Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống mimo OFDM ứng dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4g 5g

..

Luận văn tốt nghiệp
..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN KHUYẾN

Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho
hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng cho các
mạng thông tin thế hệ 4G-5G
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG

HÀ NỘI – 2018

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

1


Luận văn tốt nghiệp
LỜI NĨI ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu thơng tin của con người là cực kỳ lớn và diễn ra mọi lúc
mọi nơi. Các thiết bị di động không dây tốc độ cao, băng rộng ngày càng phổ biến
với số lượng thuê bao rất lớn và ngày càng tăng. Do đó, u cầu đặt ra cho hệ thống
viễn thơng ngày càng cao, đòi hỏi hệ thống phải cung cấp các dịch vụ có chất lượng
tốt và tốc độ cao. Điển hình là cơng nghệ mạng 4G và sắp tới là công nghệ mạng thế
hệ thứ 5 sẽ được ứng dụng rộng rãi thì yêu cầu càng cao về hệ thống cung cấp dịch
vụ mạng trong thực tế. Để đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tính di động cao của
các dịch vụ cung cấp cho người dùng, kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia theo
tần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều ăng-ten phát và
thu (MIMO) đã được chọn làm giải pháp truyền dẫn chính của mạng băng rộng hiện
nay. Tuy nhiên, với số lượng thuê bao lớn thì hiệu quả của hệ thống MIMO-OFDM
phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thông tin trạng thái kênh truyền và bị suy giảm
rất nhiều do ảnh hưởng của nhiễu giao thoa liên thuê bao.
Để đạt được những chỉ tiêu về chất lượng, tốc độ đề ra, hệ thống MIMOOFDM không ngừng bổ sung các kỹ thuật hỗ trợ. Một trong số các phương pháp đưa
ra là kỹ thuật tiền mã hóa. Với kỹ thuật này, hệ thống sẽ tiết kiệm được băng tần, thời
gian, tăng hiệu suất tần số và loại bỏ được thành phần nhiễu giao thoa liên thuê bao.
Từ những ưu điểm của kỹ thuật tiền mã hóa, cùng với mong muốn tìm hiểu kỹ
hơn về kỹ thuật này, em chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp là: “Nghiên
cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ứng dụng cho các
thông tin thế hệ 4G-5G”.
Luận văn được chia làm bốn chương chính sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng 4G-5G.
Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM
Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

2

Luận văn tốt nghiệp
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMOOFDM
Luận văn sẽ đi sâu phân tích vấn đề liên quan đến kỹ thuật tiền mã hóa trong
MIMO-OFDM và mơ phỏng bằng phần mềm matlab để thấy rõ hơn ảnh hưởng của
tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM. Tuy khơng phải là đề tài quá mới, nhưng
tại Việt Nam lĩnh vực này vẫn còn nhiều cơ hội và thách thức.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Quốc Khương, Thầy đã
tận tình dạy bảo, để em thực hiện và hồn thành luận văn này. Em rất biết ơn cơng
lao chỉ dạy của Thầy. Qua thầy em đã biết cách tìm hiểu cơ sở lý thuyết, phân tích và
tiếp cận vấn đề, đưa ra và triển khai thực hiện ý tưởng. Em cũng rất biết ơn những
công lao chỉ dạy của tất cả các thầy, các cơ trong q trình tham gia học tập tại trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Các thầy cô vừa trực tiếp và vừa gián tiếp tạo điều kiện
giúp đỡ em trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018
Học viên

Nguyễn Văn Khuyến

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

3


Luận văn tốt nghiệp
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và tham khảo có dẫn chứng cụ thể. Chương trình
được mơ phỏng trên phần mềm Matlab 2017b.

