Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA trong hệ thống 5g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Hƣơng

KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO
TRONG HỆ THỐNG 5G

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông

HÀ NỘI - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Hƣơng

KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO
TRONG HỆ THỐNG 5G

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử Truyền thông

Cán bộ hƣớng dẫn: TS Đinh Thị Thái Mai
PGSTS Nguyễn Quốc Tuấn

HÀ NỘI - 2019

TÓM TẮT
Tóm tắt: Trong những năm gần đây nhu cầu sử dụng các thiết bị đầu cuối ngày
càng tăng cao và đa dạng. Để đảm bảo tính bền vững cũng nhƣ phát triển của các dịch vụ
thông tin di động trong thập kỉ tới, các giải pháp công nghệ mới đƣợc đƣa ra để có thể đáp
ứng đƣợc nhu cầu sử dụng cũng nhƣ các thách thức mới trong tƣơng lai. Mạng di dộng
không dây 5G đƣợc đƣa ra với các tiêu chí về hiệu suất phổ, tốc độ dữ liệu ngƣời dùng, độ
trễ, mật độ kết nối đòi hỏi số lƣợng kết nối, khả năng kết nối cao mà kỹ thuật truy cập trực
giao dùng trong các mạng 2G/3G/4G chƣa thể đáp ứng đƣợc, các kỹ thuật truy cập phi trực
giao đƣợc đề xuất cho mạng truy cập 5G nhằm đáp ứng tăng khả năng truy cập mạng cao
gấp từ 10-100 lần so với 4G. Đề tài luận văn này mong muốn tìm hiểu về công nghệ mạng
5G và các công nghệ đa truy cập phi trực giao (NOMA) với hy vọng sẽ đƣợc dùng trong
mạng 5G. Nội dung của khóa luận sẽ trình bày những đặc điểm, xu hƣớng phát triển của
mạng 5G, kĩ thuật truy cập OFDM phi trực giao và phƣơng pháp loại bỏ nhiễu liên tiếp
SIC, các đặc tính tối ƣu của công nghệ đa truy cập OFDM phi trực giao so với OFDM
thông thƣờng.
Từ khóa: 5G, Đa truy cập phi trực giao (NOMA), SIC.


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài “Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao trong hệ thống
5G” đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc
Tuấn và cô TS. Đinh Thị Thái Mai. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận
văn này đều là trung thực và chƣa công bố dƣới bất cứ hình thức nào trƣớc đây.
Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn này đều đƣợc nêu
nguồn gốc rõ ràng trong mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu
hoặc đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo.
Nếu có bất kỳ phát hiện nào về sự gian lận trong luận văn này, em xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.

Hà Nội, ngày 31 tháng 05 năm 2019

Học viên

Nguyễn Thị Hƣơng


LỜI CẢM ƠN
Khi em nghiên cứu đề tài, trong quá trình thực hiện luận văn này ngoài sự cố
gắng, nỗ lực của bản thân thì em đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, giúp đỡ, động viên
không nhỏ từ phía thầy giáo, cô giáo và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Cô giáo TS Đinh Thị Thái Mai đã trực tiếp định hƣớng giúp đỡ em hoàn thành
đề tài luận văn cũng nhƣ tận tình hƣớng dẫn, giải đáp những thắc mắc cùng với sự
hƣớng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn. Thầy đã chia sẻ những kiến thức
chuyên môn sâu và những kinh nghiệm quá báu giúp em hoàn thành khóa luận này.
Đồng thời em xin cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn và các bạn
trong Lab Hệ thống viễn thông đã nhiệt tình chia sẻ, giúp đỡ, động viên trong suốt
quá trình làm luận văn.
Em đã rất cố gắng, nỗ lực, trong quá trình thực hiện nhƣng luận văn này có
nhiều kiến thức mới. Cho nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và những câu
văn đƣợc dịch từ tiếng Anh không đƣợc rõ nghĩa cho lắm. Em rất mong nhận đƣợc
sự góp ý, chỉ bảo tận tình của quý thầy giáo, cô giáo và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................... 9
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.............................................................................................................. 2
1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .............................................................. 2
1.1.1 Các đặc tính mạng 2G ...................................................................................................... 2
1.1.2 Các đặc tính mạng 3G ...................................................................................................... 3

1.1.3 Các đặc tính mạng 4G ...................................................................................................... 4
1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G ....................................................................................... 6
1.2.1 Mô hình mạng ................................................................................................................... 7
1.2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản ...........................................................................................10
1.3 ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ..................................................14
1.3.1 Đa truy cập mạng 2G/3G .................................................................................................15
1.3.2 Đa truy cập mạng 4G .......................................................................................................16
CHƢƠNG 2: ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO ............................................................................19
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................................19
2.2 TRUY CẬP NOMA MIỀN MÃ –WCDMA...........................................................................20
2.2.1 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) .........................................................................20
2.2.2 Trải mật độ thấp (LDS) ....................................................................................................21
2.2.3 Đa truy cập mã thƣa (SCMA) .........................................................................................22
2.3 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐƠN SÓNG MANG ..........................................23
2.3.1 Mã hóa chồng chất (SC) ...................................................................................................25
2.3.2 Loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) ............................................................................................30
2.4 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐA SÓNG MANG .............................................34
2.4.1 NOMA đa sóng mang ......................................................................................................34
2.4.2 Truy cập trực giao OFDMA .............................................................................................37
CHƢƠNG 3: HIỆU NĂNG ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO (NOMA) .....................................43
3.1 XEM XÉT HIỆU NĂNG NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ........................................................43
3.1.1. Kịch bản mô phỏng .........................................................................................................43
3.1.2. Tham số mô phỏng ..........................................................................................................44
3.2. SO SÁNH THÔNG LƢỢNG OFDMA & NOMA ...............................................................45
3.3 MỐI LIÊN QUAN EE-SE TRONG NOMA&OFDMA .........................................................48
3.4 THÔNG LƢỢNG VÀ TỔNG CÔNG SUẤT PHÁT NOMA&OFDMA ...............................49
KẾT LUẬN ......................................................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................................52

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ký hiệu

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1G

First Generation

Thế hệ thứ nhất

2G

Second Generation

Thế hệ thứ 2

3G

Third Generation

Thế hệ thứ 3

3 Generation Partnership

Dự án đối tác thế hệ thứ 3

3GPP

Project
4G

Fourth Generation

Thế hệ thứ 4

5G

Fifth Generation

Thế hệ thứ 5

BS

Base Station

Trạm gốc

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CN

Core Network

Mạng lõi

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

CT

Cordless Telecomm

Vô tuyến viễn thông không dây

DL

Downlink

Đƣờng xuống

DRX

Discontinuous Reception

Tiếp nhận gián đoạn

DVB

Digital Video Broadcasting

Phát quảng bá video số

eMBB

Enhanced Mobile Broad band

Băng thông di động nâng cao

FDD

Frequency Division Duplex

Song công phân chia theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy cập hợp kênh phân chia tần số

