(Luận văn thạc sĩ) điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƢƠNG ĐÌNH SÁNG

ĐIỀU KHIỂN GIẢM CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO
TRONG HỆ THỐNG LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƢƠNG ĐÌNH SÁNG

ĐIỀU KHIỂN GIẢM CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO
TRONG HỆ THỐNG LTE
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trịnh Anh Vũ

Hà Nội - 2015

1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn này và kết quả đạt đƣợc là của là do tôi thực
hiện. Luận văn đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS.Trịnh Anh Vũ,
giảng viên Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Những kết
quả đạt đƣợc trong q trình tơi thực hiện Luận văn là trung thực và có đƣợc từ
những tìm hiểu, nghiên cứu và mơ phỏng mà tôi đã tiến hành trong thời gian
qua.
Học viên

Dƣơng Đình Sáng

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


2

LỜI CẢM ƠN
Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy cô giáo Trƣờng Đại
học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt thời
gian học tại trƣờng.
Để hoàn thành Luận văn nay, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo
Khoa Điện tử Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, đặc biệt là thầy giáo
PGS.TS Trịnh Anh Vũ, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn Luận văn đã hết sức tạo điều
kiện, tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ trong thời
gian làm Luận văn tốt nghiệp.
Trân trọng./.
Học viên

Dƣơng Đình Sáng

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


3

MỤC LỤC
Trang phụ bìa………………………………………………………………….
Lời cam đoan………………………………………………………………...1
Lời cảm ơn…………………………………………………………………...2
Mục lục………………………………………………………………………3
Danh mục các chữ viết tắt………………………………………………….5
Danh mục các bảng………………………………………………………….6
Danh mục các hình vẽ, đồ thị………………………………………………..6
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM VÀ OFDMA…...………9
1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM…………………………………………....9
1.1.1 Mở đầu……………………………..…………………………9
1.1.2 Đa sóng mang……………………………………………….9
1.1.3 Sóng mang trực giao…………………...……………………10
1.1.4 Cơ sở phƣơng pháp OFDM…………...………..……………10
1.2 Đặc điểm của OFDM ………………………...……………………14
1.3 Kỹ thuật OFDMA………………………………………………….16
1.4 So sánh OFDM và OFDMA………………………..………………18
1.5 Kết luận……………………………………………………...……..19
CHƢƠNG 2: CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO TRONG MẠNG
LTE/LTE-A………………………………………………………………...20
2.1 Tổng quan mạng LTE………………………………………………20
2.2 Mạng đồng nhất và mạng hỗn hợp trong LTE/LTE-A……..………22

2.3 Can nhiễu giữa các tế bào trong mạng LTE/LTE-A……….………23
2.4 Kết luận……………………………………………………….……25
CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN GIẢM NHIỄU GIỮA CÁC TẾ
BÀO TRONG MẠNG LTE/LTE-A………………………………………27
3.1 Công nghệ điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào ICIC trong
LTE……………………………………………………………………..27
3.1.1 Tái sử dụng tần số cứng ……………………………………28
3.1.2 Tái sử dụng tần số phân số …………………………………....28
3.1.3 Tái sử dụng tần số mềm ……………………………………29
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


4

3.1.4 Tính hiệu X2 hỗ trợ ICIC…………………………………….30
3.1.5 Hoạt động cơ bản của ICIC…………………………………..31
3.2 Công nghệ điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào tăng cƣờng
eICIC trong LTE-A…………………………………………………….33
3.2.1 Khái niệm eICIC……………………………………………33
3.2.2 Kỹ thuật dùng khung con gần nhƣ trống ABS……………….34
3.2.3 Sự kết hợp sóng mang với lập lịch chéo sóng mang ……...…37
3.2.4 Sự mở rộng cell……………………………………………..41
3.2.5 Phối hợp đa điểm……………………. ...…………………….42
3.3 Kết luận…………………………………………………...……..…42
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ KỊCH BẢN GIẢM
CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO………………………………………..44
4.1 Mô tả kịch bản và thuật toán………………...……………………44
4.1.1 Kịch bản I: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu kênh ngƣợc
đƣờng lên ……………………………………………………..……44
4.1.2 Kịch bản 2: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu trên kênh xuôi

đƣờng xuống………………………………………...………...……47
4.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá kết quả…………………………….49
4.2.1 Kịch bản I: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu kênh ngƣợc
đƣờng lên.…………………………………………...………..…….49
4.2.2 Kịch bản 2: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu trên kênh xuôi
đƣờng xuống………………………………………………..………52
4.3 Kết luận……………………………………..………..…………….54
KẾT LUẬN………………………………………………………………...55
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….…56