Học viên

Nguyễn Văn Khuyến

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

4


Luận văn tốt nghiệp
MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ ..................................................................................................... 1
LỜI NĨI ĐẦU ........................................................................................................... 2
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 4
MỤC LỤC .................................................................................................................. 5
DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................. 9
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... 11
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 12
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 14
Lý do chọn đề tài ...................................................................................................14
Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................14
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ....................15
Mục tiêu của đề tài ................................................................................................15
Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................15
Nội dung của luận văn...........................................................................................15
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G-5G ........................... 17
1.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................17
1.2 Công nghệ mạng 4G........................................................................................17
1.2.1 Thế hệ mạng di động tiền 4G ...................................................................17
1.2.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G ...................................................................18
1.2.3 Công nghệ LTE ........................................................................................18

1.2.4 Một số công nghệ quan trọng của mạng 4G-LTE....................................20

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

5


Luận văn tốt nghiệp
1.2.5 Kiến trúc hệ thống 4G-LTE hướng xuống ...............................................21
1.2.6 Các tham số hệ thống 4G-LTE ................................................................23
1.2.7 Các tham số kênh truyền ..........................................................................23
1.2.8 Kết luận về 4G-LTE .................................................................................24
1.3 Cơng nghệ mạng 5G........................................................................................24
1.3.1 Mạng 5G là gì...........................................................................................24
1.3.2 Mạng 5G hoạt động như thế nào ..............................................................25
1.3.3 Tiêu chuẩn mạng 5G ................................................................................26
1.3.4 Những ứng dụng được kỳ vọng trong công nghệ 5G ..............................28
1.4 Kết luận chương ..............................................................................................31
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM ............................................................ 32
2.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................32
2.2 Kỹ thuật OFDM ..............................................................................................32
2.1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM .......................................................................32
2.2.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM ..................................................................33
2.2.3 Sơ đồ khối OFDM ....................................................................................36
2.2.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM ..........................................................................41
2.2.5 Các đặc tính của OFDM...........................................................................43
2.2.6 Các đặc tính kênh truyền ..........................................................................44
2.2.7 Kết luận về kỹ thuật OFDM .....................................................................50
2.3 Hệ thống MIMO ..............................................................................................50
2.3.1 Giới thiệu hệ thống MIMO ......................................................................50

2.3.2 Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO ..................................................51
2.3.3 Các kỹ thuật phân tập ...............................................................................52

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

6


Luận văn tốt nghiệp
2.4 Hệ thống MIMO-OFDM .................................................................................54
2.4.1 Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM....................................................54
2.4.2 Mô tả tổng quan hệ thống MIMO-OFDM ...............................................56
2.4.3 Cấu trúc khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM .............................57
2.4 Kết luận chương ..............................................................................................58
CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
................................................................................................................................... 59
3.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................59
3.2 Giới thiệu kỹ thuật tiền mã hóa .......................................................................59
3.2.1 Mục đích của tiền mã hóa ........................................................................59
3.2.2 Phân loại tiền mã hóa ...............................................................................60
3.3 Kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ........................................61
3.3.1 Hệ thống tiền mã hóa MIMO-OFDM ......................................................61
3.3.2 Nguyên tắc tiền mã hóa của hệ thống MIMO-OFDM .............................62
3.3.3 Khảo sát SNR trong hệ thống MIMO-OFDM khơng có tiền mã hóa và có
mã hóa ...............................................................................................................63
3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa ZF (Zero-forcing) ........................................................64
3.4.1 Giới thiệu..................................................................................................64
3.4.2 Thuật tốn tiền mã hóa ZF .......................................................................66
3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa DPC (Dirty Paper Coding) ...........................................67
3.5.1 Giới thiệu..................................................................................................67

3.5.2 Thuật tốn tiền mã hóa DPC ....................................................................68
3.6 Lựa chọn người dùng ......................................................................................70
3.7 Kết luận chương ..............................................................................................70

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

7


Luận văn tốt nghiệp
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................................... 72
4.1 Giới thiệu chương ...........................................................................................72
4.2 Cách xây dựng chương trình ...........................................................................72
4.3 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa................72
4.4 Kết quả mơ phỏng ...........................................................................................74
4.4.1

Khảo sát BER của các phương pháp ZF, DPC .....................................74

4.4.2

Khảo sát BER của các phương pháp ZF, DPC theo mức điều chế.......75

4.4.3

Khảo sát BER của các phương pháp khi thay đổi số thuê bao .............76

4.5 Kết luận chương ..............................................................................................78
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 80

