Nâng cao chất lượng mạng tính toán di động thế hệ sau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA H À NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯƠNG DUY HIẾU

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẠNG TÍNH
TOÁN DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2010


ĐẠI HỌC QUỐC GIA H À NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LƯƠNG DUY HIẾU

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẠNG
TÍNH TOÁN DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU
NGÀNH

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

CHUYÊN NGÀNH

TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH

MÃ SỐ

60 48 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN HỒNG QUÂN

HÀ NỘI - 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn được hoàn thành do bản thân tự nghiên cứu và
không hề sao chép từ bất kỳ luận văn nào. Nội dung luận văn có trích dẫn, tham
khảo được nêu rõ trong phần “Tài liệu tham khảo”.

Tôi xin cam đoan những lời khai trên là đúng, mọi thông tin sai lệch tôi
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng.

Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2010
Người cam đoan

Lương Duy Hiếu


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
BẢNG THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ
CHƯƠNG 1. LỊCH SỬ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG V À MẠNG 4G .....3
1.1 LỊCH SỬ MẠNG DI ĐỘNG V À XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................... 3

1.2 GIỚI THIỆU MẠNG 4G ................................ ................................ ................... 6
1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G ................................ ....9
CHƯƠNG 2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ................................ ................................ .................... 13
2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM ................................ ................................ ..................... 13
2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN OFDM ................................ ................................ ...... 14
2.3 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM................................ .............................. 15
2.4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA OFDM ................................ .............................. 19
2.5 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG OFDM ................................ ............... 19
2.6 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA OFDM ................................ ................................ ... 22
CHƯƠNG 3. NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG BẰNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP OFDM -MIMO................................ ......... 24
3.1 GIỚI THIỆU ................................ ................................ ................................ .... 24
3.2 MÔ HÌNH MÁY PHÁT DI D ỘNG OFDM................................ ...................... 26
3.3 MÔ HÌNH KÊNH. ................................ ................................ ........................... 26
3.4 MÔ HÌNH MÁY THU DI D ỘNG OFDM ................................ ........................ 28
3.5 CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ANTEN ................................ .................. 29
3.6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG................................ ................................ .................. 31
3.7 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO ................................ ................................ ....... 33
3.7.1 Khái niệm................................ ................................ ............................... 33
3.7.2 Mô hình toán học ................................ ................................ ................... 33
3.7.3 Dung lượng hệ thống MIMO ................................ ................................ ..34
3.8 MÔ HÌNH HỆ THỐNG OFDM - MIMO KẾT HỢP ................................ ........ 35
3.8.1 Đề xuất mô hình hệ thống MIMO-OFDM ................................ .............. 36
3.9 TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG OFDM -MIMO ................................ ..38
3.10 XÁC SUẤT LỖI ĐỐI VỚI HỆ THỐNG VÔ TUYẾN ĐIỀU CHẾ MPSK ..... 40
3.11 XÁC SUẤT LỖI ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ MQAM ........................ 41
3.12 TÍNH XÁC SUẤT LỖI ĐỐI V ỚI HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ QPSK ................ 42

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP
KẾT HỢP OFDM-MIMO................................ ................................ ....................... 44
4.1 CÔNG CỤ MÔ PHỎNG ................................ ................................ .................. 44
4.2 MÔ PHỎNG BỘ PHÁT VÀ BỘ THU OFDM ................................ ................. 44
4.3 MÔ PHỎNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP OFDM-MIMO................................ ....... 47
4.3.1 Mô hình giải pháp OFDM-MIMO ................................ .......................... 47
4.3.2 Lưu đồ phát ký tự trong mô hình OFDM-MIMO................................ .... 47
4.3.3 Lưu đồ thu ký tự trong mô hình OFDM-MIMO ................................ ..... 48
4.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER ................................ ................... 49
4.3.5 Số liệu mô phỏng ................................ ................................ ................... 49
4.3.6 Xác suất lỗi đối với hệ thống vô tuyến điều chế MPSK .......................... 50
4.3.7 Xác suất lỗi đối với hệ thống vô tuyến điều chế MQAM v à MPAM....... 51
4.3.8 Xác suất lỗi đối với hệ thống vô tuyến điều chế QPSK ........................... 53
4.4 ĐÁNH GIÁ ................................ ................................ ................................ ...... 54
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ T ÀI................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................ ................................ ....................... 56
PHẦN PHỤ LỤC ................................ ................................ ................................ ..... 59