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt
ABS

Tên tiếng anh

Tên tiếng Việt

Almost Blank SubFrame

Khung gần nhƣ trống

BS

Base Staion

Trạm cơ sơ

CA

Carrier Aggregation

Sự kết hợp sóng mang

CCS

Cross Carrier Schelduling

Lập lịch chéo sóng mang

CRE

Cell Range Expansion

Mở rộng vùng tế bào

CoMP

Coordinated Multi Point

Phối hợp đa điểm

CSG

Closed Subscriber Group

Nhóm thuê bao gần nhau

eICIC

Enhanced Inter-Cell Interference
Coordination

Điều khiển giảm can nhiễu giữa
các tế bào tăng cƣờng

Enhanced Node B

Node B tăng cƣờng

HeNB

Home eNodeB

eNB gia đình

HetNet

Heterogeneous Network

Mạng hỗn hợp

Inter-Cell Interference Coordination

Điều khiển giảm can nhiễu giữa
các tế bào

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

LTE-A

Long Term Evolution -Advanced

Tiến hóa dài hạn nâng cao

MeNB

Macro-cell eNodeB

eNB lớn

Mobile Station

Thuê bao di động

OFDM

Orthogonal Frequency-Division
Multiple

Ghép kênh phân chia tần số trực
giao

OFDMA

Orthogonal Frequency-Division
Multiple Access

Truy cập ghép kênh phân chia
tần số trực giao

PBCH

Physical Broadcast Channel

Kênh quảng bá vật lý

PCC

Primary Component Carrier

Sóng mang thành phần sơ cấp

PCFICH

Physical Control Format Indicator
Channel

Kênh chỉ số định dạng điều
khiển vật lý

PDCCH

Physical Downlink Control Channel

Kênh điều khiển đƣờng xuống

eNB

ICIC
LTE

MS

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


6

vật lý
PDSCH

Physical Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đƣờng xống vật lý

PRB

Physical Resource Block

Khối tài nguyên vật lý

RB

Resource Block

Khối tài nguyên

RN

Relay Node

Nút lặp lại

SCC

Second Component Carrier

Sóng mang thành phần thứ cấp

UE

User end

Ngƣời dùng đầu cuối

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Hiệu khoảng cách giữa các th bao
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang
Hình 1.2 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang
Hình 1.3 Các sóng mang trực giao
Hình 1.4 Biểu diễn FFT của dạng sóng thời gian
Hình 1.5 Phổ mật độ cơng suất
Hình 1.6 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao
Hình 1.7 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM)
Hình 1.8 Sơ đồ khối
Hình 1.9 Phân chia nguồn tài nguyên
Hình 1.10 Phân chia kênh trong OFDM
Hình 1.11 Chèn khoảng bảo vệ
Hình 1.12 Các sóng mang đồng bộ
Hình 1.13 Phân chia kênh OFDMA
Hình 1.14 Khối tài nguyên
Hình 1.15 Cấu trúc khung trong OFDMA
Hình 1.16 So sánh OFDM và OFDMA
Hình 2.1 LTE là sự hội tụ của nhiều nhánh cơng nghệ
Hình 2.2 Kiến trúc cơ bản và giao diện trong LTE
Hình 2.3 Truy cập OFDMA và SC-FDMA trong LTE
Hình 2.4 Mạng đồng nhất với các eNB trong LTE
Hình 2.5 Mạng hỗn hợp với các cell lớn và cell nhỏ trong LTE-A
Hình 2.6 Khả năng can nhiễu mạng đồng nhất trong LTE
Hình 2.7 Khả năng can nhiễu mạng hỗn hợp trong LTE-A
Hình 2.8 Mạng hỗn hợp với DeNB và RN
Hình 3.1 Can nhiễu giữa các tế bào trong LTE
Hình 3.2 Tái sử dụng tần số cứng
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE

8

Hình 3.3 Tái sử dụng tần số phân số
Hình 3.4 Tái sử dụng tần số mềm
Hình 3.5 Phân bổ tần số khi có phối hợp qua tín hiệu X2
Hình 3.6 Hoạt động cơ bản của ICIC
Hình3.7 Mạng đồng nhất và mạng hỗ hợp
Hình 3.8 Cơng nghệ ABS trong eICIC
Hình 3.9 Kênh điều khiển (PDCCH) và kênh dữ liệu (PDSCH)
Hình 3.10 Nhiễu bởi kênh điều khiển của macro cell trong HetNet
Hình 3.11 ICIC và eICIC
Hình 3.12 ABS: ngƣời dung macro cell và small cell
Hình 3.13 Kết hợp sóng mang
Hình 3.14 Lập lịch chéo sóng mang
Hình 3.15 Sử dụng lập lịch chéo sóng mang
Hình 3.16 Sự mở rộng cell
Hình 3.17 Phối hợp đa điểm
Hình 4.1 Kỹ thuật ICIC trong LTE
Hình 4.2 Kỹ thuật eICIC trong LTE-A
Hình 4.3 Thơng lƣợng trung bình hệ thống với khoảng cách giữa 2 cell là
100m
Hình 4.4 Thơng lƣợng trung bình hệ thống với khoảng cách giữa 2 cell là
110m
Hình 4.5 Thơng lƣợng trung bình hệ thống với khoảng cách giữa 2 cell là
130m
Hình 4.6 Thơng lƣợng trung bình hệ thống khi có và khi khơng phân khe thời
gian với bán kính small cell 30m
Hình 4.7 Thơng lƣợng trung bình hệ thống khi có và khi khơng phân khe thời
gian với bán kính small cell 50m