BTS
CDMA

Access
GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Communications
IMT

International Mobile

Viễn thông di động quốc tế

Telecommunications
IP
ITU

Internet Protocol

Giao thức internet

International

Liên minh viễn thông quốc tế

Telecommunications Union
KPI

Key Performance Indicator

Chỉ tiêu hiệu năng chính


LDS

Low-Density Spreading

Phân tán mật độ thấp

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

MCL

Maximum Coupling Loss

Suy hao gép tối đa

Maximum Likelihood

Khả năng tối đa

Multimedia Messaging Service

Dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện

Mobile Station

Trạm di động

Multi User Detection

Giải mã đa ngƣời dùng

Non-Orthogonal Multiple

Đa truy nhập phi trực giao

ML
MMS
MS
MUD
NOMA

Access
OMA

Orthogonal Multiple Access

Đa truy cập trực giao

PSTN

Public Switching Telephone

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

Network
QoS

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAT

Radio Access Technologies

Công nghệ truy cập vô tuyến

Superposition Coding

Mã hóa chồng chất

Sparse-Code Multiple Access

Đa truy cập hợp kênh mã thƣa

SDU

Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SIC

Successive Interference

Hủy bỏ nhiễu liên tiếp

SC
SCMA

Cancellation
TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia thời gian

Time Division Multiple Access

Đa truy cập hợp kênh phân chia thời gian

UE

User Equipment

Thiết bị ngƣời dùng

UL

Uplink

Đƣờng lên

Ultra-Reliable Low Latency

Truyền thông độ trễ thấp cực kỳ tin cậy

TDMA

URLLC

Communication
WCDMA
WLL

Wideband Code Division

Đa truy cập hợp kênh phân chia mã băng

Multiple Access

rộng

Wireless Local Loop

Vòng không dây địa phƣơng


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình dự kiến mạng 5G [4] ....................................................................7
Hình 1.2: Phổ tín hiệu của OFDM và FDM ..............................................................17
Hình 1.3: Cơ chế điều chế và giải điều chế OFDM ..................................................18

Hình 1.4: Các sóng mang con lí tƣởng trực giao ......................................................18
Hình 2.1 Phân bổ nguồn tài nguyên trong CDMA ...................................................20
Hình 2.2 Phân bổ nguồn lực trong PD-NOMA ........................................................23
Hình 2.3: Minh họa của hai ngƣời dùng SC. ............................................................27
Hình 2.4: Một ví dụ về mã hóa SC (a) chòm sao tín hiệu của ngƣời sử dụng 1 (b)
chòm sao tín hiệu của ngƣời dùng 2 (c) chòm sao của tín hiệu chồng chất. ............29
Hình 2.5: Kỹ thuật giải mã tín hiệu chồng chất tại trạm thu .....................................30
Hình 2.6: SIC với công suất giảm dần ......................................................................31
Hình 2.7 Lƣợc đồ đa truy cập cho kịch bản hai ngƣời dùng (a) NOMA (b) OMA. .33
Hình 2.8: NOMA trong kịch bản đƣờng lên. ............................................................34
Hình 2.9: Các sóng mang con và mức công suất cho NOMA[17] ...........................35
Hình 3.1: Kịch bản mô phỏng ...................................................................................44
Hình 3.2 Thông lƣợng ngƣời dùng trong trƣờng hợp kênh đối xứng .......................47
Hình 3.3: Thông lƣợng ngƣời dùng trong trƣờng hợp kênh không đối xứng ...........48
Hình 3.4: Hiệu suất năng lƣợng và hiệu suất phổ .....................................................49
Hình 3.5: Tổng công suất phát so với

cho ngƣời dùng ở giữa và ô trung tâm .50


LỜI NÓI ĐẦU
Từ điện thoại tƣơng tự đến dịch vụ Internet (bao gồm cả thoại và dữ liệu),
mỗi quá trình chuyển đổi đã đƣợc khuyến khích bởi sự cần thiết phải đáp ứng các
yêu cầu của thế hệ công nghệ di động mới. Hiện nay, công nghệ truyền thông di động
hiện đang phải đối mặt với một thách thức mới, tạo ra một xã hội siêu kết nối thông
qua sự xuất hiện của các dịch vụ thế hệ thứ năm (5G). Với tiềm năng to lớn cho cả
ngƣời tiêu dùng và công nghiệp, hệ thống thông tin di động 5G dự kiến sẽ triển khai
vào năm 2020. Công nghệ 5G đòi hỏi hiệu suất phổ cao (10-100 – tức gấp 2 cho tới
10 lần hiệu suất phổ trong 4G), tốc độ dữ liệu ngƣời dùng cao (10 - 20 Gbps tức là
10-20 lần tốc độ dữ liệu đỉnh trong 4G), độ trễ thấp (cỡ 1 mili giây - một phần năm

độ trễ trong 4G)., mật độ kết nối dày đặc với khả năng kết nối cao. Do đó, cần phải có
những công nghệ đa truy cập mới đáp ứng đƣợc những yêu cầu đã đề ra ở trên. Đa
truy cập phi trực giao (NOMA) là một trong số những công nghệ đó.
NOMA là một công nghệ hứa hẹn nhằm tăng cƣờng thông lƣợng và năng lực
của hệ thống. NOMA cho phép nhiều ngƣời dùng chia sẻ tài nguyên thời gian và tần
số trong cùng một không gian bằng cách đơn giản hóa việc đa truy cập hợp kênh
miền công suất hoặc đa truy cập hợp kênh miền mã một cách tuyến tính. Nhiễu xảy
ra do NOMA đƣợc kiểm soát bằng việc phân bổ nguồn tài nguyên phi trực giao, với
chi phí tăng độ phức tạp của máy thu khi sử dụng cơ chế loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC
(Successive Interference Cancellation) hoặc khả năng tối đa ML (Maximum
Likelihood).
Nội dung luận văn sẽ đƣợc trình bày nhƣ sau: Chƣơng 1 sẽ trình bày tổng
quan về hệ thống thông tin di đông; tiếp sau đó, chƣơng 2 sẽ trình bày tổng quan,
phân loại các công nghệ đƣợc sử dụng trong NOMA; cuối cùng chƣơng 3 sẽ đánh
giá hiệu năng của NOMA và so sánh với OMA.
Thông qua các vấn đề đƣợc đề cập đến trong luận văn, em mong rằng sẽ có
sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ NOMA và những chỉ tiêu, thông
số của mạng di động 5G trong tƣơng lai.