PHỤ LỤC ................................................................................................................. 82

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

8


Luận văn tốt nghiệp
DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

BD

Block Diagonalization

BS

Base Staion

Trạm gốc

Carrier frequency offsets

Độ lệch tần số sóng mang

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CSI

Channel State Information

Thơng tin trạng thái kênh truyền

DAC

Digital-to-Analog

Chuyển đổi số sang tương tự

DFT

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc

DPC

Dirty Paper Coding

FDM

Frequency Division Multiplexing

CFO

FDMA

Frequency Division Multiple

Ghép kênh phân chia theo tần số
Đa truy cập phân chia theo tần số

Access

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

ICI

Inter- Carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Phép biến đổi Fourier rời rạc đảo

Transform
Inverse Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier đảo

ISI

Inter- Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

IUI

Inter- User Interference

Nhiễu giao thoa liên thuê bao

Multiple Input Multiple Output

Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra

IFFT

MIMO

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

9


Luận văn tốt nghiệp

M-QAM

MMSE

OFDM

PAPR

QAM

M Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương M

Modulation

điểm

Minimum Mean Squared Error

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

trực giao
Tỉ số công suất đỉnh trên công

Peak to Average Power Ratio

suất trung bình

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modulation
Quadrature Phase Shift Keying

SDMA

Space Division Multiple Access

SNR
ZF

sai lệch

Orthogonal Frequency Division

QPSK

SINR

Tối thiểu bình phương trung bình

Điều chế pha nhị phân
Đa truy cập phân chia theo khơng
gian

Signal Interference to Noise

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can

Ratio

nhiễu

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Zero forcing

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

10


Luận văn tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Các tham số hệ thống LTE .......................................................................23
Bảng 1-2: Các tần số Doppler xác định cho mơ hình kênh LTE ..............................24

Bảng 1-3: Các đặc tính cơng suất trễ của mơ hình kênh LTE ..................................24

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

11


Luận văn tốt nghiệp
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Q trình phát triển lên LTE .....................................................................19
Hình 1-2: Sơ đồ khối phía phát LTE downlink.........................................................22
Hình 1-3: Cách thức hoạt động của mạng 5G trong thử nghiệm tại Nhật Bản.........25
Hình 2-1: So sánh tính hiệu quả sử dụng phổ của OFDM và FDM .........................34
Hình 2-2: Phổ sóng mang con OFDM ......................................................................36
Hình 2-3: Sơ đồ khối máy phát OFDM ....................................................................37
Hình 2-4: Sơ đồ khối máy thu OFDM ......................................................................37
Hình 2-5: Kỹ thuật xen kẽ .........................................................................................38
Hình 2-6: 4-QAM ......................................................................................................39
Hình 2-7: 16-QAM ....................................................................................................39
Hình 2-8: Cấu trúc của ký tự OFDM ........................................................................41
Hình 2-9: Biến đổi IFFT và chèn CP ........................................................................41
Hình 2-10: Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi .............................................................42
Hình 2-11: Hiệu ứng đa đường trong thơng tin di động ...........................................45
Hình 2-12: Hiệu ứng Doppler ...................................................................................47
Hình 2-13: Lỗi dịch tần số gây ra nhiễu ICI trong OFDM .......................................49
Hình 2-14: Sơ đồ thống MIMO.................................................................................51
Hình 2-15: Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM ...............................................................55
Hình 2-16: Các khối cơ bản của sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM ....56
Hình 2-17: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM ..................................................57
Hình 3-1: Hệ thống tiền mã hóa MIMO-OFDM.......................................................61

Hình 3-3: Sơ đồ hệ thống ZF ....................................................................................65
Hình 4-1: Sơ đồ khối chương trình chính cho kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống
MIMO-OFDM ...........................................................................................................73
Hình 4-2: Sơ đồ khối từng bước trong OFDM .........................................................73
Hình 4-3: BER của các phương pháp ZF, DPC ........................................................74
Hình 4-4: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi mức điều chế .......................75
Hình 4-5: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi mức điều chế ....................76