Hình 4.8 Thơng lƣợng trung bình hệ thống khi có và khi khơng phân khe thời
gian với bán kính small cell 80m

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


9

MỞ ĐẦU
LTE viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là tiến hóa dài hạn.
LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện
thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu, nó dựa trên các cơng nghệ mạng
GSM/EDGE và UMTS/HSPA. Các yêu cầu chính cho mạng truy cập là hiệu quả
phổ tần cao, tốc độ dữ liệu cao, thời gian ngắn cũng nhƣ sự linh hoạt trong tần
số và băng thông. Các tiêu chuẩn của LTE đƣợc tổ chức Dự án đối tác thế hệ thứ
3 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) ban hành và đƣợc quy định
trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của phiên bản 8 (Release 8) và đƣợc cập nhật
trong các phiên bản tiếp theo, đến phiên bản 10 đƣợc gọi là LTE-Advanced.
Trong mạng LTE/LTE-A, tại đƣờng xuống (downlink) sử dụng giải pháp
truy cập mới dựa trên công nghệ đa truy cập ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), kết hợp
với điều chế bậc cao hơn, băng thông lớn và ghép kênh không gian trong đƣờng
xuống nên có thể đạt đƣợc tốc độ dữ liệu cao. Tuy nhiên, một trong những nguy
cơ lớn nhất làm giảm thơng lƣợng hệ thống trong mạng LTE/LTE-A đó là can
nhiễu giữa các tế bào do tần số đƣợc tái sử dụng với hệ số là 1, tần số sóng mang
trên các cell là nhƣ nhau nhằm tận dụng tài nguyên vô tuyến.
Để nhằm giảm và tránh việc giảm thông lƣợng hệ thống do can nhiễu giữa
các tế bào, các kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào đƣợc nghiên
cứu và áp dụng. Trong mạng LTE thƣờng đề cập đến kỹ thuật ICIC (Inter-Cell
Interference Coordination), trong mạng LTE-A thƣờng đề cập đến kỹ thuật

eICIC (enhenced ICIC).
Luận văn này sẽ trình bày về những vấn đề lý thuyết liên quan đến
OFDM/OFDMA và các kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào
trong mạng LTE/LTE-A, mô phỏng và đánh giá một số kịch bản điều khiển
giảm can nhiễu. Kết quả thu đƣợc có thể đƣợc xem xét áp dụng trong quy hoạch
mạng và là tiền đề để tiếp tục nghiên, áp dụng các kỹ thuật điều khiển giảm can
nhiễu trong các phiên bản tiếp theo của mạng LTE. Nội dung cụ thể của Luận
văn đƣợc phân bố trong các chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM và OFDMA
Chƣơng 2: Can nhiễu giữa các tế bào trong mạng LTE/LTE-A
Chƣơng 3: Kỹ thuật giảm can nhiễu giữa các tề bào trong mạng LTE/LTE-A
Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá một số mơ hình giảm can nhiễu giữa các tế
bào
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


10

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM VÀ OFDMA
1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM.
1.1.1 Mở đầu
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequencydivision multiplexing) là một phƣơng pháp mã hóa các dữ liệu kỹ thuật số trên
nhiều tần số sóng mang.
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con
trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song
song với tốc độ thấp hơn cho nên lƣợng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đƣờng
đƣợc giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI đƣợc hạn chế hầu nhƣ hoàn toàn do
việc đƣa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong
khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM đƣợc bảo vệ theo chu kỳ để tránh

nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Trong OFDM, các kênh truyền con có khả năng chồng lấn phổ lên nhau
bằng cách lựa chọn các sóng mang cho các kênh truyền con trực giao với nhau.
Bên cạnh những ƣu điểm đƣợc kế thừa từ điều chế đa sóng mang, OFDM có
hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn nhiều.
1.1.2 Đa sóng mang
Số lƣợng sóng mang đƣợc lựa chọn sao cho độ dài ký tự tại các kênh con lớn
hơn nhiều lần thời gian trễ của mỗi kênh con hay băng thông của mỗi kênh con
nhỏ hơn nhiều băng thông liên kết của kênh truyền. Điều kiện đó ngăn chặn
nhiễu giữa các ký tự trong mỗi kênh truyền con.
Với một hệ thống điều chế tuyến tính có tốc độ truyền R và băng thông B.
Giả sử kênh truyền là kênh Fading lựa chọn, tức là băng thông liên kết kênh
truyền (Bc) nhỏ hơn băng thông của hệ thống (Bcthành N hệ thống điều chế con, mỗi kênh truyền con có băng thơng BN = B/N
<< Bc, cho phép ngăn chặn nhiễu fading trên mỗi kênh con. Tƣơng ứng trên
miền thời gian TN ≈ 1/BN >> 1/BC ≈ Tm với Tm là thời gian trễ của kênh truyền.
Do vậy nếu N càng lớn thì độ dài ký tự càng lớn hơn nhiều thời gian trễ kênh
truyền nên ngăn chặn đƣợc nhiễu ISI trong kênh truyền.
Tín hiệu điều chế đa sóng mang đƣợc tạo ra bởi hệ thống (Hình 1.1), dữ liệu
gồm N đƣờng khác nhau nếu sử dụng xung cos nâng có hệ số β để sửa dạng tín
hiệu thì chiều dài ký tự TN = (1+β)/BN với β là hệ số của xung. Tín hiệu điều chế
kết hợp của tất cả các kênh con đƣợc cộng lại để tạo dạng tín hiệu phát s(t)
N 1

si t    si g t cos2f i t  i 

(1.1)

i 1

trong đó si là ký tự cần truyền trên sóng mang thứ i, i là sai pha của sóng mang
thứ i, sóng mang thứ i có tần số fi = f0 + i.BN với i = 0, 1, 2,…, N-1.
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


11

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang [2]
Khối mapper là khối chuyển đổi tƣơng ứng một chuỗi bít thành ký tự phức,
khối này có thể thực hiện nhiều kiểu chuyển đổi nhƣ QAM, QPSK, …
Bộ thu cho kiểu điều chế đa sóng mang này có các chức năng thể hiện nhƣ
hình 1.2. Tín hiệu thu đƣợc gồm tín hiệu phát và nhiễu tạp trong kênh truyền
đƣợc cho qua các bộ lọc để tách ra tín hiệu tƣơng ứng trong từng kênh con khác
nhau. Sau đó giải điều chế từng kênh con với các sóng mang tƣơng ứng và ánh
xạ ngƣợc các ký tự thu đƣợc để thu đƣợc chuỗi bit của từng kênh truyền. Bộ
chuyển đổi nối tiếp sóng sóng liên kết các chuỗi bít của các kênh con tạo lại
dạng dữ liệu ban đầu.

Hình 1.2 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang [2]
1.1.3 Sóng mang trực giao
Các hàm đƣợc coi là trực giao với nhau nếu thoả mãn điều kiện sau:

C khi i  j
s
(
t
)
s
(
t

)
dt


i
j
(1.2)
0
0 khi i  j
Các hàm sin thoả mãn phƣơng trình sau là trực giao
T

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


12

víi 0  t  T k  1,2,3..., M
sin(2kfo t)
s k (t )
(1.3)
0
với t còn lại

cỏc hm này biểu diễn các subcarrier cho tín hiệu OFDM chƣa điều chế. Trong
đó f0 là khoảng cách giữa các subcarrier, M là số subcarrier, T là chu kỳ ký tự.
Do thành phần có tần số cao nhất là Mf0 nên băng tần cũng là f0.

Hình 1.3 Các sóng mang trực giao

Hình 1.4 Biểu diễn FFT của dạng sóng thời gian.
Hình (4a) và (4b) là kết quả tổng hợp của 4 subcarrier [2]
1.1.4 Cơ sở phƣơng pháp OFDM
Thực chất phƣơng pháp OFDM là chia dòng dữ liệu đầu vào thành nhiều
dòng dữ liệu song song có tốc độ bit nhỏ hơn nhiều lần. Sau đó truyền chúng
trên trên những sóng mang phụ nhƣ là những kênh con. Các sóng mang phụ
đƣợc ghép tần số trực giao nhau để tránh gây can nhiễu với nhau. Việc ghép nhƣ
vậy làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần rõ rệt.
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


13

Một sóng mang phụ về mặt tốn học i(t) đƣợc biểu diễn dƣới dạng hàm
Exp nhƣ sau:
i(t) = Ae j(2ft)
(1.4)
trong đó

f=

1
T

(1.5)

Độ rộng phổ của hàm i(t) đƣợc tính theo biểu thức:
i ( f )  A

sin 2ft

2 ft

(1.6)