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Quân, Viện
khoa học kỹ thuật Bưu điện đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian
nghiên cứu luận văn này.
Xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin - Đại
học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, trang bị những
vốn kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tôi có được kết quả tốt nhất trong học
tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động
viên tôi hoàn thành tốt chương trình học và đề tài nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2010


BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

A
AM

Amplitude Modulation

AWGN

Additive White Gaussian Noise
B

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station
C

CDMA

Code Division Multiple Access

CP

Cyclic Prefix
D

DC

Direct Current (0 Hz)

DFT

Discrete Fourier Transform

DPLL

Digital Phase Look Loop

DS-CDMA

Direct Sequence CDMA

DSP

Digital Signal Processor

DVB

Digital Video Broadcasting
F

FDM

Frequency Division Multiplexing

FEC

Forward Error Correcting

FFT

Fast Fourier Transform

FIR

Finite Impulse Response (digital filter)

FM

Frequency Modulation

FOE

Frequency Offset Estimation

FSC

Frame Synchronization Code

FSK

Frequency Shift Keying


G
GI

Guard Interval
I

ICI

InterChannel Interference

ICI

InterCarrier Interference

ISI

InterSymbol Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engneers

IFFT

Inverse FFT

IMD

Inter-Modulation Distortion

ISI

InterSymbol Interference
O

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P

P/S

Parallel to Serial

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PM

Phase Modulation

PN

Pseudo Noise

PSK

Phase-Shift Keying
Q

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying
S

S/P

Serial to Parallel

SC

Single Carrier

SNR

Signal to Noise Ratio
W

Wimax

Worldwide Interoperability for Microwave Access


2

BẢNG THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ
HÌNH SỐ

NỘI DUNG HÌNH VẼ

Hình 1.1

Trục phát triển của hệ thống thông tin di động

Hình 1.2

Các thế hệ di động

Hình 1.3

Bảng so sánh tham số công nghệ c ơ bản

Hình 1.4

Lịch sử các thế hệ di động theo công nghệ phát triển

Hình 1.5

Mô hình các dịch vụ trong mạng 4G

Hình 2.1

Truyền dẫn sóng mang đơn

Hình 2.2

Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

Hình 2.3

Các sóng mang trực giao

Hình 2.4

Sơ đồ hệ thống OFDM

Hình 2.5

OFDM với 4 sóng mang con

Hình 3.1

Mô hình máy phát và thu đối với hệ thống OFDM

Hình 3.2

Mô hình véc tơ kênh không gian cho ULA trong kênh

Hình 3.3

AWGN và kênh Rayleigh

Hình 3.4

Phân tích và giả lập kết quả BER cho kênh AWGN và kênh
Rayleigh

Hình 3.5

Mô hình kết hợp giữa MIMO và OFDM

Hình 3.6

N kênh truyền Gauss trắng song song


3
HÌNH SỐ

NỘI DUNG HÌNH VẼ

Hình 3.7

Các chuẩn thông tin không dây của IEEE

Hình 3.8

Mô hình hệ thống MIMO

Hình 3.9

Mô hình hệ thống OFDM-MIMO với bộ phát và bộ thu cải
tiến

Hình 3.10

Mô hình thực hiện biến đổi

Hình 4.1

Mô hình hệ thống OFDM-MIMO

Hình 4.2

Lưu đồ mô phỏng phát ký tự trong mô h ình OFDM-MIMO

Hình 4.3

Phổ tín hiệu OFDM truyền

Hình 4.4

Phổ tín hiệu OFDM nhận

Hình 4.5

Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền

Hình 4.6

Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận

Hình 4.7

Mô hình hệ thống OFDM-MIMO

Hình 4.8

Lưu đồ mô phỏng phát ký tự trong mô h ình OFDM-MIMO

Hình 4.9

Lưu đồ mô phỏng thu ký tự trong mô hình OFDM-MIMO

Hình 4.10

Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER

Hình 4.11

Đồ thị mô tả xác suất lỗi đối với điều chế MPSK

Hình 4.12

Đồ thị mô tả xác suất lỗi đối với điều chế MQAM

Hình 4.13

Đồ thị mô tả xác suất lỗi đối với điều chế MPAM

Hình 4.14

Đồ thị mô tả xác suất lỗi đối với điều chế QPSK


1

LỜI GIỚI THIỆU

Với việc phát triển mạnh mẽ của hệ thống thông tin di động, nhu cầu
nghiên cứu, ứng dụng và phát triển các thế hệ di động mới không ngừng đ ược
quan tâm và đang trở thành xu thế tất yếu trong kỷ nguyên công nghệ số. Như