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

12


Luận văn tốt nghiệp
Hình 4-6: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi số thuê bao .........................77
Hình 4-7: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi số thuê bao ......................77

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

13


Luận văn tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, việc nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông là một trong những vấn
đề được quan tâm hàng đầu trong truyền thông vô tuyến. Trong các mạng thông tin
di động thế hệ mới như 4G LTE, 5G thì yêu cầu sử dụng hiệu quả băng tần được cấp
phát trở nên quan trọng. Việc sử dụng nhiều ăng-ten thu phát là một giải phát cần
thiết nhưng chưa hoàn toàn tối ưu trong việc khai thác sử dụng băng tần. Kỹ thuật

tiền mã hóa tín hiệu để tối ưu hóa sử dụng băng thơng giống như định hướng chùm
tia tín hiệu phát đến tín hiệu thu mà khơng cần tăng cơng suất phát tín hiệu là một
trong những giải pháp đã được áp dụng đối với các hệ thống MIMO. Luận văn nghiên
cứu với đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM ứng
dụng cho các mạng thông tin thế hệ 4G-5G” nhằm mục tiêu này.
Lịch sử nghiên cứu
Nếu như mạng di động thế hệ đầu tiên (1G) chỉ đơn thuần cung cấp dịch vụ
thoại; mạng 2G cung cấp dịch vụ thoại và nhắn tin; mạng 3G cung cấp dịch vụ thoại
+ nhắn tin + dữ liệu; mạng 4G cung cấp các dịch vụ 3G với tốc độ cao hơn, thì sự ra
đời của thế hệ mạng 5G sẽ cho phép triển khai các dịch vụ tiên tiến cho người dân,
từ khả năng truy cập với chất lượng tốt hơn tới dịch vụ y tế, hệ thống giao thông thông
minh (bao gồm cả xe ô tô tự lái) và điều khiển máy móc từ xa... Vậy, 4G và hơn nữa
là 5G với yêu cầu cao về tốc độ, khối lượng xử lý cơng việc,... nên cần có các cơng
nghệ và giải pháp để có được đường truyền cũng như tốc độ tốt nhất. Việc sử dụng
nhiều ăng-ten thu phát là một giải phát cần thiết nhưng chưa hoàn toàn tối ưu trong
việc khai thác sử dụng băng tần. Kỹ thuật tiền mã hóa tín hiệu ra đời để tối ưu hóa sử
dụng băng thơng giống như định hướng chùm tia tín hiệu phát đến tín hiệu thu
(Beaforming) mà khơng cần tăng cơng suất phát tín hiệu là một trong những giải pháp
đã được áp dụng đối với các hệ thống MIMO-OFDM.

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

14


Luận văn tốt nghiệp
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu là trên cơ sở tìm hiểu về hai phương pháp tiền mã hóa, đề tài
tiến hành phân tích, mơ phỏng và đánh giá hiệu năng của các phương pháp thông qua tỷ
lệ lỗi bít tín hiệu BER, đồng thời đưa ra các so sánh về các ưu điểm và nhược điểm của

từng phương pháp.
Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu về mạng thế hệ 4G-5G; Hệ thống MIMO-OFDM;
Các phương pháp tiền mã hóa tuyến tính ZF (Zero Forcing) và phi tuyến DPC (Dirty
Paper Coding).
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM với 2
phương pháp tiền mã hóa ZF và DPC.
Mục tiêu của đề tài
-

Tìm hiểu tổng quan về mạng 4G-5G.

-

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM.

-

Tìm hiểu và phân tích kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM.

-

Đưa ra mô phỏng và đánh giá việc ứng dụng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ
thống MIMO-OFDM để nâng cao chất lượng hệ thống mạng thông tin,

Phương pháp nghiên cứu
Như trình bày trong luận văn, thì phương pháp nghiên cứu của tác giả là tiến
hành việc nghiên cứu lý thuyết về hai cơng nghệ mạng 4G-5G. Nghiên cứu tìm hiểu
hai kỹ thuật tiền mã hóa ZF và DPC cho hệ thống MIMO-OFDM. Nghiên cứu phân
tích đưa ra các đặc trưng về từng kỹ thuật để phù hợp với yêu cầu Luận văn đề ra.
Nội dung của luận văn

Phần nội dung chính của luận văn gồm 4 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng 4G và 5G.
Giới thiệu tổng quan về 4G cũng như 5G, một số tiêu chuẩn kỹ thuật và các
ứng dụng của nó.
Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM.
Trình bày về sự kết hợp của OFDM với hệ thống nhiều ăng-ten thu phát.
HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

15


Luận văn tốt nghiệp
Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM.
Tập trung nghiên cứu một số kỹ thuật tiền mã hóa có thể sử dụng trong hệ
thống MIMO-OFDM. Gồm các kỹ thuật tiền mã hóa tuyền tính ZF (Zero Forcing),
MMSE và kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến như DPC (Dirty paper Coding)
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá
Đưa ra kết quả mô phỏng bằng matlab cho chương 3 và đánh giá các kỹ thuật
tiền mã hóa được sử dụng trong hệ thống MIMO-OFDM.
Kết luận
Cô đọng nhất kết luận cho kiến thức đã tìm được về luận văn.

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

16


Luận văn tốt nghiệp
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G-5G
1.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày tổng quan về các mạng thông tin di động 4G-LTE và
5G, cũng như tìm hiểu chi tiết các tham số hệ thống 4G-LTE, từ đó lựa chọn các tham
số phù hợp để mô phỏng hệ thống.
1.2 Công nghệ mạng 4G
1.2.1 Thế hệ mạng di động tiền 4G
Hai công nghệ xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 (802.11m) và LTE (Long
Term Evolution) vì chưa đáp ứng được chuẩn 4G là cho phép truyền tải ở tốc độ
100MB/s khi di chuyển và tới 1 GB/s khi đứng yên.
Về bản chất, Wimax2 là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là
sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà cung cấp dịch vụ GSM. Cả
hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện
khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động trên các băng tần khác nhau.
Long term Evolution (LTE): công nghệ di động đã được phát triển và chuẩn hóa
bởi 3GPP, nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện đầy đủ yêu cầu IMTAdvance. LTE có tốc độ bit lý thuyết 100 MB/s cho download và 50 MB/s cho
upload.
Wimax-2: được phát triển bởi IEEE (IEEE 802.16m). Wimax được cung cấp khả
năng kết nối internet không dây nhanh hơn với wifi, tốc độ up và down cao hơn sử
dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và khơng
bị ảnh hưởng bởi địa hình. Wimax có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều
chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại có tốc độ bit
net lý thuyết là 128 MB/s cho download và 64 MB/s cho upload.
Công nghệ không dây thế hệ thứ 4: Được biết sẽ là chuẩn tương lai của thiết bị
không dây, các dịch vụ di động 4G với khả năng cung cấp băng thông rộng, dung

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

17


Luận văn tốt nghiệp

lượng lớn, truyền dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh
video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ họa 3D linh hoạt, các dịch vụ âm thanh số.
Với sự xuất hiện của mạng 4G nó sẽ giải quyết được:
-

Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, internet
khơng dây.

-

Băng thơng rộng hơn.

-

Tính di động tồn cầu và tính di chuyển dịch vụ.

-

Hạ giá thành.

-

Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động.

1.2.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi
có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ cơng nghệ 3G. Về mặt lý
thuyết, mạng khơng dây sử dụng cơng nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4
đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với
công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps

đối với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL: 18852025 MHz; DL: 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz.
Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ
liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vơ tuyến gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL:
100Mbps( ở BW 20MHz), UL: 50 Mbps với 2 aten thu một ăng-ten phát. Độ trễ nhỏ
hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25
MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và
tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA.
1.2.3 Công nghệ LTE
LTE (Long Term Evolution), là một hệ thống công nghệ được phát triển từ
3GPP, thuộc họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu,
thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới, hướng
đến thế hệ thứ 4 (4G).
HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

18


Luận văn tốt nghiệp
LTE sử dụng tần số một cách linh động, có thể hoạt động ở băng tần có độ
rộng từ 1,25 MHz cho tới 20 MHz. Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (về lý thuyết) của
LTE có thể đạt tới 250 Mb/s khi độ rộng băng tần là 20 MHz.
• Q trình phát triển LTE
-

Chuẩn LTE đầu tiên là phiên bản Release 8 của 3GPP vào tháng 12 năm
2008 dựa vào nền tảng của công nghệ viễn thông GSM (Global System for
Mobile Communications).

-

Chuẩn LTE: thế hệ thứ 4 của UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System), tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vơ
tuyến gói dữ liệu tối ưu.

-

Chuẩn LTE-Advanced (3/2011): là một bước chuyển lớn của LTE, LTE
Advanced tương thích với các thiết bị của LTE phiên bản cũ, và dùng chung
băng tần với các LTE phiên bản cũ.

Hình 1-1: Quá trình phát triển lên LTE [3]
• u cầu của LTE
-

Tốc độ tối đa (peak data rate)

-

100 Mbps tải xuống, 50 Mbps tải lên trên băng thông kênh truyền 20 MHz

-

Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell (5 MHz)

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

19


Luận văn tốt nghiệp

-

Tính lưu động

-

Tối ưu hóa từ 0 ~ 15 km/h.

-

Hiệu suất cao trong khoảng 15 ~ 120 km/h

-

Hỗ trợ lên đến 350 km/h hoặc thậm chí lên đến 500 km/h.

-

Tăng cường dịch vụ phát sóng đa phương tiện (E-MBMS)

-

Độ trải phổ linh hoạt: 1,25 ~ 20 MHz

-

Tăng cường hỗ trợ chất lượng dịch vụ đế người dùng đầu cuối

• Kỹ thuật sử dụng LTE
-

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

-

Frequency domain equalization

-

SC-FDMA (Single Carrier FDMA)

-

MIMO (Multi-Input Multi-Output)

-

Multicarrier channel-dependent resource scheduling

-

Fractional frequency reuse

1.2.4 Một số công nghệ quan trọng của mạng 4G-LTE
• OFDM
OFDM là cơng nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn. Do đó dung
sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép
khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang.
OFDMA là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM, là một dạng cải tiền
của OFDM. Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng

tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong
OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng tồn bộ khơng gian sóng mang con mà
khơng gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi
trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hóa.
• MIMO

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

20


Luận văn tốt nghiệp
MIMO là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu
phát tín hiệu đều sử dụng nhiều ăng-ten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu,
đồng thời giảm thiểu lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu… MIMO tận dụng sự dội lại
của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể
đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau. Tóm lại, MIMO là kỹ
thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu để truyền và nhận dữ liệu
Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên
cùng một băng thơng, giảm chi phí truyền tải. Cơng nghệ MIMO cho phép đầu nhận
phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu đó
Trong việc truyền thơng bằng sóng vơ tuyến, những chướng ngại vật trên
đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như các tòa nhà cao ốc, dây điện và những
cấu trúc khác trong khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ hoặc khúc xạ. Những
yếu tố này làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hoặc mất hẳn. Trong truyền thông kỹ thuật
số, những yếu tố trên có thể làm giảm tốc độ truyền cũng như chất lượng của dữ liệu
Trong công nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều ăng-ten để truyền sóng
theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thơng tin. Dữ liệu truyền sau đó sẽ
được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định. Điều này tương
tự đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ bên ngoài, sau đó não bộ sẽ lọc,

phân loại những âm thanh đó. Các sản phẩm wifi sử dụng công nghệ MIMO được
nhiều nhà sản xuất quan tâm vì chúng có khả năng cải thiện tốc độ truyền dữ liệu,
tầm phủ sóng và độ tin cậy.
1.2.5 Kiến trúc hệ thống 4G-LTE hướng xuống
Ở đây ta có một chú ý rằng, 4G-LTE được coi là bước phát triển tiếp theo của
hệ thống mạng không dây 3G dựa trên nền tảng công nghệ di động GSM/UTMS được
coi là công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G.
Để chi tiết hơn về LTE đường xuống, ta tìm hiểu mơ hình hệ thống dự trên sơ
đồ nhiều ăng-ten thu phát và OFDM. Việc kết hợp MIMO-OFDM tạo nên công nghệ
HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

21


Luận văn tốt nghiệp
lớn và then chốt cho LTE. Nó phù hợp cho các hệ thống băng thông rộng, tốc độ dữ
liệu cao, hơn nữa OFDM giúp khắc phục ISI trong môi trường fading đa đường hiệu
quả phổ cao cho LTE downlink. Dưới đây là mơ hình LTE downlink với 2 ăng-ten
phát và 2 ăng-ten thu.
• Phía phát

Hình 1-2: Sơ đồ khối phía phát LTE downlink [3]
Từ hình vẽ ta thấy trên, ở bước đầu tiên, dữ liệu vào dạng nối tiếp được chuyển
thành hai dữ liệu song song nhờ bộ chuyển đổi S/P. Mọi dòng dữ liệu này được điều
chế vào các tần số sóng mang con khác nhau sử dụng sơ đồ ánh xạ chòm sao như
BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Trong hình 1-2 sơ đồi khối phía phát LTE
downlink là trường hợp 64-QAM. Phương pháp điều chế càng cao thì băng thơng và
tốc độ càng cao trong LTE. Kết quả phù hợp với cấu trúc khung con trong LTE
downlink, các mẫu chòm sao phức của mỗi dòng dữ liệu và pilot ánh xạ lên lưới
OFDM. Mẫu sắp xếp các mẫu pilot khác nhau cho mỗi ăng-ten được sử dụng với mục

đích ước lượng kênh. Trong khối STC (Space Time Coding) có khối zero padding,
bởi vì tốc độ lấy mẫu lớn hơn nhiều so với băng thông truyền của hệ thống. Trong
khối zero padding, chiều dài phổ tín hiệu được tăng lên bởi số lượng zero. Tín hiệu
được chèn zero được đưa tới khối IFFT đề điều chế OFDM. Trong điều chế OFDM,
dòng dữ liệu đầu vào nối tiếp được chia thành các luồng song song với tốc độ thấp
hơn, các luồng song song này được phát đồng thời qua các sóng mang con khác nhau.
Khi đó cần khoảng cách tần số tối thiểu giữa các sóng mang con để đảm bảo tính trực

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

22


Luận văn tốt nghiệp
giao dạng sóng của chúng trong miền thời gian. Trong miền tần số các sóng mang
con khác chồng lấn lên nhau. Vì thế băng thơng được sử dụng một cách hiệu quả.
Thuật toán IFFT là một thuật toán hiệu quả sử dụng để phát một mẫu OFDM và giảm
độ phức tạp của máy, cuối cùng tín hiệu OFDM điều chế trước khi truyền đi được
chèn khoảng bảo vệ (GI). Nếu kênh truyền không thay đổi theo thời gian thì tín hiệu
OFDM phát đi có thể được giải điều chế khơng có nhiễu. Hay nói cách khác, nếu
kênh truyền là thay đổi theo thời gian thì tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ
mất. Điều này gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI (Inter-Symbol Interference) cũng như
là nhiễu xuyên sóng mang ICI (Inter-Carrier Interference). Để khắc phục nhiễu và sự
thay đổi của kênh theo thời gian, thì CP sẽ được sử dụng trong hệ thống OFDM.
• Phía thu
Phía thu sẽ thực hiện ngược lại các hoạt động tương tự của máy phát và có thêm
một số thuật tốn như ước lượng kênh truyền để khơi phục lại thơng tin một cách
chính xác nhất. Nó được mơ tả chi tiết trong [3].
1.2.6 Các tham số hệ thống 4G-LTE
Bảng 1-1: Các tham số hệ thống LTE [3]

Băng thông truyền (𝑀𝐻𝑧)

1.25

2.5

5

Độ dài sóng mang con (𝑻𝒔𝒖𝒃 ) (𝑚𝑠)

10

15

20

0.5

Khoảng cách các sóng mang con
15

(𝒇𝒔𝒑𝒂𝒄𝒆) () (𝑘𝐻𝑧)
Tần số lấy mẫu 𝒇𝒔 (MHz)

1.92

3.84

7.68

15.36 23.04 30.72

Chiều dài FFT

128

256

512

1024

1536

2048

Số sóng mang con chiếm đóng 𝑵𝑩𝑾

75

150

300

600

900

1200

1.2.7 Các tham số kênh truyền
Các bảng dưới đây chỉ ra các tham số kênh truyền như: Tần số Doppler, đặc
tính cơng suất trễ của mơ hình kênh LTE.