Mật độ phổ cơng suất của sóng mang i(t) nhƣ cơng thức (1.6). Trong đó
phổ có một đỉnh tại tần số trung tâm và các điểm 0 tại các tần số biên tƣơng ứng
với các bội số tốc độ của dãy symbol đƣa vào điều chế.
Hai sóng mang nằm kề nhau trên trục tần số có phổ trực giao nhau khi chúng
thoả mãn điều kiện:
b

O (khi : n  m)

  n (t ).*m (t )dt 

K (khi : n = m)

a

(1.7)

Trong đó *m(t) là giá trị liên hợp phức của m(t); K là hằng số; n và m là số
nguyên dƣơng thuộc N.
Xét 2 hàm số có tần số liên tiếp trực giao:

 n (t )  e j( n0t )

(1.8)

 m (t )  e j( m0t )

(1.9)

trong đó:  0  2f0 ;

(1.10)

f0 

1
2
 T0 
T0
0

(1.11)

a < b và b = a + T0
b

  n (t )
a

*
m

(t ) dt 

a  T0

e

(1.12)
j( n 0 t )

.e  j( m 0 t )dt

a

(1.13)

i (t )

-1/T

-3/T
-2/T

1/T

f
2/T

Hình 1.5 Phổ mật độ cơng suất
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


14

Do n  m (n,m  N) nên

ej(n-m)2 = Cos2(n- m)  + j sin2(n- m) = 1

(1.14)

Vậy tích phân của 2 hàm Exp có tần số liên tiếp là n+1 = n+ 2.1/T0 xác
định trong khoảng (a, a+T0) có giá trị bằng 0 là trực giao nhau.
Hình 1.6 biểu diễn mật độ phổ của 2 sóng mang có tần số liên tiếp trực giao
nhau. Ý nghĩa vật lý của nó là khi giải điều chế một sóng mang này bộ giải điều
chế sẽ "Khơng thấy" sóng mang kia. Nghĩa là các sóng mang khơng gây nhiễu
lẫn nhau. Về mặt phổ tín hiệu, điểm phổ có năng lƣợng cao nhất của một sóng
mang sẽ trùng với điểm phổ có năng lƣợng bằng khơng của sóng mang lân cận.
Do các sóng mang đặt rất gần nhau nên hiệu quả sử dụng phổ rất cao.

f

Hình 1.6 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao

n
f

Hình 1.7 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM)
Nhƣ vậy, tính trực giao giữa các sóng mang phụ có thể đƣợc lý giải nhƣ sau.
Mỗi sóng mang phụ đƣợc điều chế bởi dịng dữ liệu con sẽ cho phổ nhƣ hình
1.7. Khi khoảng cách giữa các sóng mang phụ đƣợc lựa chọn sao cho thỏa mãn
tính trực giao nhau, nghĩa là đỉnh phổ của một sóng mang phụ trùng với các
điểm khơng của phổ các sóng mang phụ cịn lại. Việc giải điều chế của từng
sóng mang phụ vì thế sẽ khơng bị xun nhiễu bởi các sóng mang phụ khác.
Điều này giống nhƣ việc giải điều chế kết hợp khơng có ISI (Inter Symbol
Interference) thực hiện trong miền thời gian đối với tín hiệu số truyền qua kênh
có đặc tính lọc thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất, ở đây chỉ khác là tính trực

giao đƣợc xét trong miền tần số.
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


15
x(n)

Dữ
liệu
nhị
phân

Sắp
xếp

Dữ
liệu
ra

Sắp
xếp
lại

S/P

Chèn
pilot

P/S

Ƣớc
lƣợng
kênh

xf(n)

Chèn dải
bảo vệ

IDFT

y(n)

Y(k)

DFT

Loại bỏ
dải bảo
vệ

h(n)

P/S

Kênh

yf(n)
)

AWGN

S/P

+
w(n)

Hình 1.8 Sơ đồ khối thu phát OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao đƣợc chia thành nhiều dịng dữ liệu sóng
sóng tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/sóng sóng (S/P:
Serial/Parrallel). Mỗi dịng dữ liệu sóng sóng sau đó đƣợc mã hóa sử dụng thuật
toán sửa lỗi tiến (FEC) và đƣợc sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những
symbol hỗn hợp đƣợc đƣa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính tốn các
mẫu thời gian tƣơng ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng
bảo vệ đƣợc chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di
động vô tuyến đa đƣờng. Sau 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 hƣởng nhƣ nhiễu trắng
cộng AWGN,…
Ở phía thu, tín hiệu đƣợc chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt
đƣợc tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ và các mẫu đƣợc chuyển từ
miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT.
Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế đƣợc sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha
của các sóng mang nhánh sẽ đƣợc cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel
Equalization). Các symbol hỗn hợp thu đƣợc sẽ đƣợc sắp xếp ngƣợc trở lại và
đƣợc giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận đƣợc dòng dữ liệu nối tiếp ban
đầu.
1.2 Đặc điểm của OFDM
Phân chia kênh
Trong OFDM, kênh truyền đƣợc tạo nên dựa trên sự phân chia nguồn tài

nguyên thành các sóng mang con (sub-carrier) và các ký hiệu (symbol). Kênh
truyền bởi tất cả các sóng mang con của ký hiệu đƣợc dùng để cung cấp dữ liệu
cho một ngƣời dùng xác định. Hình 1.10 mơ tả sự phân kênh của OFDM.