một lời hứa cho tương lai, hệ thống thông tin di động 4G đang l à mối quan tâm
lớn của giới nghiên cứu và ứng dụng nhằm thỏa mãn những đòi hỏi ngày càng
cao của các dịch vụ mà các thế hệ thông tin di động thế hệ trước chưa thể đáp
ứng một cách hoàn hảo.
Theo trục phát triển của hệ thống thông tin di động, mỗi thế hệ luôn gắn
liền với một cộng nghệ then chốt l àm nền tàng cho hệ thống của mình. Với thế
hệ di động 2G thì đó là TMDA và CDMA. Với thế hệ di động 3G thì đó là WCDMA và CDMA2000. Với thế hệ 4G thì công nghệ OFDM được xem như là
trái tim của hệ thống. Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng đ ược
nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết
kiệm băng tần và khả năng chống lại fading chọn lọc theo tần số cũng nh ư
xuyên nhiễu băng hẹp. Cùng với sự ra đời của các chip FFT (Fast Fourier
Transformers) có dung lư ợng lớn, gần đây OFDM được ứng dụng rộng rãi trong
các hệ thống thông tin di động thế hệ mới., ti êu biểu là hệ thống DVB-T (1995),

DVN-T2, chuẩn IEEE 802.11a, HIPERR LANII. MMAC chuẩn IEEE 802.11g
và là một ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống di động 4G.
Trong khuôn khổ của luận văn này, sẽ xem xét ở khía cạnh kỹ thuật các
công nghệ sử dụng trong mạng di động 4G để t ìm kiếm giải pháp nhằm nâng
cao hiệu năng của hệ thống. Một trong những giải pháp nhằm nâng cao hiệu
năng là tận dựng ưu điểm hệ thống OFDM kết hợp với ưu điểm của MIMO để
tạo nên một hệ thống có tính kháng fading cao. Điểm chính của luận văn l à tập


2

trung nghiên cứu hệ thống OFDM-MIMO làm việc trong môi trường fading kết
hợp nhiễu cộng. Phân tích ưu nhược điểm của từng loại riêng lẻ, sau đó kết hợp
chúng lại với nhau để loại trừ ảnh h ưởng của fading. Nội dung của luận văn
cũng đưa đến bài toán cụ thể sau: Để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin
di động thế hệ sau trên nền điều chế OFDM thì từ chúng ta có thể sử dụng phép
biến đổi kỳ dị để biến đổi k ênh từ fading và nhiễu AWGN về kênh chỉ có
AWGN. Đóng góp của luận văn là chứng minh được rằng: “Nếu một kênh vô
tuyến bị tác động đồng thời của nhiễu v à fading đa đường bằng cách sử dụng
kết hợp OFDM và MIMO thông qua phép bi ến đổi kỳ dị ta có thể đ ưa nó về
một kênh tương đương AWGN và k ết quả là cải thiện được chất lượng hệ
thống”.
Bố cục của luận văn bao gồm:
Chương 1. Lịch sử hệ thống thông tin di động v à mạng 4G.
Chương 2. Đặc tính và kỹ thuật của OFDM trong hệ thống thông tin di
động 4G.
Chương 3. Nâng cao hiệu năng của hệ thống thông tin bằng giải pháp kết
hợp OFDM-MIMO.
Chương 4. Mô phỏng và kết luận cùng hướng phát triển tiếp theo của đề
tài.

3

CHƯƠNG 1
LỊCH SỬ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG V À MẠNG 4G

1.1 LỊCH SỬ MẠNG DI ĐỘNG V À XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Lịch sử ra đời và sự phát triển của dịch vụ di động tính đến hiện tại đ ược
đánh dấu từ thế hệ đầu tiên 1G tới thế hệ 4G trải qua nhiều giai đoạn khác nhau.
Thế hệ đầu tiên ra đời vào đầu những năm 70 (The first generation) của thế kỷ
trước được thực hiện dựa trên công nghệ tương tự và cấu trúc cơ bản của thông
tin di động.
Hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) được xây dựng trong những năm 80 vẫn đ ược
sử dụng chủ yếu cho thoại nh ưng đã được thực hiện trên cơ sở công nghệ số,
bao gồm các kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Các hệ thống 2G n ày cung cấp các dịch
vụ thông tin dữ liệu chuyển mạch k ênh ở tốc độ thấp. Tính cạnh tranh lại một
lần nữa dẫn tới việc thiết kế v à thực hiện các hệ thống bị phân hoá th ành các
chuẩn khác nhau không tương thích như GSM (hệ thống di động toàn cầu) chủ
yếu ở châu Âu, TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian) IS -54/IS-136 ở
Mỹ, PDC (hệ thống di động tế bào số cá nhân) ở Nhật và CDMA (đa truy nhập
phân chia theo mã), IS95 một hệ thống khác tại Mỹ. Các hệ thống n ày hoạt động
rộng khắp trên lãnh thổ quốc gia hoặc quốc tế và hiện nay chúng vẫn chiếm vai
trò là các hệ thống chủ đạo, mặc dù tốc độ dữ liệu của các thuê bao trong hệ
thống bị giới hạn nhiều.


4

Hình 1.1 - Trục phát triển của hệ thống thông tin di động

Bước chuyển tiếp giữa 2G v à 3G là 2.5G. Thế hệ 2,5G được phát triển từ
2G với dịch vụ dữ liệu và các phương thức chuyển mạch gói, và nó cũng chú
trọng tới các dịch vụ 3G cho các mạng 2G. Về c ơ bản nó là sự phát triển của
công nghệ 2G để tăng dung lượng trên các kênh tần số vô tuyến của 2G và bước
đầu đưa các dịch vụ dữ liệu dung lượng cao hơn vào, có thể nâng tới 384 Kbps.
Một khía cạnh rất quan trọng của 2.5G l à các kênh dữ liệu được tối ưu hoá cho
dữ liệu gói truy nhập vào Internet từ các thiết bị di động như điện thoại, PDA
hoặc máy tính xách tay. Trên cùng một mạng lưới với 2G, thế hệ 2.5G đã đưa
internet vào thế giới thông tin di động cá nhân. Đây thực sự đ ã là một khái niệm
mang tính cách mạng cho hệ thống viễn thông lai ghép hybrid.
Trong thập kỷ 90, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa ra hệ thống di động
thế hệ kế tiếp, thế hệ thứ 3, đ ã loại trừ được những sự không tương thích của các
hệ thống trước đây và thực sự trở thành hệ thống toàn cầu. Hệ thống 3G có các
kênh thoại chất lượng cao cũng như các khả năng về dữ liệu băng rộng, có thể
đạt tới 2Mbps. Các hệ thống 3G hứa hẹn cung cấp những dịch vụ viễn thông tốc
độ cao hơn, bao gồm thoại, fax và internet ở bất cứ thời gian nào, bất cứ nơi đâu
với sự chuyển vùng roaming toàn cầu không gián đoạn. Chuẩn 3G to àn cầu của
ITU đã mở đường cho các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo. Mạng 3G đầu ti ên


5

được thiết lập tại Nhật bản năm 2001. Các mạng 2.5G như là GPRS (dịch vụ vô
tuyến gói chung) đã sẵn sàng ở Châu Âu. Công nghệ 3G hỗ trợ băng thông 144
Kbps với tốc độ di chuyển lớn, 384 Kbps trong một khu vực cố định và 2 Mbps
đối với trường hợp trong nhà.

Hình 1.2 - Các thế hệ di động
Hiện nay tốc độ download ở chế độ dữ liệu đang bị giới hạn ở 9.6 Kbps,
thấp hơn khoảng 6 lần so với 1 đường kết nối cố định ISDN (mạng số tích hợp

dịch vụ). Gần đây, với các thiết bị cầm tay , tốc độ download dữ liệu đã được
tăng lên 3 lần đạt 28.8 Kbps. Tuy nhi ên trong thực tế sử dụng tốc độ dữ liệu
thường thấp hơn, đặc biệt là ở những khu vực đông đúc, hoặc l à khi mạng bị
“nghẽn”. Tốc độ dữ liệu di động thế hệ 3 l à tối đa 384 Kbps download, điển hình
là xấp xỉ 200 kbps và upload đạt 64 kbps từ năm 2001 [2]. Thông tin di động thế
hệ 4 sẽ có tốc độ truyền dữ liệu cao h ơn, dự kiến có thể đạt tới 20 Mbps.
3G được các nhà sản xuất đề xuất đầu tiên mà không phải là từ các nhà
khai thác. Năm 1996 nó đư ợc triển khai nhờ NTT (hãng điện thoại và điện báo
Nhật bản) cùng Ericsson. Năm 1997 Hiệp hội công nghiệp Viễn thông TIA ở
Mỹ chọn CDMA như là 1 công nghệ cho 3G. Năm 1998 CDMA băng rộng (WCDMA) và CDMA2000 đư ợc thông qua cho Hệ thống thông tin di động chung
UMTS. Trong đó W-CDMA và CDMA2000 là 2 đ ề xuất chính của 3G.


6

Hiện nay, các chuẩn mạng LAN không dây tốc độ cao nh ư IEEE802.11a,
chuẩn HIPERLAN/2 cho LAN radio v à giao tiếp đa phương tiện đều dựa trên
công nghệ OFDM, cho phép hỗ trợ tốc độ truyền l ên đến 54Bbps trong dải
thông 5GHz.

Hình 1.3 - Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản
Hiện nay có 3 xu hướng phát triển xoay quanh hệ thống thông tin di động.
Xu hướng thứ nhất là hướng tập trung quanh thế hệ 3G, để cải tiến phát tri ên
lên 4G với công nghệ nòng cốt WCDMA. Xu hướng thứ hai là phát triển mạng
LAN vô tuyến tốc độ cao. Sự phát triển rộng khắp của WiFi đ ược bắt đầu từ
năm 2005 cho các PC, máy tính x ách tay và PDA đang ngày càng đòi hỏi tốc độ
cao hơn. Xu hướng thứ 3 là phát triển chuẩn IEEE 802.16e và 802.20 thực hiện
đơn giản hơn 3G. Sự phát triển của mạng lõi hướng tới thế hệ NGN băng rộng
sẽ hỗ trợ cho việc áp dụng các công nghệ mạng truy nhập mới thông qua các
gateway truy nhập tiêu chuẩn, dựa trên các chuẩn ETSI-TISPAN, ITU-T, 3GPP

và các chuẩn khác.
1.2 GIỚI THIỆU MẠNG 4G
4G (Fourth Generation) là tên gọi tắt của hệ thống truyền thông di động
thế hệ 4, hiện đang được ITU chuẩn hóa dưới tên gọi là IMT-Advanced. Theo
lịch trình của ITU thì phải đến năm 2011, ITU mới ho àn thành và chính thức


7

đưa ra chuẩn IMT-Advanced. Chính vì vậy, hiện có nhiều ứng cử vi ên chạy đua
trên con đường tiến lên 4G cũng như là có nhiều công nghệ đề cử cho 4G, trong
đó các công nghệ tâm điểm được nhắc đến nhiều nhất l à OFDMA/MIMO/IP.
Tuy nhiên, để đạt được những tính năng then chốt đ ã nêu ra ở trên, nhất là về tốc
độ truyền thông, một số giao diện vô tuyến vẫn đang đ ược khảo sát.

Hình 1.4 - Lịch sử các thế hệ di động theo công nghệ phát triển
Việc nghiên cứu chuyển hướng sang các hệ thống thông tin di động thế hệ
4 (4G) để giải quyết các vấn đề tồn tại trong hệ thống di động thế hệ 3 (3G). Đó
là việc cung cấp các loại hình dịch vụ ngày càng đa dạng hơn, từ tín hiệu thoại
chất lượng cao sang tín hiệu video độ phân giải cao, các k ênh vô tuyến có tốc độ
dữ liệu cao. Khái niệm 4G đ ược sử dụng rộng rãi không chỉ có các hệ thống điện
thoại tế bào mà còn bao gồm các kiểu hệ thống viễn thông truy nhập vô tuyến
băng thông rộng. Một trong số các thuật ngữ d ùng để mô tả 4G là MAGIC:
Mobile multimedia (Đa phương tiện di động), Anytime anywhere (Bất cứ khi
nào, bất cứ nơi đâu), Global mobility support (Hỗ trợ di động toàn cầu),
Integrated wireless solution (Gi ải pháp vô tuyến tích hợp) v à Customized
personal service (Dịch vụ theo yêu cầu cá nhân). Như là một lời hứa cho tương
lai, hệ thống 4G là hệ thống truy nhập vô tuyến tế b ào băng thông rộng, đã và
đang là mối quan tâm lớn của lĩnh vực thông tin di động. 4G không chỉ hỗ trợ
cho các dịch vụ thông tin di động thế hệ tiếp theo m à còn hỗ trợ cho cả các