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

23


Luận văn tốt nghiệp
Bảng 1-2: Các tần số Doppler xác định cho mơ hình kênh LTE [3]
Doppler thấp

Doppler trung bình

Doppler cao

5

70

900

Tần số (Hz)

Bảng 1-3: Các đặc tính cơng suất trễ của mơ hình kênh LTE [3]
Số đường

Độ trải trễ

Trễ trung

truyền

RMS (𝑛𝑠)

bình (𝑛𝑠)

Extended Pedestrian A (EPA)

7

45

410

Extended Vehicular A (EPA)

9

357

2510

Extended Typical Urban (RTU)

9

991

5000

Mơ hình

1.2.8 Kết luận về 4G-LTE
Việc kết hợp MIMO-OFDM tạo nên cơng nghệ lớn và then chốt cho LTE. Nó
phù hợp cho các hệ thống băng thông rộng, tốc độ dữ liệu cao, hơn nữa OFDM giúp
khắc phục ISI trong môi trường fading đa đường hiệu quả phổ cao cho LTE downlink.
1.3 Cơng nghệ mạng 5G
1.3.1 Mạng 5G là gì
Ta biết, 5G là thế thế hệ thứ 5 (5th Generation) của mạng di động. Mỗi thế hệ
tương ứng với một tập hợp các yêu cầu riêng, quyết định chất lượng thiết bị và hệ
thống mạng nào đủ chuẩn đáp ứng yêu cầu và tương thích với các hệ thống mạng
khác, mô tả những công nghệ mới, mang lại khả năng giao tiếp mới.
Đầu tháng 01/2012, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU - International
Telecommunications Union) chứng nhận chỉ có 2 công nghệ là LTE-Advanced và
WirelessMAN-Advanced (WiMAX 2) mới đạt chuẩn mạng 4G. Theo tiêu chuẩn của
ITU, mạng 4G phải đạt được tốc độ 100Mbit/giây khi di chuyển tốc độ cao và tốc độ
1Gbit/giây đối với những thiết bị cố định.
HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

24


Luận văn tốt nghiệp
Do chuẩn 5G xuất hiện sau 4G nên nó được mong đợi cịn có tốc độ nhanh
hơn nhiều chuẩn kết nối 4G hiện tại.
1.3.2 Mạng 5G hoạt động như thế nào
Mạng di dộng 5G được lên kế hoạch sử dụng bước sóng milimet, quang phổ
tín hiệu RF giữa các tần số cao 20GHZ và 300GHz. Các bước sóng này có thể truyền

tải khối lượng lớn dữ lệu với tốc độ cao, nhưng không truyền được xa và khó xuyên
qua tường, vượt các ngại vật như các bước sóng tần số thấp trong mạng 4G. Vì vậy
khi xây dựng mạng 5G, các nhà mạng đã sử dụng một lượng lớn ăng-ten để có cùng
độ phủ sóng như 4G hiện tại.

Hình 1-3: Cách thức hoạt động của mạng 5G trong thử nghiệm tại Nhật Bản
Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang được sử dụng bởi mạng 2G, 3G
và 4G, có thể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform
Stations), được biết như là những chiếc máy bay cố định ở độ cao trung bình 20 km
so với mặt đất. Chúng hoạt động như vệ tinh và thay thế các ăng ten để giúp đường
truyền tín hiệu của mạng khơng dây mới được thẳng và vùng phủ sóng rộng, ổn định
hơn, khơng bị hạn chế bởi các thiết kế kiến trúc cao tầng.

HVTH: Nguyễn Văn Khuyến

25