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


16

Hình 1.9 Phân chia tài nguyên [4]

Hình 1.10 Phân chia kênh trong OFDM [10]
Chèn khoảng bảo vệ và đồng bộ
Do hiệu ứng truyền đa đƣờng, nên phần đầu mỗi symbol sẽ bị nhiễu bởi
symbol trƣớc đó. OFDM khắc phục điều này bằng cách chèn thêm một khoảng
bảo vệ trƣớc mỗi symbol nhƣ trên hình 1.11.
Guard Interval
duration

Useful symbol
duration

time

OFDM
symbol
frequency

Hình 1.11 Chèn khoảng bảo vệ [2]
Hệ thống sử dụng các sóng mang phụ "pilot" trải đều trong kênh truyền dẫn,

đóng vai trị là các điểm đánh dấu đồng bộ (Synchronisation Markers) nhƣ trên
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


17

hình 1.12. Tín hiệu pilot đƣợc sử dụng để đồng bộ khung, đồng bộ tần số, đồng
bộ thời gian, đánh giá kênh truyền, nhân dạng mode truyền.

Hình 1.12 Các sóng mang đồng bộ [2]
Đặc điểm của OFDM
Khả năng thích ứng với hiệu ứng truyền đa đƣờng là một trong các đặc tính
ƣu việt của phƣơng pháp OFDM. Trong miền thời gian, tín hiệu do phản xạ từ
các chƣớng ngại vật sẽ đến máy thu trễ trong vòng hàng chục s. Do đó, nếu chu
kỳ tín hiệu số trên sóng mang dài hơn khoảng thời gian trễ nói trên thì tiếng
vọng từ các symbol trƣớc sẽ tắt trong một phần nhỏ của symbol đang xét. Điều
này hồn tồn có thể thực hiện đƣợc vì hệ thống OFDM thực hiện việc chuyển
từ truyền nối tiếp sang truyền sóng sóng nên cho phép kéo dài symbol ứng với
mỗi sóng mang phụ lên N lần. Ngồi ra, để ổn định sóng mang thì khoảng thời
gian bảo vệ T(guard) đƣợc chèn thêm vào trƣớc khoảng thời gian symbol. Do có
thêm khoảng thời gian bảo vệ này mà tại máy thu các tiếng vọng không đƣợc bộ
giải điều chế xử lý khi chúng nằm trong khoảng bảo vệ.
Hệ thống OFDM cịn có khả năng chịu đựng nhiễu băng hẹp. Nếu trong
phạm vi phủ sóng có tồn tại nguồn nhiễu băng hẹp rơi vào kênh tần hoạt động
của hệ thống OFDM thì hệ thống có thể chấp nhận khơng truyền một số sóng
mang bằng cách đặt biên độ các sóng mang đó bằng 0. Điều này cũng tƣơng tự
nhƣ trƣờng hợp một số sóng mang bị suy giảm do tác động của pha đing chọn
lọc tần số. Khi đó chính hệ thống OFDM cũng giảm thiểu đƣợc việc gây nhiễu
đến hệ thống đƣợc xem là nguồn nhiễu kia.
1.3 Kỹ thuật OFDMA

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthorgonal
Frequency Division Multiple Access) là kỹ thuật đa truy nhập dựa trên điều chế
OFDM. OFDMA là cơng nghệ OFDM đa ngƣời dùng, trong đó ngƣời dùng có
thể đƣợc chỉ định trên cả TDMA và FDMA. Trong OFDMA, một ngƣời sử dụng
không nhất thiết phải chiếm tất cả các sóng mang con tại bất kỳ thời điểm nào.
Nói cách khác, một tập hợp con của các sóng mang con đƣợc gán cho một ngƣời
dùng cụ thể. Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp đồng thời từ nhiều
ngƣời dùng.
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


18

Một tài nguyên cơn bản (resource element) là tài nguyên vật lý nhỏ nhất, nó
gồm một sóng mang con chứa một ký hiệu OFDM. Một nhóm các tài nguyên cơ
bản tạo nên một khối tài nguyên RB (resource blocks).

