa
chính thức về 4G. Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên các mạng tuân theo các yêu cầu của
IMT- dvanced xoay quanh báo cáo ITU-R M.2134. Một số yêu cầu then chốt bao gồm:
+Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 40 MHz.
+Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)
+Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz
+Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6,75 b/s/Hz
+Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1,5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s thường
được coi là mục tiêu của hệ thống 4G).
Hiện tại chưa có công nghệ nào đáp ứng những yêu cầu này. Nó đòi h i những
công nghệ mới như là LTE- dvanced và IEEE 802.16m. Một số người cố gắng dán
nhãn các phiên bản hiện tại của WiM X và LTE là 4G nhưng điều này chỉ chính xác
đối với phiên bản tiến hóa của các công nghệ trên, chẳng hạn LTE- dvanced, còn LTE
chỉ có thể gọi với cái tên không chính thức là 3,9G. LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo tần số trực giao OFDM ở đường xuống. Trong khi đó, ở đường lên,
LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng mang S FDMA.
2.1.7.Kết luận
Kỹ thuật MIMO là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnh
hưởng của fading. Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật MIMO được sử dụng để
hạn chế ảnh hưởng củafading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải
gia tăng công suất phát hay băng thông.Các phương pháp phân tập trong MIMO
thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phân tập
anten). Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng
18


vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong

nângcao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời
tránh được hao phí băng thông tần số – một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh
tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm. Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver)
thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền.
2.2.OFDM
2.2.1.Sơ lược về OFDM
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho
truyền thông tốc độ cao. Để đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, chúng ta hãy làm
quen với những khái niệm ban đầu như: Hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia
theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), tính trực giao…Biểu diễn toán
học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ sở. Cuối cùng, chúng ta đánh giá
ưu khuyết điểm của kỹ thuật OFDM.
OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong
thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này
thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được
giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có
dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới
gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh
vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi
thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một
sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được thực
hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.

19


Hình 2.2:Sơ đồ khối hệ thống OFDM
2.2.2.Các khái niệm liên quan đến OFDM

-Hệ thống đa sóng mang:là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên
nhiều sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia một
tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và
truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo
kiểu FDM.

Hình 2.3:Cấu trúc hệ thống đa sóng mang
- Ghép kênh phân chia theo tần số FDM: là phương pháp phân chia nhiều kênh
thông tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp
nhau. Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín
hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời
trong không gian, thời gian.

Hình 2.4: Ghép kênh phân chia theo tần số
20


Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân
cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa
các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.
2.2.3. Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM
-Trực giao: Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM,
các sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục
mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con
cótính trực giao. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine.
Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng
thời ký tự, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự.

Hình 2.5: Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con
Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian

T và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ. Tính
chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.
Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát phổ
của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là sinc hay
sin(x)/x. Hình 2.5 mô tả phổ của ký tự OFDM có 4 sóng mang con là tổng hợp phổ của
4 hàmsinc.

Hình 2.6: Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang
2.2.4. Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ
Với một băng thông cho trước, tốc độ ký tự của OFDM thấp hơn nhiều so với
phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng
mang, tốc độ ký tự tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Còn đối với hệ thống
OFDM, băng thông được chia nhỏ cho N sóng mang con làm cho tốc độ ký tự thấp
21


hơn N lần so với truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ ký tự thấp này làm cho OFDM
chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường.
Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm
vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự. Khoảng thời gian bảo vệ này chính
là copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự. Khoảng thời bảo vệ này
được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thành phần đa
đường từ một ký tự không thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận. Mỗi sóng mang con,
trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời
gian bảo vệ, (tức khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một
số nguyên chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của ký tự và gắn vào phần đầu cho
nên ta sẽ có khoảng thời ký tự dài hơn. Hình (2.7) minh hoạ việc chèn thêm khoảng
thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của ký tự là Ts = Delta +T , với Ts là chiều dài tổng
cộng của ký tự, Delta là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T khoảng thời gian thực hiện
biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM.

Hình 2.7: Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong
suốt khoảng thời gian ký tự để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau. Nếu nó
không ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang con không có dạng sinc chính xác.
Tại biên của ký tự, biên độ và pha thay đổi đột ngột theo giá trị mới của dữ liệu kế
tiếp. Chiều dài của các ảnh hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của kênh vô
tuyến. Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường đến ở những
thời điểm khác nhau. Hình (2.8) minh hoạ ảnh hưởng này. Việc thêm vào một khoảng
thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm xuống. Ảnh hưởng
của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn độ trải trễ của kênh
vô tuyến.

22


Hình 2.8: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI
Điều kiện này giống với điều kiện về tính trực giao giữa các sóng mang nhánh.
Như vậy, để có thể duy trì tính trực giao hệ thống OFDM có thể sử dụng phép biến đổi
DFT. Đây là một đặc điểm rất quan trọng vì hai lý do chính sau: Thứ nhất, DFT là một
dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy chúng trở
nên tuần hoàn cả trong miền thời gian lẫn tần số. Phép biến đổi này cùng với việc chèn
thêm các dải bảo vệ nhằm giúp cho mỗi kí tự OFDM tuần hoàn đã giúp cho việc thực
hiện tích chập tuần hoàn với hàm truyền đạt của kênh trở nên dễ dàng hơn. Ưu điểm
thứ hai của việc sử dụng DFT là phép biến đổi này có thể dễ thực khá đơn giản và hiệu
quả cao bằng thuật toán FFT.
2.2.5. Điều chế trong OFDM
- Điều chế QPSK: Đây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất
trong truyền dẫn.Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức:
Cặp bit

Pha của tín hiệu

Điểm tín hiệu

vào
00

QPSK
pi/4

Si
S1

01

3pi/4

S2

11

5pi/4

S3

10

7pi/4

S4

Phi1

Phi2

-

-

-

Bảng 2.1: Thông số của điều chế QPSK
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và
bốn điểm bản tin như hình vẽ:

23


Hình 2.9:Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK.
- Điều chế QAM: Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông
pha được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy
nhiên, nếu loại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể
độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phương QAM
(Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ vuông góc). Ở sơ đồ điều chế
này, sóng mang được điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM có ưu điểm là tăng
dung lượng đường truyền dẫn số.

2.2.6. Hệ thống OFDM băng gốc

Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song
song (S/P: Serial/Parallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hoá và được
sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Khối sắp xếp và mã hoá (Coding and Mapping) có
thể đặt ở trước đầu vào bộ S/P. Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối
IFFT. 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.

24


Cuối cùng, bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần
số cao để truyền trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu
Gausian trắng cộng AWGN (Additive White Gaussian Noise),...
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại
bộ lọc 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. Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp
ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp
ban đầu.

2.2.7. Đánh giá về kỹ thuật OFDM
-Ưu điểm:
+ Sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang. Hạn chế được
ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số
thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM
khác nhau
+ Loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các ký tự (ISI) do sử dụng CP và giao
thoa sóng mang (ICI)
+ Nếu sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp có thể khắc phục được

hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký tự do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây
ra. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng cân bằng
thích nghi trong các hệ thống đơn sóng tần.
- Nhược điểm:
+ Hệ thống OFDM sẽ tạo ra các tín hiệu trên nhiều sóng mang, các bộ khuếch đại công
suất phát cao cần độ tuyến tính, các bộ khuếch đại công suất thu nhiễu thấp đòi hỏi dải
động của tín hiệu lớn nên tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR: Peakto-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM
nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hoà để khuếch đại tín hiệu
OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế.
+ OFDM nhạy với dịch tần và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng
mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng
mang đơn.

25