1


CHƢƠNG 1:

TỔNG QUAN
1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1.1 Các đặc tính mạng 2G
Mạng thông tin di động 2G là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải
cách cũng nhƣ khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ
thuật số thay cho tín hiệu tƣơng tự của thế hệ 1G và đƣợc áp dụng lần đầu tiên tại

Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj)
trong năm 1991. Mạng 2G mang tới cho ngƣời sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ
trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối
rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS.
Theo đó, các tin hiệu thoại khi đƣợc thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu số dƣới
nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại đƣợc lƣu chuyển trên
cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu số
truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lƣợng sóng ít hơn và sử dụng các
linh kiện thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn…
+ Đặc điểm:
- Dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế cho truyền thông di động đồng nhất
- Chuyển vùng quốc tế
- Mã hóa số
- Các dịch vụ tăng cƣờng (Dữ liệu + Thoại)
- Tiêu thụ công suất thấp
- Thiết bị đầu cuối có kích thƣớc nhỏ gọn, tiện lợi và nhẹ
- Công nghệ truyền dẫn TDMA/CDMA
- Dung lƣợng lớn
Mạng 2G dựa trên 2 kĩ thuật chính tùy theo từng nƣớc sử dụng.
+ GSM: Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số. Hầu hết thì hoạt
động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz. Vài nƣớc ở Châu Mỹ thì sử dụng tần số
850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng
trƣớc. Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 MHz hay 450 MHz chỉ có
2


ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác. Các
mạng sử dụng tần số 900 MHz thì đƣờng lên (từ thuê bao di động đến trạm
truyền dẫn) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đƣờng xuống sử dụng tần
số trong dải 935–960 MHz. Các băng tần này đƣợc chia thành 124 kênh với độ

rộng băng thông 25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz. Trong hệ
thống GSM, phƣơng pháp GMSK (Gausian Minimum Shift Keying) đƣợc sử
dụng để điều chế tín hiệu.
GSM sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (time division
multiplexing), cho phép truyền 8 kênh thoại trên 1 kênh vô tuyến. Có 8 khe thời gian
gộp lại gọi là một khung TDMA. Tốc độ dữ liệu cho cả tám kênh là 270.833 kbit/s.
+ CDMA 2000: là một tiêu chuẩn công nghệ di động họ 3G[1], tiêu chuẩn
này sử dụng kỹ thuật truy cập kênh đa sóng mang CDMA, để gửi thoại, dữ liệu và
dữ liệu báo hiệu giữa các điện thoại di động và trạm gốc, hỗ trợ tốc độ dữ liệu gói
lên tới 153 kbps với truyền dẫn dữ liệu thực trung bình đạt 60–100 kbps trong hầu
hết các ứng dụng thƣơng mại trên thế giới.
Tiêu chuẩn CDMA2000 đƣợc thiết kế vận hành với băng thông 1,25MHz.
Trong kỹ thuật này, nhiều sóng CDMA2000 trải phổ trực tiếp (sóng mang
1,25MHz) đƣợc kết hợp lại để tạo thành tín hiệu CDMA dải rộng hỗn hợp (5MHz).
Tốc độ chip của CDMA2000 đƣợc chọn là 1,2288 Mchip/s [1].
1.1.2 Các đặc tính mạng 3G
Mạng 3G (Third-generation technology) là mạng di động thế hệ thứ ba
theo chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả thoại số và dữ liệu
ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). Mạng thông tin
di động 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh.
Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio không hoàn toàn khác so với hệ
thống 2G hiện nay [2].
Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép
truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lƣợng cao cho cả thuê bao cố định
và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà
cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phƣơng tiện, nhƣ âm nhạc

3

chất lƣợng cao; hình ảnh video chất lƣợng và truyền hình số; Các dịch vụ định vị
toàn cầu (GPS); E-mail; Video streaming; High-ends games;...
+ Đặc điểm:
- Kênh có băng thông rộng hon nhiều so với 2G
- Công nghệ truyền dẫn W-CDMA. Hiệu suất phổ cao hơn (~2 b/s/Hz)
- Tốc độ bit cao
+ Các thông số kĩ thuật chính
Các tiêu chuẩn chung sau đây tuân thủ tiêu chuẩn IMT2000 / 3G:WCDMA là triển khai phổ biến nhất, thƣờng hoạt động trên băng tần 2,100
MHz. Một số khác sử dụng các băng tần 850, 900 và 1,900 MHz.HSPA là một
sự pha trộn của một số nâng cấp lên chuẩn W-CDMA ban đầu và cung cấp tốc
độ 14,4 Mbit / s và 5,76 Mbit / s. Tốc độ chip của WCDMA đƣợc chọn là 3,84
Mchip/s. WCDMA truyền nhiều kênh cùng một lúc với các mã trực giao khác
nhau, những kênh mã này có thể gây nhiễu với nhau khi giao thoa “pha” nhận
đƣợc bởi một trạm gốc không đƣợc lý tƣởng.
1.1.3 Các đặc tính mạng 4G
4G mạng thông tin đi động thế hệ thứ 4. Dự án hợp tác thế hệ 3 (3GPP)
chuẩn hoá. Hệ thống thông tin di động 4G cải thiện các mạng truyền thông hiện
hành bằng cách đƣa ra một giải pháp hoàn chỉnh và đáng tin cậy dựa trên IP. Các
tiện ích nhƣ thoại, dữ liệu và đa phƣơng tiện sẽ đƣợc truyền tải tới ngƣời đăng ký ở
mọi thời điểm và ở mọi nơi với tốc độ dữ liệu khá cao liên quan đến các thế hệ
trƣớc đó. Các ứng dụng đang đƣợc thực hiện để sử dụng mạng 4G là: Dịch vụ Nhắn
tin Đa phƣơng tiện (MMS), Video kỹ thuật số (DVB) và trò chuyện video, nội dung
Tivi có độ nét cao và TV di động.
+ Đặc điểm:
- Kênh có băng thông rất rộng,
- Công nghệ truyền dẫn hợp kênh phân chia tần số trực giao.
- Hiệu suất phổ cao hơn nhiều so với 3G (~ 8 b/s/Hz)
- Sử dụng các kĩ thuật phân tập (Thời gian, tần số, không gian)
- Tốc độ bít rất cao

4


+ Các kĩ thuật chính
Mạng 4G hiện hoạt động trên băng tần LTE. Tiêu chuẩn LTE có thể đƣợc
dùng với nhiều băng tần khác nhau. Ở Bắc Mỹ, dải tần 700/ 800 và 1700/
1900 MHz đƣợc quy hoạch cho LTE; 800, 1800, 2600 MHz ở châu Âu; 1800 và
2600 MHz ở châu Á; và 1800 MHz ở Australia. Đặc tả kỹ thuật LTE chỉ ra tốc độ
tải xuống đỉnh đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên đỉnh đạt 75 Mbit/s và QoS quy định
cho phép trễ truyền dẫn tổng thể nhỏ hơn 5 ms trong mạng truy nhập vô tuyến.
LTE có khả năng quản lý các thiết bị di động chuyển động nhanh và hỗ trợ
các luồng dữ liệu quảng bá và đa điểm. LTE hỗ trợ băng thông linh hoạt, từ
1,25 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ cả song công phân chia theo tần số (FDD) và song
công phân chia theo thời gian (TDD).
Phần lớn tiêu chuẩn LTE hƣớng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng
có thể thực sự trở thành công nghệ truyền thông di động 4G. Một lƣợng lớn công
việc là nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, vì nó chuyển từ mạng
UMTE sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh + chuyển mạch gói sang hệ thống kiến
trúc phẳng toàn IP. E-UTRA là giao diện vô tuyến của LTE. Nó có các tính năng
chính sau [3]:
+ Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s
phụ thuộc vào kiểu thiết bị ngƣời dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông
là 20 MHz). 5 kiểu thiết bị đầu cuối khác nhau đã đƣợc xác định từ một kiểu tập
trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh.
Tất cả các thiết bị đầu cuối đều có thể xử lý băng thông rộng 20 MHz.
+ OFDMA đƣợc dùng cho đƣờng xuống, SC-FDMA dùng cho đƣờng lên để
tiết kiệm công suất.
+ Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz,
10 MHz, 15 MHz và 20 MHz đƣợc chuẩn hóa (W-CDMA yêu cầu độ rộng băng
thông là 5 MHz, dẫn tới một số vấn đề với việc đƣa vào sử dụng công nghệ mới tại

các quốc gia mà băng thông 5 MHz thƣơng đƣợc ấn định cho nhiều mạng, và
thƣờng xuyên đƣợc sử dụng bởi các mạng nhƣ 2G GSM và cdmaOne).
+ Hỗ trợ kích thƣớc tế bào từ bán kính hàng chục m (femto và picocell) lên
tới các macrocell bán kính 100 km. Trong dải tần thấp hơn dùng cho các khu vực
5


nông thôn, kích thƣớc tế bào tối ƣu là 5 km, hiệu quả hoạt động hợp lý vẫn đạt đƣợc
ở 30 km, và khi lên tới 100 km thì hiệu suất hoạt động của tế bào vẫn có thể chấp
nhận đƣợc. Trong khu vực thành phố và đô thị, băng tần cao hơn (nhƣ 2,6 GHz ở
châu Âu) đƣợc dùng để hỗ trợ băng thông di động tốc độ cao. Trong trƣờng hợp
này, kích thƣớc tê bào có thể chỉ còn 1 km hoặc thậm chí ít hơn.
+ Hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối dữ liệu hoạt động trong mỗi tế bào có băng
thông 5 MHz.
+ Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói.
1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Kể từ khi hệ thống 1G đƣợc Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên
vào năm 1981, cứ khoảng 10 năm lại xuất hiện một thế hệ điện thoại di động mới.
Các hệ thống 2G đầu tiên bắt đầu tung ra vào năm 1991, các hệ thống 3G đầu tiên
xuất hiện lần đầu vào năm 2001 và hệ thống 4G hoàn toàn tuân thủ các tiêu chuẩn
"IMT nâng cao" đã đƣợc chuẩn hóa vào năm 2012. Sự phát triển các hệ thống tiêu
chuẩn của các mạng 2G (GSM) và 3G (IMT-2000 và UMTS) mất khoảng 10 năm
kể từ khi các dự án R & D chính thức bắt đầu, và quá trình phát triển hệ thống 4G
đã đƣợc bắt đầu từ năm 2001 hoặc 2002. Các công nghệ làm tiền đề cho một thế hệ
mới thƣờng đƣợc giới thiệu trên thị trƣờng từ một vài năm trƣớc đó, ví dụ nhƣ hệ
thống CdmaOne/IS95 tại Mỹ vào năm 1995 đƣợc xem là tiền đề cho 3G, hệ thống
Mobile WiMAX ở Hàn Quốc năm 2006 đƣợc xem là tiền đề cho 4G, và hệ thống
thử nghiệm đầu tiên cho LTE là ở Scandinavia năm 2009. Từ tháng 4 năm 2008,
Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp - một tổ hợp trong NASA Research
Park - dƣới sự lãnh đạo của Geoff Brown - bắt đầu phát triển công nghệ thông tin

liên lạc 5G [4].
Các thế hệ điện thoại di động thƣờng dựa trên các yêu cầu đối với các tiêu
chuẩn di động không-tƣơng-thích-ngƣợc dƣới đây - theo ITU-R, nhƣ IMT-2000 cho
3G và IMT-Advanced cho 4G. Song song với sự phát triển của các thế hệ điện thoại
di động của ITU-R, IEEE và các cơ quan tiêu chuẩn hóa khác cũng phát triển các
công nghệ truyền thông không dây, thƣờng cho tốc độ dữ liệu cao hơn và tần số cao
hơn, nhƣng phạm vi truyền ngắn hơn. Các tiêu chuẩn Gigabit IEEE đầu tiên là IEEE
802.11ac, đƣa vào thƣơng mại từ năm 2013 và gần nhƣ lập tức đƣợc tiếp nối bởi
tiêu chuẩn đa Gigabit khác là IEEE 802.11ad.
6


1.2.1 Mô hình mạng
Mạng di động 5G đƣợc lên kế hoạch sử dụng thêm bƣớc sóng milimét, phổ
tín hiệu RF giữa các tần số cao 20GHZ và 300GHz. Các bƣớc sóng này có thể
truyền tải khối lƣợng lớn dữ liệu với tốc độ cao, nhƣng không truyền đƣợc xa và
khó xuyên qua tƣờng, vƣợt các ngại vật nhƣ các bƣớc sóng tần số thấp trong mạng
4G. Vì vậy khi xây dựng mạng 5G, các nhà mạng đã sử dụng một lƣợng lớn ăng ten
để có cùng độ phủ sóng nhƣ 4G hiện tại.
Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang đƣợc sử dụng bởi mạng 2G, 3G
và 4G, có thể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform
Stations), đƣợc biết nhƣ là những chiếc máy bay cố định ở độ cao trung bình 20 km
so với mặt đất. Chúng hoạt động nhƣ vệ tinh và thay thế các ăng ten để giúp đƣờng
truyền tín hiệu của mạng không dây mới đƣợc thẳng và vùng phủ sóng rộng, ổn
định hơn, không bị hạn chế bởi các thiết kế kiến trúc cao tầng [3].
Kiến trúc của 5G đƣợc mở rộng và nâng cấp, các yếu tố mạng của nó và thiết
bị đầu cuối khác nhau đƣợc nâng cấp để đủ khả năng đáp ứng các yêu cầu mới.
Tƣơng tự nhƣ vậy, các nhà cung cấp dịch vụ có thể thực hiện công nghệ tiên tiến để
áp dụng các dịch vụ giá trị gia tăng một cách dễ dàng [4].

Hình 1.1: Mô hình dự kiến mạng 5G [4]

7


Tuy nhiên, khả năng nâng cấp dựa trên công nghệ vô tuyến nhận thức bao
gồm các tính năng quan trọng khác nhau nhƣ khả năng của thiết bị để xác định vị trí
địa lý cũng nhƣ thời tiết, nhiệt độ, vv...Công nghệ vô tuyến nhận thức hoạt động
nhƣ một bộ thu phát nhận biết và phản hồi tín hiệu radio trong môi trƣờng hoạt
động. Hơn nữa, nó nhanh chóng phân biệt những thay đổi trong môi trƣờng của nó
và do đó đáp ứng phù hợp để cung cấp dịch vụ chất lƣợng không bị gián đoạn.
Vì cấu trúc cell 5G không đồng nhất do đó khái niệm cell thông thƣờng nhƣ
trong mô hình mạng 2/3/4G đƣợc gọi macrocell. Một macrocell bao gồm các small
cell, pico cell hay femto cell với các trạm BS và relays.
Một khái niệm small cell di động là một phần không thể tách rời của mạng di
động không dây 5G và một phần gồm các khái niệm di động và chuyển tiếp small
cell. Nó đang đƣợc giới thiệu để ngƣời sử dụng mạng di động trong xe ô tô và tàu
cao tốc. Các small cell di động đƣợc đặt bên trong ô tô di chuyển để truyền thông
với ngƣời sử dụng bên trong ô tô, nhờ công nghệ MIMO khối bao gồm các mảng
anten lớn đƣợc đặt bên ngoài ô tô để liên lạc với trạm cơ sở bên ngoài.
Ngƣời sử dụng small cell di động có tốc độ dữ liệu cao cho các dịch vụ dữ
liệu theo yêu cầu với mức tín hiệu giảm đáng kể. Vì kiến trúc mạng di động không
dây 5G chỉ gồm hai lớp logic: mạng vô tuyến và đám mây mạng ảo. Các loại khác
nhau của các thành phần mạng thực hiện các chức năng khác nhau cấu thành mạng
vô tuyến điện. Đám mây ảo hóa chức năng mạng (NFV) bao gồm một thực thể mặt
phẳng ngƣời dùng (UPE) và một thực thể mặt phẳng điều khiển (CPE) thực hiện các
chức năng lớp cao hơn liên quan đến mặt phẳng ngƣời dùng và điều khiển (User và
Control). Chức năng mạng đặc biệt nhƣ là một dịch vụ (XaaS) sẽ cung cấp dịch vụ
theo nhu cầu, tổng hợp tài nguyên là một trong những ví dụ. XaaS là kết nối giữa
một mạng vô tuyến và một đám mây mạng.

Hệ thống bao gồm một thiết bị đầu cuối ngƣời dùng chính và sau đó là một
số công nghệ truy cập vô tuyến độc lập và tự động. Mỗi công nghệ vô tuyến đƣợc
coi là liên kết IP cho thế giới Internet bên ngoài. Công nghệ IP đƣợc thiết kế độc
quyền để đảm bảo dữ liệu kiểm soát đầy đủ cho việc định tuyến thích hợp các gói IP
liên quan đến một kết nối ứng dụng nhất định, tức là các phiên giữa các ứng dụng
khách và máy chủ ở đâu đó trên Internet.

8


Thiết kế RAN cho công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) thế hệ tiếp theo sẽ
đƣợc thiết kế để đáp ứng các yêu cầu sau [5]:
+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ tƣơng tác chặt chẽ các công nghệ truy cập vô
tuyến mới và LTE.
+ Có tín hiệu năng cao giữa các RAT di động và sự kết hợp các luồng dữ liệu
thông qua ít nhất hai kết nối giữa LTE và RAT mới. Điều này sẽ đƣợc hỗ trợ khai
thác cả trạm đƣợc phân bổ lẫn trạm không đƣợc phân bổ.
+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ kết nối thông qua nhiều điểm truyền tải, hoặc
đƣợc phân bổ lẫn không đƣợc phân bổ.
+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép phân tách báo hiệu mặt phẳng điều khiển và
dữ liệu mặt phẳng ngƣời dùng từ các trạm khác nhau.
+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ giao diện hỗ trợ phối hợp lập lịch hiệu quả giữa
các trạm.
+ Đƣợc phép lựa chọn các tùy chọn khác nhau và linh hoạt để chia tách
kiến trúc RAN.
+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép triển khai linh hoạt.
+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép phân tách mặt phẳng điều khiển C-plane và
mặt phẳng ngƣời dùng U-plane.
+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép triển khai sử dụng mạng chức năng Ảo.
+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép RAN và CN phát triển độc lập.

+ Kiến trúc RAN sẽ cho phép mạng hoạt động chia cắt.
+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ chia sẻ RAN giữa đa thao tác.
+ Việc thiết kế cấu trúc RAN sẽ cho phép triển khai nhanh chóng và hiệu quả
các dịch vụ mới.
+ Thiết kế của kiến trúc RAN sẽ cho phép hỗ trợ các lớp dịch vụ đƣợc định
nghĩa theo chuẩn 3GPP (ví dụ: tƣơng tác, nền, streaming và đàm thoại).
+ Việc thiết kế cấu trúc RAN sẽ cho phép CAPEX/OPEX thấp hơn đối với
các. mạng hiện tại để đạt đƣợc cùng mức độ dịch vụ.
+ Các giao diện RAN - CN và các giao diện nội bộ của RAN (giữa các
nút/chức năng hợp lý RAT và giữa các nút/chức năng hợp lý RAT và LTE mới) sẽ
mở ra cho khả năng tƣơng tác giữa các nhà cung cấp.
+ Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ thao tác liên kết (thiết bị với thiết bị) của nhà điều
hành đƣợc kiểm soát, cả trong phạm vi phủ sóng và ngoài phạm vi phủ sóng.
9


1.2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản
- Tốc độ dữ liệu đỉnh
Tốc độ dữ liệu đỉnh là tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt đƣợc dƣới điều kiện lý
tƣởng (đơn vị: bit/s), tức là các bit dữ liệu nhận đƣợc không bị lỗi của một trạm di
động đơn lẻ sử dụng toàn bộ tài nguyên vô tuyến đƣợc ấn định.
Yêu cầu này đƣợc định nghĩa cho kịch bản sử dụng eMBB (Enhanced Mobile
Broadband / Extreme Mobile Broadband). Theo đó, mục tiêu tốc độ dữ liệu đỉnh là
20 Gbit/s đối với đƣờng xuống và tốc độ dữ liệu đỉnh đƣờng lên là 10 Gbit/s [4].
-Hiệu suất phổ đỉnh
Hiệu suất phổ cao nhất là tốc độ dữ liệu lý thuyết cao nhất (chuẩn bởi
băng thông), là tốc độ truyền dữ liệu nhận đƣợc giả định các điều kiện không có
lỗi đƣợc chuyển cho một trạm di động duy nhất, khi tất cả tài nguyên vô tuyến
đƣợc phân bổ cho hƣớng liên kết tƣơng ứng đƣợc sử dụng (ví dụ, tài nguyên
đƣợc sử dụng để đồng bộ lớp vật lý, tín hiệu tham khảo hoặc sóng mang, dải bảo

vệ và thời gian bảo vệ).
Mục tiêu cho hiệu suất phổ đỉnh là 30 bps/Hz cho đƣờng xuống và 15 bps/Hz
cho đƣờng lên [4].
- Tốc độ dữ liệu ngƣời dùng trải nghiệm
Tốc độ dữ liệu ngƣời dùng trải nghiệm đƣờng xuống là 100 Mbit/s và tốc độ
dữ liệu ngƣời dùng trải nghiệm đƣờng lên 50 Mbit/s.
Tốc độ dữ liệu thực tế của ngƣời dùng có thể đƣợc đánh giá theo bộ đệm lƣu
lƣợng không đầy đủ và cho bộ đệm lƣu lƣợng đầy đủ.
Đối với bộ đệm lƣu lƣợng không đầy đủ, tốc độ dữ liệu thực tế ngƣời dùng là
5% của thông lƣợng ngƣời sử dụng. Thông lƣợng ngƣời dùng (trong thời gian hoạt
động) đƣợc định nghĩa là kích thƣớc của một cụm dữ liệu (burst) chia cho thời gian
giữa gói tin đầu tiên của burst và gói tin cuối cùng của burst.
Giá trị tốc độ dữ liệu thực tế mong muốn ngƣời dùng đƣợc kết hợp với việc
ƣớc lƣợng bộ đệm lƣu lƣợng không đầy đủ. Tốc độ dữ liệu thực tế ngƣời dùng bộ
đệm lƣu lƣợng không đầy đủ là khả năng mức độ lƣu lƣợng tại dung lƣợng lƣu
lƣợng vùng bộ đệm lƣu lƣợng không đầy đủ

10


Đối với bộ đệm lƣu lƣợng đầy đủ, tốc độ dữ liệu thực tế của ngƣời dùng có
thể đƣợc tính
Tốc độ dữ liệu thực tế của người dùng = 5% hiệu suất phổ người dùng

băng thông

Để cải thiện tốc độ dữ liệu ngƣời dùng thực tế, 3GPP có thể phát triển các
tiêu chuẩn để nâng cao hơn 5% hiệu suất phổ ngƣời dùng. Để đạt đƣợc điều này,
5% hiệu suất phổ ngƣời dùng tăng gấp ba lần so với IMT-Advanced. Hơn nữa,
3GPP có thể phát triển các tiêu chuẩn với các phƣơng tiện hỗ trợ băng thông lớn.

Để đạt đƣợc điều này, cần có băng thông tổng hợp ít nhất 1 GHz.
Cả độ rộng băng thông và mật độ UE trong diện tích/khu vực đều có tác
động mạnh đến tốc độ dữ liệu ngƣời dùng thực tế, vƣợt quá tầm kiểm soát của
3GPP.Mục tiêu: tốc độ DL-100 Mbps và tốc độ UL - 50 Mbps
- Độ trễ
+ Độ trễ mặt phẳng điều khiển
Độ trễ cho mặt phẳng điều khiển đề cập đến thời gian để di chuyển hiệu quả
trạng thái hoạt động thiết bị (ví dụ từ trạng thái chờ đến khi bắt đầu truyền dữ liệu
liên tục). Mục tiêu độ trễ mặt phẳng điều khiển là 1 ms.
+ Độ trễ mặt phẳng ngƣời dùng
Xác định thời gian thực hiện thành công cung cấp đơn vị dữ liệu (2/3 SDU Service Data Unit) từ lớp ứng dụng tới lớp giao thức vô tuyến ở cả đƣờng lên và
đƣờng xuống giữa trạm thu và trạm phát không bị hạn chế bởi thu gián đoạn (DRX
- Discontinuous Reception).
Đối với truyền thông độ trễ thấp độ tin cậy siêu cao (URLLC), độ trễ mặt
phẳng của ngƣời dùng mong muốn đạt là 0,5 ms đối với UL và 0,5 ms đối với DL.
Hơn nữa, nếu có thể, độ trễ cũng phải thấp, đủ để hỗ trợ việc sử dụng các công nghệ
truy cập thế hệ tiếp theo nhƣ một công nghệ truyền tải không dây có thể đƣợc sử
dụng trong kiến trúc truy cập thế hệ tiếp theo.
Đối với các trƣờng hợp khác, mục tiêu cho độ trễ mặt phẳng của ngƣời dùng
là 4 ms cho UL và 4 ms cho DL.
+ Thời gian gián đoạn di động
Thời gian gián đoạn di động có nghĩa là thời gian thời gian ngắn nhất đƣợc
hỗ trợ bởi hệ thống; Trong thời gian đó một thiết bị đầu cuối ngƣời dùng không thể
trao đổi các gói dữ liệu ngƣời từ mặt phẳng sử dụng với bất kỳ trạm gốc trong thời
gian chuyển. Mục tiêu thời gian gián đoạn di động là 0ms.
11


Có thể có các yêu cầu khác nhau đối với sự gián đoạn di động trong tần số và
liên tần số và cho các dịch vụ khác nhau. Trong trƣờng hợp đa kết nối đƣợc hỗ trợ,

sẽ không có thời gian gián đoạn hoạt động.
- Tính di động hệ thống
Là tốc độ chuyển động của trạm di động (km/h) mà vẫn đạt đƣợc chất lƣợng
dịch vụ (QoS) theo yêu cầu. 5G sẽ hỗ trợ tốc độ tối đa của trạm di động lên tới 500
km/h. Với yêu cầu này, ngƣời dùng thiết bị đi dộng trên các tàu cao tốc vẫn đảm
bảo đƣợc kết nối. Tốc độ tàu cao tốc lớn nhất hiện nay nhƣ của Nhật Bản hoặc CGV
của Châu Âu là 320 km/h [4].
Ngoài ra còn có các yêu cầu khác để đánh giá đạt tiêu chuẩn công nghệ IMT2020 trong các kịch bản sử dụng khác nhau nhƣ: Hiệu quả sử dụng năng lƣợng, độ
tin cậy, thời gian gián đoạn khi di động, tổng lƣu lƣợng vùng. Tính di động hệ
thống đề cập đến khả năng hỗ trợ tính di động của thuê bao giữa hệ thống IMT2020 và ít nhất một hệ thống IMT. IMT không phải là một công nghệ cụ thể mà là
một đặc tả và danh sách các yêu cầu đối với dịch vụ băng rộng di động tốc độ cao.
+ Độ tin cậy
Độ tin cậy có thể đƣợc đánh giá bởi xác suất thành công của việc truyền nhƣ
20 byte trong vòng 1 ms, đó là thời gian cần để phân phát một gói dữ liệu nhỏ từ lớp
giao thức vô tuyến 2/3 SDU vào điểm truy cập vào lớp giao thức vô tuyến 2/3 SDU
điểm xuất phát của giao diện vô tuyến, với chất lƣợng kênh nhất định (ví dụ, tại
biên của vùng phủ sóng).
Mục tiêu về độ tin cậy phải đạt

trong vòng 1 ms.

+ Phủ sóng
Dựa trên suy hao ghép tối đa ("Maximum coupling loss" - MCL) trên đƣờng
lên và đƣờng xuống giữa thiết bị ngƣời dùng và trạm gốc (kết nối ăng ten) tại tốc độ
dữ liệu 160 bps (tốc độ dữ liệu đƣợc quan sát tại điểm vào/ra của ngăn xếp vô tuyến
trong cả đƣờng lên lẫn đƣờng xuống). Mục tiêu suy hao gép tối đa đạt 164 dB.
- Dung lƣợng vùng lƣu lƣợng
Dung lƣợng vùng lƣu lƣợng có nghĩa là tổng lƣu lƣợng trong khu vực địa lý
(đơn vị tính Mbit/s/

). Chỉ số này có thể đƣợc đánh giá bởi hai mô hình lƣu lƣợng

truy cập khác nhau, tức là mô hình đệm lƣu lƣợng đầy đủ và mô hình đệm lƣu
lƣợng không đầy đủ.
12


Mô hình đệm đầy đủ:
Dung lƣợng vùng lƣu lƣợng là tổng lƣu lƣợng trong khu vực địa lý (đơn vị
Mbit/s/

). Việc tính toán số liệu này dựa trên bộ đệm lƣu lƣợng đầy đủ. Mô hình

bộ đệm lƣu lƣợng đầy đủ là một phiên bản đơn giản của lƣu lƣợng truy cập thu/phát
bởi ngƣời dùng trong một phiên dữ liệu. Nó đƣợc đặc trƣng bởi hai sự kiện: số
lƣợng ngƣời dùng trong ô tế bào là không đổi và bộ đệm luồng dữ liệu của ngƣời
dùng luôn có số lƣợng dữ liệu không giới hạn để truyền tải.
Mô hình bộ đệm không đầy đủ:
Tổng lƣu lƣợng trong khu vực địa lý (đơn vị Mbit/s/

). Cả tốc độ dữ liệu

ngƣời dùng thực tế và dung lƣợng lƣu lƣợng khu vực cần phải đƣợc đánh giá đồng
thời sử dụng cùng một mô hình lƣu lƣợng dữ liệu.
Mô hình bộ đệm hữu hạn là một phiên bản đơn giản của kiểu lƣu lƣợng
tƣơng tác hoặc lƣu lƣợng nền. Bộ đệm hữu hạn bao gồm cả lƣu lƣợng ngƣời dùng
đến (birth) và lƣu lƣợng ngƣời dùng đi (death). Với mô hình lƣu lƣợng này, lƣu
lƣợng ngƣời dùng đƣợc chỉ định một tải trọng hữu hạn để truyền hoặc nhận khi nó
đến và khi nó rời khỏi hệ thống sau khi quá tải hoặc nhận tín hiệu đƣợc hoàn thành.
Quá trình truy cập đến ngƣời dùng của mô hình này cho thấy thực tế là các lƣu

lƣợng ngƣời dùng trong mạng không đồng thời hoạt động cùng lúc, nhƣng họ trở
nên hoạt động khi họ bắt đầu phiên dữ liệu yêu cầu tải xuống / tải lên dữ liệu
Dung lƣợng vùng lƣu lƣợng là một thƣớc đo mức lƣu lƣợng truy cập mà một
mạng có thể thực hiện trên một đơn vị diện tích. Nó phụ thuộc vào mật độ diện tích,
băng thông và hiệu quả phổ. Trong trƣờng hợp đặc biệt của một hệ thống đơn lớpđơn dải (single-layer single band), nó có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau [1]:
Dung lượng vùng lưu lượng (bps/
(Hz)

) = mật độ trạm (site/

)

băng thông

hiệu suất phổ (bps/Hz/site)
Dựa vào các kết quả trên, ngƣời ta đề xuất sử dụng hiệu suất phổ không chỉ

là tỷ số của bps với băng thông mà còn trên mật độ trạm để có đƣợc thông tin quan
trọng (KPI) này về dung lƣợng vùng lƣu lƣợng một cách định lƣợng.
Mục tiêu chỉ số KPI này là: 10Mbit/s/

13


- Mật độ kết nối
Mật độ kết nối đề cập đến tổng số thiết bị thực hiện QoS (Quality of Service)
cụ thể trên mỗi đơn vị diện tích (

). Định nghĩa QoS nên tính đến lƣợng dữ liệu

hoặc yêu cầu truy cập đƣợc tạo ra trong thời gian X (đƣợc nghiên cứu trong tƣơng
lai) có thể đƣợc gửi hoặc nhận trong một khoảng thời gian nhất định, Y (sẽ đƣợc
nghiên cứu trong tƣơng lai), với Z% đƣợc nghiên cứu trong tƣơng lai) xác suất.Mục
tiêu mật độ kết nối cần là 1.000.000 thiết bị /

trong môi trƣờng đô thị.

+ Tính di động
Tính di động là tốc độ ngƣời sử dụng tối đa (km / h) mà tại đó một QoS đƣợc
xác định có thể đạt đƣợc. Mục tiêu là 500 km/h.
1.3 ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Trong mạng thông tin di động sử dụng truyền thông không dây, không gian
(môi trƣờng truyền tin) cùng đƣợc sử dụng chung cho tất cả các trạm. Do đó các
trạm truyền tin không dây trong một mạng phải tuân thủ cơ chế đa truy cập áp dụng
cho mạng đó. Hai cơ chế đa truy cập cơ bản là:
+ Truy cập kênh tĩnh sử dụng các kênh trực giao để truyền dữ liệu mỗi khi một
trạm đƣợc phép truyền thông không dây để truyền dữ liệu của mình theo cơ chế kênh,
tránh xung đột hay nhiễu từ dữ liệu ngƣời dùng này tới dữ liệu ngƣời dụng kia.
+ Truy cập kênh động sử dụng truyền dữ liệu dạng gói với hai cơ chế cơ bản
- Truy cập ngẫu nhiên (Random Access): Một kênh dùng chung cho các
trạm truyền thông tin báo hiệu (điều khiển) để đăng kí yêu cầu truyền tin. Cơ chế
giải quyết xung đột đƣợc sử dụng để nhận thông tin điều khiển theo từng mạng. Vào
những năm 1970, Norman Abramson cùng các đồng sự tại Đại học Hawaii đã phát
minh ra một phƣơng pháp mới ƣu hạng dùng để giải quyết bài toán về cấp phát
kênh truyền. Ở đây, chúng ta sẽ thảo luận về hai phiên bản của ALOHA: pure
(thuần túy) và slotted (đƣợc chia khe).
Slotted ALOHA: Thời gian đƣợc chia thành nhiều slot có kích cỡ bằng nhau
để mô hình hóa cơ chế kênh (bằng thời gian truyền một khe thời gian). Một trạm
muốn truyền một khung thì phải đợi đến đầu slot thời gian kế tiếp mới đƣợc truyền.
Dĩ nhiên là sẽ xảy ra xung đột và khung bị đụng độ sẽ bị hƣ. Tuy nhiên, dựa trên

tính phản hồi của việc truyền quảng bá, trạm phát luôn có thể theo dõi xem khung
14


của nó phát đi có bị hủy hoại hay không bằng cách lắng nghe kênh truyền. Những
trạm khác cũng làm theo cách tƣơng tự. Trong trƣờng hợp vì lý do nào đó mà trạm
không thể dùng cơ chế lắng nghe đƣờng truyền, hệ thống cần yêu cầu bên nhận trả
lời một khung báo nhận (acknowledgement) cho bên phát. Nếu phát sinh đụng độ,
trạm phát sẽ gởi lại khung tại đầu slot kế tiếp với xác suất p cho đến khi thành công.
Pure ALOHA: Kỹ thuật Pure ALOHA đơn giản hơn Slotted ALOHA do
không có sự đồng bộ hóa giữa các trạm, nó mô hình hóa cơ chế truyền thông gói.
Mỗi khi muốn truyền một khung thông tin, trạm sẽ truyền nó ngay mà không cần
đợi đến đầu của slot thời gian kế tiếp.
- Truy cập lập lịch (Scheduling): Dữ liệu gói của các trạm đƣợc lập lịch để
truyền trên các kênh trực giao dùng chung, tránh xung đột hay nhiễu từ dữ liệu
ngƣời dùng này tới dữ liệu ngƣời dụng kia trên kênh dùng chung đó
1.3.1 Đa truy cập mạng 2G/3G
Sử dụng cơ chế truy cập kênh tĩnh.
Phƣơng pháp đa truy cập dùng trong GSM kết hợp GPRS truyền song công
dựa trên phân chia theo tần số (FDMA) và đa truy cập theo phân chia thời
gian (TDMA). Trong suốt một kết nối cuộc gọi, ngƣời dùng đƣợc gán cho một cặp
khe thời gian tƣơng ứng với kênh tần số tải lên và kênh tần số tải xuống. Có tới 8
khe thời gian trong một khung trên một kênh tần số và có tới 124 kênh tần số đƣờng
lên hay đƣờng xuống cho hệ thống GSM chuẩn. Điều này sẽ giúp cho vài ngƣời
dùng có thể chia sẻ cùng một kênh tần số. Các khe thời gian có độ dài cố định cho
phép truyền dữ liệu ngƣời dùng với tốc độ 13 kb/s.
CDMA (Code Division Multiple Access) là đa truy nhập (đa ngƣời dùng)
phân chia theo mã. Khác với GSM phân phối tần số thành những kênh nhỏ, rồi chia
sẻ thời gian các kênh ấy cho ngƣời sử dụng. Trong khi đó thuê bao của mạng di
động CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung. Mọi khách hàng có thể đồng thời

truyền tín hiệu của mình trên cùng một giải tần, trong suốt thời gian cuộc gọi. Dữ
liệu mỗi ngƣời dùng đƣợc truyền trên một kênh mã, mỗi ngƣời dùngsử dụng các
kênh mã khác nhau và trực giao với nhau. Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác
nhau sẽ đƣợc mã hoá bằng các tín hiệu giả ngẫu nhiên, sau đó đƣợc trộn lẫn và phát
đi trên cùng một giải tần chung và chỉ đƣợc phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê bao
(máy điện thoại di động) với mã giả ngẫu nhiên tƣơng ứng.
15


1.3.2 Đa truy cập mạng 4G
Sử dụng cơ chế lập lịch cho phép truyền dữ liệu ngƣời dùng trên các sóng
mang con trực giao.
LTE là một chuẩn cho công nghệ truyền thông dữ liệu không dây và là một
sự tiến hóa của các chuẩn GSM/UMTS. Mục tiêu của LTE là tăng dung lƣợng và
tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều
chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới đƣợc phát triển vào đầu thế kỷ 21 này. Một mục
tiêu cao hơn là thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng thành một hệ thống dựa
trên nền IP với độ trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc mạng 3G. Giao
diện không dây LTE không tƣơng thích với các mạng 2G và 3G, do đó nó phải hoạt
động trên một phổ vô tuyến riêng biệt.
Một trong những ƣu điểm quan trọng của mạng 4G LTE là tăng hiệu suất sử
dụng tần số và tiết kiệm băng thông. Nguyên nhân là do mạng 4G sử dụng kĩ thuật
truy cập OFDMA ở đƣờng xuống và SC-FDMA ở đƣờng lên [6]. Kỹ thuật
OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trƣờng hợp đặc biệt
của phƣơng pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với
nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà
phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm
cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều
chế thông thƣờng.
Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc chia

thành N chuỗi con song song (1,2,…, N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này
đƣợc điều chế bởi N sóng mang con trực giao, sau đó các sóng mang này đƣợc cộng
với nhau và đƣợc phát lên kênh truyền đồng thời.
Bản chất trực giao của các sóng mang con OFDM cho phép phổ của các
chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng
thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và vẫn
tránh đƣợc nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference). Ta có
thể thấy đƣợc điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên Hình 1.2

16