Hình 1.13 Phân chia kênh OFDMA[4]
Trong hệ thống LTE, công nghệ OFDMA áp dụng cho đƣờng xuống. Tín
hiệu đƣờng xuống bao gồm nhiều sóng mang con chứa các ký hiệu OFDM. Một
khối tài nguyên RB chứa 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM, nó chiếm 1 khe thời gian
0.5ms. Trên miền tần số, một khối tài nguyên RB chiếm 12 sóng mang con với
tổng băng thơng 180kHz (hình 1.14).

Hình 1.14 Khối tài ngun [13]
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


19

Một khung vơ tuyến (frame) trong LTE có độ dài 10ms chứa 10 khung con
(subframe). Mỗi khung con là 1ms và đƣợc chia thành 2 khe thời gian (slot), mỗi
khe có độ dài 0.5ms.

Hình 1.15 Cấu trúc khung trong OFDMA [15]
1.4 So sánh OFDM và OFDMA
Nếu nhƣ trong OFDM tất cả các sóng mang con của ký hiệu đƣợc dùng để
cung cấp dữ liệu cho một ngƣời dùng xác định thì trong OFDMA các sóng mang
con của mỗi symbol có thể đƣợc phân cho nhiều ngƣời dùng do đó nó tốt hơn
trong việc sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần số. Sự phân bổ động của OFDMA
là tốt hơn cho kênh đa ngƣời dùng tốc độ thấp và tránh đƣợc nhiễu và fadinh
băng hẹp. Có thể xem OFDMA là sự kết hợp của OFDM và TDMA.

Hình 1.16 So sánh OFDM và OFDMA [10]
So sánh OFDM và OFDMA
- OFDM hỗ trợ đa ngƣời dùng (Multiple Access) dựa trên TDMA, trong
khi OFDMA hỗ trợ đa ngƣời dùng trên hoặc TDMA hoặc FDMA hoặc cả
hai cùng một lúc.
- OFDMA hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ thấp đồng thời từ nhiều ngƣời dùng
nhƣng OFDM chỉ có thể hỗ trợ một ngƣời sử dụng tại thời điểm nhất
định.
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


20

- OFDMA so với OFDM cải thiện đáng kể trong khả năng chống lại fading
và nhiễu vì nó có thể gán tập hợp con của sóng mang con cho mỗi ngƣời
dùng bằng cách tránh gán kênh xấu.
- OFDMA hỗ trợ cơng suất cho mỗi kênh truyền hoặc sóng mang con,

trong khi OFDM cần phải duy trì cơng suất giống nhau cho tất cả các
sóng mang con.
Hiện nay, OFDMA đƣợc ứng dụng trong các hệ thống nhƣ WiMAX di động
hệ thống LTE và các phiên bản tiếp theo, TiVi White Space...
1.5 Kết luận
OFDM là một phƣơng pháp mã hóa các dữ liệu kỹ thuật số trên nhiều tần số
sóng mang. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao
thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng
mang con trực giao. Nhờ vậy OFDM tăng khả năng thích ứng với hiệu ứng
truyền đa đƣờng và khả năng chịu đựng nhiễu băng hẹp.
So sánh OFDM và OFDMA, trong OFDM tất cả các sóng mang con của ký
hiệu đƣợc dùng để cung cấp dữ liệu cho một ngƣời dùng xác định cịn trong
OFDMA các sóng mang con của mỗi symbol có thể đƣợc phân cho nhiều ngƣời
dùng do đó OFDMA tốt hơn trong việc sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần số.
Hiện nay, OFDMA đƣợc ứng dụng trong các hệ thống nhƣ WiMAX di động
hệ thống LTE và các phiên bản tiếp theo, TiVi White Space...

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


21

CHƢƠNG 2: CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO TRONG MẠNG
LTE/LTE-A
2.1 Tổng quan mạng LTE [7]
LTE viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là Tiến hóa dài hạn.
LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện
thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu, nó dựa trên các cơng nghệ mạng
GSM/EDGE và UMTS/HSPA. Các u cầu chính cho mạng truy cập là hiệu quả
phổ tần cao, tốc độ dữ liệu đỉnh cao, thời gian ngắn cũng nhƣ sự linh hoạt trong

tần số và băng thông. Các tiêu chuẩn của LTE đƣợc tổ chức Dự án đối tác thế hệ
thứ 3 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) ban hành và đƣợc quy
định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của Phiên bản 8 (Release 8) và đƣợc
cập nhật trong các phiên bản tiếp theo.
Giải pháp truy cập mới trong LTE đƣợc dựa trên công nghệ đa truy cập ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA và kết hợp với điều chế bậc cao
hơn, băng thông lớn hơn và ghép kênh không gian trong đƣờng xuống nên tốc
độ dữ liệu cao có thể đạt đƣợc. Tốc độ dữ liệu đỉnh về lý thuyết cao nhất trên
các kênh vận chuyển là 75 Mbps cho đƣờng lên và trong đƣơng xuống sử dụng
ghép kênh khơng gian, tốc độ có thể lên tới 300 Mbps. LTE là sự hội tụ của
nhiều nhánh cơng nghệ đƣợc thể hiện ở hình 2.1.