8

mạng vô tuyến cố định. Những tính năng then chốt của thế hệ di động 4G :
- Khả năng tương thích của các dịch vụ IMT với các mạng cố định
- Khả năng liên hoạt động giữa các hệ thống truy nhập vô tuyến khác
- Cung cấp dịch vụ di động chất lượng cao.
- Thiết bị đầu cuối thích hợp cho việc sử dụng khắp tr ên thế giới.
- Thiết bị, dịch vụ và ứng dụng thân thiện với người sử dụng.
- Khả năng roaming toàn thế giới.
- Tốc độ số liệu được tăng cường (100Mb/s cho các ứng dụng với tính di
động cao và 1Gb/s cho các ứng dụng với tính di động thấp).
Thế hệ di động thư 4 được phát triển xoay quanh 2 công nghệ then chốt.
OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM. Tín hiệu
được chia thành các sóng mang nhỏ trực giao, trên mỗi sóng mang đó tín hiệu là
“băng hẹp” (vài KHz) và vì vậy tránh được hiệu ứng đa đường, tạo nên một khoảng
bảo vệ chèn vào giữa mỗi tín hiệu OFDM. OFDM cũng tạo nên một độ lợi về phân
tập tần số, cải thiện hiệu năng của lớp vật lý. Nó cũng t ương thích với những công
nghệ mở rộng nâng cao khác, như là các anten thông minh và MIMO.
Điều chế OFDM cũng có thể tận dụng nh ư là một công nghệ đa truy nhập
(đa truy nhập phân chia tần số trực giao, OFDMA). Trong tr ường hợp này mỗi
tín hiệu OFDM có thể truyền thông tin từ / tới một vài thuê bao sử dụng một bộ
các sóng mang nhỏ khác nhau (subcarrier, subchannel). Điều n ày không chỉ
cung cấp thêm độ linh hoạt cho việc cấp nguồn t ài nguyên (tăng dung lượng),
mà còn có thể tối ưu hoá các lớp chéo của việc sử dụng link vô tuyến.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) sử dụng ghép kênh tín hiệu
giữa rất nhiều các anten phát (đa th ành phần không gian) trên miền thời gian
hoặc miền tần số. Điều này rất phù hợp với OFDM, bởi vì có thể xử lý các tín
hiệu thời gian độc lập ngay khi dạng sóng OFDM đ ược thiết lập chính xác cho

kênh. Đặc điểm này của OFDM giúp cho công đoạn xử lý đ ược đơn giản hoá đi
rất nhiều. Tín hiệu phát đi bởi m anten được n anten thu lại. Việc xử lý các tín
hiệu thu được có thể mang lại một v ài cải thiện hiệu năng: phạm vi, chất l ượng
của tín hiệu thu và hiệu suất phổ.


9

1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G
Nhìn chung có bốn loại dịch vụ hoặc trình ứng dụng được phát triển và
đưa vào sử dụng ở thông tin vô tuyến thế hệ 4G. Đó l à dịch vụ thông tin cá
nhân/khoanh vùng, các phương ti ện liên lạc, tổ chức, giải trí liên quan đến các
mảng Inernet Usage, Income Brackets, v à Mobile Professional. Các ứng dụng và
các dịch vụ thông tin này sẽ cung cấp cho người sử dụng các bản tin chung, các
bản tin tài chính, hướng dẫn vị trí, thương mại di động, và các dịch vụ du lịch.
Các dịch vụ thông tin (Communication) bao gồm có dịch vụ nhắn tin ngắn
(SMS), thư điện tử, hội thảo truyền hình, fax, và các bulletin board. Các d ịch vụ
Organizational bao gồm các khả năng hỗ trợ số cá nhân (PDA Personal digital
assistant), trao đổi tiền tệ dựa trên cơ sở xác định người sử dụng, và các trình
ứng dụng quản lý cá nhân. Các dịch vụ giải trí (Entertainment) có thể gồm có
đoạn âm thanh, đoạn video, chat, trao đổi h ình ảnh, và chơi game. Trong thị
trường vô tuyến không giây Châu Á 3G đang đ ược phát triển, các dịch vụ giả trí
đang tạo ra lợi nhuận đáng kể. Mảng m à các dịch vụ giải trí hướng tới đó là
mảng Age. Một dịch vụ khác đang tạo ra rất nhiều sự sôi động trong ngh ành
kinh doanh đó là thương mại di động (M-Commerce). Thương mại di động đưa
ra khả năng cho thuê bao đăng ký mua các món hàng ( ví d ụ: mua gas, thức ăn
từ các máy bán hàng tự động.v.v) sử dung một thiết bị vô tuyến không dây. Các
dịch vụ dựa trên cơ sở xác định vị trí Push, Pull: Các dịch vụ Push v à Pull đưa ra
độ tin cậy cho mạng về khả năng xác định vị trí các thu ê bao. Trong mạng 4G,
điều đó có thể nhận thấy, mạng có khả năng xác định vị trí chính xác của các

thuê bao ở cả trong nhà và ngoài nhà. Khả năng này được thực hiện từ các chức
năng được thêm vào từ các nhà cung cấp dịch vụ. Các thông tin cá nhân ng ười
dùng được thiết lập và cập nhật bởi các thuê bao, đảm bảo thông tin tới mỗi
người sử dụng đúng yêu cầu.


10

Hình 1.5 - Mô hình các dịch vụ trong mạng 4G

Một số loại hình dịch vụ điển hình cho 4G
- Truyền thông tốc độ cao (High Multimedia): Với khả năng truyền số
liệu tốc độ cao, 4G cho phép truy cậ p internet với tốc độ rất cao, phục vụ cho
các ứng dụng theo yêu cầu như: video độ phân giải cao, audio chất l ượng hoặc
các ứng dụng mua bán trực tuyến với các sản phẩm hữu h ình như âm nhạc, phần
mềm…
- Dịch vụ thoại (Voice telephony): 4G vẫn cung cấp các dị ch vụ thoại
khác, nhau đang tồn tại như chờ cuộc gọi, chuyển cuộc gọi, gọi ba b ên, các
thuộc tính AIN khác nhau, Centrex, Class… Tuy nhi ên cần lưu ý là 4G không cố
gắng lặp lại các dịch vụ thoại truyền thống hiện đang cung cấp; dịch vụ th ì vẫn
đảm bảo nhưng công nghệ thì thay đổi, chủ yếu dùng thoại trên nền IP
- Tin nhắn (Messaging): Không giống nh ư dịch vụ tin nhắn thông thường
trong mạng 2G, 3G chỉ đơn thuần là bản tin text. Tin nhắn trong 4G cho phép
email đi kèm và có thể được sử dụng trong việc thanh to án trực tuyến cho các
dịch vụ gia đình như mua vé xem phim, thanh toán hóa đơn đi ện nước,…
- Dịch vụ dữ liệu (Data Service) cho phép thiết lập kết nối thời gian thực
giữa các đầu cuối, cùng với các đặc tả giá trị giá tăng nh ư tính tin cậy và phục


11

hồi nhanh kết nối, các kết nối chuyển mạch ảo (SVC -Switched Virtual
Connection), và quản lý dải tần, điều khiển cuộc gọi… Tóm lại các dịch vụ dữ
liệu có khả năng thiết lập kết nối theo băng thông v à chất lượng dịch vụ QoS
theo yêu cầu.
- Dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service): cho phép nhiều người
tham gia tương tác với nhau qua thoại, video, dữ liệu. Các dịch vụ n ày cho phép
khách hàng vừa nói chuyện, vừa hiển thị thông tin. Ngo ài ra, các máy tính còn
có thể cộng tác với nhau.
- Tính toán mạng công cộng (PNC - Public Network Computing): Cung
cấp các dịch vụ tính toán dựa tr ên cơ sở mạng công cộng cho thương mại và các
khách hàng. Như một sự lựa chọn, các nhà cung cấp dịch vụ mạng công cộng có
thể cung cấp các dịch vụ thương mại cụ thể như hoạch định tài nguyên công ty,
dự báo thời gian, hóa đơn chứng thực…) với tất cả hoặc một phần các l ưu trữ và
xử lý thực hiện trên mạng. Nhà cung cấp dịch vụ có thể tính cước theo giờ,
ngày, tuần… hay theo phí bản quyền đối với dịch vụ.
- Bản tin hợp nhất (Unified Messaging): Hỗ trợ c ung cấp các dịch vụ
voice mail, email, fax mail, pages qua các giao di ện chung. Thông qua các giao
diện này, người sử dụng sẽ truy nhập cũng nh ư được thông báo tất cả các loại tin
nhắn trên, không phụ thuộc vào hình thức truy nhập hữu tuyến hay vô tuyến,
máy tính, thiết bị dữ liệu vô tuyến. Đặc biệt kỹ thuật chuyển đổi lời nói sang file
văn bản và ngược lại.
- Môi giới thông tin (Information Brokering): Bao gồm quảng cáo, t ìm
kiếm và cung cấp thông tin đến khách hàng tương ứng với nhà cung cấp. Ví dụ
như khách hàng có thể nhận thông tin trên cơ sở các tiêu chuẩn cụ thể hay trên
các cơ sở tham chiếu thông tin cá nhân.
- Thương mại điện tử (E-Commerce/M-Commerce): Cho phép khách
hàng mua hàng hóa, dịch vụ được xử lý bằng điện tử trên mạng; có thể bao gồm
cả việc xử lý tiến trình, kiểm tra thông tin thanh toán tiền, cung cấp khả năng
bảo mật. Ngân hàng tại nhà và đi chợ tại nhà nằm trong danh mục các dịch vụ

này; bao gồm cả các ứng dụng thương mại, ví dụ như quản lý dây chuyển cung


12

cấp và các ứng dụng quản lý tri thức.
- Trò chơi tương tác trên mạng (Interactive gaming): Cung cấp cho khách
hàng một phương thức gặp nhau trực tuyến và tạo ra các trò chơi tương tác.s
- Thực tế ảo phân tán (Distributed Virtual Reality): tham chiếu đến sự
thay đổi được tạo ra có tính chất kỹ thuật của các sự kiện, con người, địa điểm,
kinh nghiệm của thế giới thực, ở đó những ng ười tham dự và các nhà cung cấp
kinh nghiệm ảo là phân tán về địa lý. Dịch vụ này yêu cầu sự phối hợp rất phức
tạp của các tài nguyên khác nhau.
- Quản lý tại gia (Home Manager): Với sự ra đời của các thiết bị mạng
thông minh, các dịch vụ này có thể giám sát và điều khiển các hệ thống bảo vệ
tại nhà, các hệ thống đang hoạt động, các hệ thống giải trí, v à các công cụ khác
tại nhà. Giả sử như chúng ta đang xem ti vi và có ch uông cửa, không vấn đề gì
cả, ta chỉ việc sử dụng điều khiển ti vi từ xa để xem đ ược trên màn hình ai đang
đứng trước cửa nhà mình. Hoặc chẳng hạn như chúng ta có thể quan sát được
ngôi nhà của mình trong khi đang đi xa, hoặc quan sát được người trông trẻ đang
chăm sóc em bé như thế nào khi ta đang làm việc tại cơ quan.

KẾT LUẬN
Chương 1 giới thiệu tổng quan về lịch sử phát triển của công nghệ mạng
thông tin, qua đó thấy được bức tranh tương lai của các mạng di động sẽ
phát triển trong những năm gần đây.


13

CHƯƠNG 2
CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM
Đơn sóng mang (Single Carrier): Hệ thống đơn sóng mang là một hệ
thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang.

Hình 2.1 - Truyền dẫn sóng mang đơn.

Đa sóng mang (Multi-Carrier): Là kỹ thuật truyền tín hiệu bằng
nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích v à được
trải đều trên cả băng thông.

Hình 2.2 - Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa s óng mang.


14

Sự trực giao (Orthogonal): là sự biểu diễn một mối quan hệ chính xác giữa
các tần số của các sóng mang. Tính trực giao có nghĩa các tín hiệu đ ược điều
chế sẽ độc lập với nhau.

Hình 2.3 - Các sóng mang trực giao.
2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN OFDM
Kỹ thuật OFDM được đề cập đến từ những năm 1950, nhưng sau 20 năm
mới được đưa vào ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi
Fourier nhanh FFT và IFFT. Nh ững năm gần đầy OFDM đã được sử dụng trong
các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục được nghiên cứu
ứng dụng trong chuẩn di động 4G. Kỹ thuật n ày được phát triển qua các mốc sự

kiện chính sau đây:
1957: Modem tương tự HF Kineplex được thiết kế sư dụng kỹ thuật MC.
1966: Chang Bell Labs đưa ra công tr ình về OFDM và được cấp bằng
sáng chế [5].
1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ trong OFDM
1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động .
1987: Alard & Lasalle áp dụng OFDM cho phát thanh số .
1980-1990 OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn băng thông rộng
ADSL/ HDSL/ VDSL.
1995: Ban hành chuẩn ETSI DAB, chuẩn đầu tiên dựa trên OFDM.


15

1997: Ban hành chuẩn ETSI DAB-T.
1998: Đưa ra dự án Magic WAND trình diễn modem OFDM cho mạng
WLAN.
1999: OFDM được dùng trong chuẩn IEEE 802.11 chuẩn WLAN (Wi-FI)
2000: OFDM được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM,
Flash-OFDM).
2002: OFDM được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g cho WLAN.
2004: OFDM được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 cho WLAN (
WIMAX).
2004: OFDM được dùng trong chuẩn ETSI DVB-H.
2004: OFDM được để cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a cho mạng WPAn
(MB-OFDM).
2004: OFDM được để cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ mạng kế tiếp
của mạng WPAN.
2005: OFDM được để cử cho chuẩn cho chuẩn di động tế b ào 3.75G
(3GPP & 3GPP2).

2005: OFDM được để cử cho chuẩn 4G (CJK).
2.3 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao th ành
các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang
con trực giao. Trong OFDM, dữ liệu tr ên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên
các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hi ệu quả sử
dụng phổ trong OFDM. Về bản chất, OFDM l à một trường hợp đặc biệt
của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ
cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân
bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang
song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian
gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.