Hình 2.1 LTE là sự hội tụ của nhiều nhánh công nghệ [4]
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


22

Cấu trúc tổng quan của mạng LTE đƣợc đơn giải hóa so với mạng thế hệ
trƣớc đó. Mạng truy nhập của LTE chỉ đơn giản là một mạng lƣới các trạm cơ
sở, Node B tăng cƣờng (eNB) tạo ra một kiến trúc phẳng. Các eNB liên kết nối
với nhau thông qua giao diện X2 và kết nối hƣớng tới mạng lõi chuyển mạch gói
nâng cao EPC (Evolved Packet Core) qua giao diện S1.
+ Giao diện X2 có chức năng hỗ trợ chuyển giao giữa các eNB, triệt nhiễu
và cân bằng tải của hệ thống.
+ Giao diện S1 hỗ trợ chia sẻ hạ tầng mạng, cân bằng tải hệ thống.
Lý do cho việc liên kết giữa các trạm cơ sở trong LTE là để tăng tốc độ kết
nối, thiết lập và làm giảm thời gian cần thiết cho một chuyển giao. Thời gian cho
một chuyển giao là đảm bảo cho dịch vụ thời gian thực.

Hình 2.2 Kiến trúc cơ bản và giao diện trong LTE [4]
Để đạt đƣợc hiệu quả phổ tần vô tuyến cao cũng nhƣ cho phép lập kế hoạch
hiệu quả trong cả miền thời gian và miền tần số, kỹ thuật đa truy cập ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDMA đƣợc lựa chọn cho đƣờng xuống. Trong
OFDMA các sóng mang con có thể đƣợc chia sẻ giữa nhiều ngƣời dùng. Tuy
nhiên, giải pháp OFDMA dẫn đến tỉ số cơng suất đỉnh trên trung bình cao PAPR
(Peak-to-Average Power Ratio), yêu cầu các bộ khuếch đại công suất tốn kém
với yêu cầu cao về độ tuyến tính, làm tăng tiêu thụ năng lƣợng để gửi đi. Điều
này là khơng thành vấn đề trong các eNB, nhƣng phía ngƣời dùng sẽ dẫn đến
những điện thoại rất đắt, tiêu hao pin nhanh. Do đó, ở đƣờng lên lựa chọn giải
pháp đa truy cập ghép kênh phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE


23

(Single Carrier Frequency Division Multiple Access). SC-FDMA tạo ra một tín
hiệu với đặc điểm sóng mang đơn, do đó với một PAPR thấp.

Hình 2.3 Truy cập OFDMA đƣờng lên và SC-FDMA trong LTE [6]
2.2 Mạng đồng nhất và mạng hỗn hợp trong LTE/LTE-A
Quy hoạch mạng lƣới hiệu quả là điều cần thiết để đối phó với sự gia tăng số
lƣợng thuê bao dữ liệu di động băng rộng. Nhà khai thác đã đáp ứng thách thức
này bằng cách tăng dung lƣợng với phổ tần vô tuyến mới, bổ sung các kỹ thuật
đa ăng ten và thực hiện các phƣơng pháp mã hóa, điều chế hiệu quả hơn.
Tuy nhiên, những biện pháp này một mình là khơng đủ trong mơi trƣờng
đơng đúc nhất và ở vùng biên tế bào (cell), nơi hiệu suất có thể làm giảm đáng
kể. Các nhà khai thác đã bổ sung thêm các tế bào kích thích nhỏ (small cell) và
liên kết chặt chẽ chúng với các mạng vĩ mô (macro netwok) để mở rộng tải lƣu
lƣợng, duy trì hiệu suất và dịch vụ chất lƣợng cao trong khi tái sử dụng phổ tần

hiệu quả nhất.
Trong mạng LTE, một cách để mở rộng mạng vĩ mô hiện có trong khi vẫn
duy trì nó nhƣ một mạng đồng nhất (Homogeneous network) đó là tăng mật độ
bằng cách thêm nhiều hơn các thành phần (sector) trên mỗi eNB hoặc triển khai
nhiều eNB lớn (macro eNB). Tuy nhiên, việc giảm khoảng cách giữa các trạm
(site) trong mạng vĩ mô chỉ có thể theo đuổi đến một mức độ nhất định vì việc
tìm kiếm vị trí trạm mới ngày càng trở nên khó khăn và có thể tốn kém, đặc biệt
là tại các trung tâm thành phố.

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE