Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng thông tin di động 4g

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------o0o-----------------

NGUYỄN VĂN THẮNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG
DỤNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

CB HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HỮU CƠNG

THÁI NGUN- 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


ii

Cơng trình đƣợc hồn thành tại
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Nguyễn Hữu Công

Phản biện 1:
PGS.TS. Đỗ Xuân Tiến

Phản biện 2:
TS. Đào Huy Du

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
phòng 202 nhà A10 trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học
Thái Nguyên. Vào hồi 11h giờ 00‟ ngày 21 tháng 08 năm 2016.

Có thể tìm đọc luận văn tại: Thư viện trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp, Trung tâm học liệu trường Đại học Thái Nguyên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


iii

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Văn Thắng
Học viên: Lớp cao học K16- KTĐT, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Ngun.
Nơi cơng tác: Viettel Thái Ngun – Tập đồn Viễn thông Quân đội.
Tên đề tài luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng
trong mạng thông tin di động 4G”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử.
Mã số: 60.52.02.03
Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa chọn thực
hiện đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng
thông tin di động 4G”.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn

Hữu Cơng và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành.
Em xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân em.Các số liệu,
kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một
cơng trình nào khác.
Thái Ngun, ngày 25 tháng 03 năm 2016
Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Thắng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


iv

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về
kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường.
Sự quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa Điện tử Viễn thông, các thầy cô giáo
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp.
Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các
thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn
thành luận văn này.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu
Công và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Điện tử Viễn thông. Hội đồng bảo vệ đề
cương thạc sỹ khóa K16 – KTĐT đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành
luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng xong do kiến thức và kinh nghiệm cịn hạn chế nên chắc
chắn luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được
những chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hồn thiện và có
ý nghĩa hơn trong thực tiễn.

Xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Nguyễn Văn Thắng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


v

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG...................................... 3
KHÔNG DÂY............................................................................................................. 3
1.1. Lịch sử và phát triển của thơng tin di động............................................................ 3
1.1.1 Tồn cảnh hệ thống thơng tin di động.................................................................. 3
1.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động.............................................................. 5
1.1.3 Tổng kết các hệ thống thông tin di động.............................................................. 7
1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống di động 4G......................................................... 8
1.2.1 Mục tiêu và cách tiếp cận..................................................................................... 9
1.2.2 Các điểm cần xét đến......................................................................................... 10
1.2.3 Các kỹ thuật được sử dụng................................................................................ 10
1.2.4 Sự khác nhau giữa 3G và 4G............................................................................. 11
1.2.4.1 Ưu điểm nổi bật.............................................................................................. 11
1.2.4.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G..............................11
1.3 Kết luận................................................................................................................ 12
CHƢƠNG II: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH ĐA SĨNG MANG TRỰC GIAOVÀ
KÊNH VƠ TUYẾN TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐÔNG 4G............................13
2.1 Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao......................................................... 13

2.1.1 Giới thiệu chung................................................................................................ 13
2.1.1.1 Các ưu và nhược điểm.................................................................................... 14
2.1.1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam................................................ 16
2.1.1.3 Các hướng phát triển....................................................................................... 16
2.1.1.4 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM........................................... 16
2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật của OFDM.......................................................................... 17
2.1.2.1 Hệ thống đa sóng mang.................................................................................. 18
2.1.2.2Ghép kênh phân chia theo tần số FDM............................................................ 19
2.1.3 Trực giao trong OFDM...................................................................................... 19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


vi

2.1.3.1 Biểu diễn sự trực giao dưới dạng toán học...................................................... 21
2.1.3.2 Trực giao trong miền tần số............................................................................ 23
2.1.4 Biểu thức của tín hiệu OFDM............................................................................ 24
2.1.5 Thu phát tín hiệu OFDM................................................................................... 25
2.1.5.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel).......................................... 27
2.1.5.2 Điều chế sóng mang phụ................................................................................. 28
2.1.5.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian.............................................. 29
2.1.5.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation)..................................................... 30
2.1.5.5 Biểu diễn dưới dạng toán học......................................................................... 31
2.1.6 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval)................................................................... 32
2.1.6.1 Chống lỗi do dịch thời gian............................................................................ 33
2.1.6.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI)................................................................ 33
2.1.6.3 Mào đầu và phân cách sóng mang.................................................................. 36
2.1.6.4 Biểu diễn dưới dạng tốn học......................................................................... 36
2.1.7 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM......................................................... 40

2.1.7.1 Lọc thông dải.................................................................................................. 41
2.1.7.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng.................................................................. 43
2.2 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM...................................................................... 43
2.2.1 Điều chế BPSK.................................................................................................. 44
2.2.2 Điều chế QPSK.................................................................................................. 45
2.2.3 Điều chế QAM.................................................................................................. 47
2.2.4 Mã Gray............................................................................................................. 48
2.3 Các đặc tính của OFDM....................................................................................... 50
2.3.1 Ưu điểm............................................................................................................. 50
2.3.2 Nhược điểm....................................................................................................... 51
2.4 Kênh vô tuyến trong mạng thông tin di động 4G.................................................. 51
2.4.1 Suy hao đường truyền và sự suy giảm tín hiệu (Path loss and Attenuation)......51
2.4.2 Định nghĩa fading.............................................................................................. 52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


vii

2.4.3 Hiện tượng Multipath........................................................................................ 54
2.4.4 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền phẳng do trải trễ đa đường gây ra. .. 58

2.4.5 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm (fast fading & slow
...................................................................62
fading channel) do sự trải Dopler gây ra.
2.4.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean.................................................... 64
CHƢƠNG III: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 4G.................................................................................................................. 67
3.1 Đánh giá chung về hiệu suất................................................................................. 67
3.1.1 Quan điểm người dùng cuối về hiệu suất........................................................... 68

3.1.2 Khía cạnh nhà khai thác..................................................................................... 70
3.2. Hiệu suất trên cơ sở tốc độ dữ liệu đỉnh và độ trễ................................................ 70
3.3 Đánh giá hiệu suất của 4G.................................................................................... 72
3.3.1 Các mơ hình và các giả thiết.............................................................................. 72
3.3.2 Tiêu chí đánh giá................................................................................................ 76
3.3.3 Một số kết quả mô phỏng đánh giá hiệu suất 4G............................................... 77
3.4 Kết luận................................................................................................................ 80
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................. 81
A.Kết luận.................................................................................................................. 81
B.Hướng phát triển..................................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 82

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thơng tin di động........................................ 6
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang................................................................. 19
Hình 2.2: Ghép kênh phân chia theo tần số................................................................ 19
Hình 2.3: Tích phân các sóng sin có cùng tần số........................................................ 21
Hình 2.4: Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM..............................22
Hình 2.5: Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con.......................................... 24
Hình 2.6 : Sơ đồ khối thu phát OFDM....................................................................... 26
Hình 2.7: Cho ta thấy quan hệ giữa tốc độ symbol và tốc độ bít phụ thuộc vào số bít
trong một symbol........................................................................................................ 27
Hình 2.8: Tạo tín hiệu OFDM giai đoạn IFFT............................................................ 29
Hình 2.9: Điều chế tần số vơ tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở................................. 30
sử dụng kỹ thuật tương tự........................................................................................... 30

Hình 2.10: Điều chế tần số vơ tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật số
(DDS – Tổng hợp số trực tiếp)................................................................................... 30
Hình 2.11: Bộ điều chế OFDM................................................................................... 31
Hình 2.12: Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ.......................................................... 34
Hình 2.13 : Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu.............................................. 37
Hình 2.14 : Mơ phỏng q trình chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu..............37
Hình 2.15: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI.................................... 38
Hình 2.16: Dạng sóng trong miền thời gian................................................................ 40
Hình 2.18: Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con.................................... 41
Hình 2.19: Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM khơng qua lọc................................... 42
Hình 2.20: Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR...........................42
Hình 2.21: Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng...........................43
Hình 2.22: Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK........................................................... 45
Hình 2.23: Biểu đồ tín hiệu QPSK............................................................................. 47
Hình 2.24: Chùm tín hiệu 16-QAM............................................................................ 48
Hình 2.25: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM.........................50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


ix

Hình 2.26: Hiệu ứng pha đinh.................................................................................... 52
Hình 2.27: (a) flat fading, (b) fading chọn lọc tần số, (c) với truyền dẫn OFDM thì dữ
liệu được truyền trong nhiều sóng mang con, nên tại tần số bị fading thì chỉ một tập
hợp dữ liệu nhỏ dữ liệu phát bị mất............................................................................ 53
Hình 2.28: Hiện tượng phản xạ................................................................................... 55
Hình 2.29: Hiện tượng tán xạ..................................................................................... 55
Hình 2.30: Hiện tượng nhiễu xạ................................................................................. 55
Hình 2.31: Các hiện tượng xảy ra trong kênh truyền vơ tuyến...................................56
Hình 2.32: Tín hiệu gốc và 2 thành phần Multipath................................................... 57

Hình 2.33: Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian............................57
Hình 2.34a: Đáp ứng tần số của kênh truyền chọn lọc tần số..................................... 58
Hình 2.34b: Đáp ứng tần số của kênh truyền phẳng................................................... 59
Hình 2.35: Tín hiệu tới phía thu theo L đường........................................................... 59
Hình 2.36: Kênh truyền thay đổi theo thời gian.......................................................... 62
Hình 2.37: Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean................................................. 65
Hình 3.1: Xác định tốc độ dữ liệu cho hiệu suất......................................................... 69
Hình 3.2: Hiệu quả phổ tế bảo FDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R(đường xuống và
đường lên).

....................................................................77
Hình 3.3: Phân bố thơng lượng người dùng chuẩn hóa FDD(đường xuống và đường
lên)............................................................................................................................. 78
Hình 3.4: Phân bố SINR FDD (đường xuống và đường lên)...................................... 78
Hình 3.5a: Hiệu quả phổ tế bào TDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với
yêu cầu ITU-R (đường xuống và đường lên).............................................................. 79
Hình 3.5b: Hiệu quả phổ tế bào TDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với
yêu cầu ITU-R (đường xuống và đường lên).............................................................. 79
Hình 3.6: Phân bố thơng lượng người dùng chuẩn hóa TDD (đường xuống và đường
lên)............................................................................................................................. 80

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


x

KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VIẾT TẮT
TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu
1G

On

2G

Se

3G

Th

4G

Fo

3GPP

Th

AAA

Ad

Au

AAA

Ac

AR

Ac

ARQ

Au

ATM

As

BS

Ba

BTS

Ba

BSC

Ba

BSS

Ba

CDMA

Co

CRC

Cy

CN

Co

CN

Co

CoA

Ca

CNR

Ca

CRC

Cy

CTP

Co

DS

Di

DS-CDMA

Di

DSP

Di

E2R

En

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




EIRP

Eff

EV-DO

Ev

FDD

Fre

FEC

Fo

FDMA

Fre

FH - OFDM

Fre
Fre

FM IPv6

Fa

FHM IPv6

Fa

GPS

Gl

GPRS

Ge

HA

Ho

HARQ

Hy

HLR

Ho

HMIPv6

Hi

Ve

HoA

Ho

HSDPA

Hi

HMI

Hu

IMT - 2000

Int
Te

IP

Int

IPv6

Int

ITU

Int

MAC

Me

MAP

Mo

MIH

Me

MN

Mo

MNN

Mo

MNP

Mo

MR

Mo

Số hóa b


MS

Mo

MSC

Mo

MIMO

Mu

MC CDMA

Mu

NEMO

Ne

NGN

Ne

OSI

Op

OFDM
OFCDM

Or

Mu

Or

Mu

PAN

Pe

PAPR

Pe

PHS

Pe

PKI

Pu

QoS

Qu

RANAP

Ra

RNC

Ra

RNS

Ra

RO

Ro

RR

Re

SDR

So

SINR

Sig

Ra

SMS - SC

SM

SVD based
MIMO

Sin
Mu

TCP

Tra

TPC

Tra


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

LỜI NĨI ĐẦU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật vơ tuyến đã có các bước phát triển vượt
bậc.Sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ video, thoại, các loại hình truyền số
liệu, thiết bị di động ngày càng phát triển về nhu cầu truyền thông đa phương tiện
ngày một cao hơn.Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để
đưa ra các giải pháp kế tiếp đáp ứng yêu cầu của hệ thống truyền thông đa phương
tiện khơng dây.
Trong bối cảnh đó, việc phát triển các hệ thống với nhiều dịch vụ tích hợp,
băng thơng lớn hơn, tiết kiệm phổ tần và có hiệu năng hệ thống cao là bài tốn
đang được đặt ra và khơng ngừng có những kết quả nghiên cứu cho những câu trả
lời xác đáng hơn. Với sự phát triển của công nghệ điện thoại di động, chúng ta đã
đi từ thế hệ di động thứ nhất đến nay, thế hệ di động thứ 3, thứ 4 đã phổ biến tại
nhiều quốc gia trên thế giới với sự bùng nổ của Viễn thơng và Cơng nghệ thơng
tin. Với những hệ thống có khả năng tích hợp cao như vậy, cơng nghệ truyền dẫn
đơn sóng mang đang trở nên lỗi thời và khơng đáp ứng được yêu cầu ngày càng
cao về tốc độ cũng như chất lượng dịch vụ.

Để đáp ứng được yếu tố này, cần thiết phải phát triển những hệ thống băng
rộng, khả năng thích nghi cao với những điều kiện đường truyền đa dạng, đồng
thời xác định phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vơ
tuyến. Do đó một giải pháp hiệu quả đã được đưa ra đó là việc sử dụng kỹ thuật
trải phổ và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao gọi tắt là OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing - Điều chế đa sóng mang trực giao hay ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao) vào thơng tin vơ tuyến, góp phần tạo nên hệ
thống thơng tin vơ tuyến hồn thiện hơn. OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục
được nhược điểm về việc hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống thông tin
di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để
truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh được tối ưu hóa.
Kỹ thuật OFDM được đưa vào sử dụng trong thực tế đã và đang đóng góp rất
lớn vào sự phát triển bùng nổ của Công nghệ thông tin và Viễn thông tại Việt
Nam.Đầu tiên có thể kể đến sự phát triển mạnh mẽ của ADSL từ đó đưa ra dịch vụ


2

internet tốc độ cao và giá cả hợp lý. Đặc biệt việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào
các hệ thống mạng không dây như WLAN, WIMAX, hệ thống thôn tin di động 4G
làm thay đổi cuộc sống của chúng ta về việc trao đổi thông tin… như vậy kỹ thuật
OFDM là một sự lựa chọn đầy thuyết phục với nhiều khả năng tiềm tàng đã và
đang được nghiên cứu sử dụng cho tầng vật lý mạng thông tin di động 4G.
Với những lý do nêu trên, trong giới hạn của luận văn này tơi xin trình bày đề
tài về: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng thông tin di
động 4G” đã và đang được triển khai trên thế giới và cả ở Việt Nam.
Về nội dung luận văn của em xin được chia làm 3 chương:
Chương I: Tổng quan về hệ thống di động không dây.
Chương II: Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao và kênh vô tuyến
trong mạng thông tin di động 4G.

Chương III: Đánh giá hiệu quả của hệ thống thông tin di động 4G.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS
Nguyễn Hữu Cơng cùng tồn thể các Thầy, Cơ trong bộ mơn. Kính chúc các Thầy,
Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc!
Tác giả

Nguyễn Văn Thắng


3

CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG
KHÔNG DÂY
1.1.Lịch sử và phát triển của thông tin di động
1.1.1 Tồn cảnh hệ thống thơng tin di động
Thơng tin di động ln khơng ngừng phát triển và ngày càng địi những công
nghệ cao kỹ thuật tiên tiến. Ý nghĩa về một sự liên lạc thức thời mà không nghĩ đến
khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu nhất của nhân loại và giấc mơ đó đã và
đang trở thành hiện thực.Việc sử dụng sóng vơ tuyến để truyền thơng tin được phát
minh vào cuối thế kỷ 19. Kể từ đó đến nay nó trở thành một cơng nghệ được ứng dụng
rộng rãi nhất và không thể thiếu trong đời sống nhu cầu hàng ngày của con người.

Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải quả nhiều giai đoạn phát
triển khác nhau. Từ thế hệ thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất (1G) đến hệ
thống di động thông tin số thế hệ thứ hai (2G) , hệ thống thông tin di động băng
rộng thế hệ thứ ba (3G) đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống di
động siêu băng rộng thế hệ thứ tư (4G) đã và đang được triển khai tại một số nước
trên thế giới. Thông tin mà hệ thống thông tin di động thứ nhất, thứ hai truyền đi
chủ yếu là thoại, cịn thơng tin được truyền đi trong hệ thống thông tin di động thứ
ba, thứ tư là ngoài các dịch vụ của thế hệ thứ nhất và hai truyền thêm dữ liệu dịch

vụ và đa phương tiện.
Các hệ thống thông tin di động tế bào số hiện nay đang ở giai đoạn thế hệ thứ
hai cộng (2,5G & 2,75G), thế hệ thứ ba và thế hệ thứ ba cộng (3,5G), tiếp đến là thế hệ
thứ tư (4G – LTE). Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ và tiện ích của
thơng tin di động mang lại ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20 người ta đã tiến
hành nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba. Liên hiệp Viễn thông Quốc
tế bộ phận Vô tuyến (ITU-R) đã thực hiện tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thơng tin di
động tồn cầu IMT-2000. Ở Châu Âu, Viện tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã
thực hiện tiêu chuẩn hóa phiên bản của hệ thống này với tên gọi tắt là UMTS
(Universal Mobile Telecommunication System: Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu).
Hệ thống di động này mới làm việc ở dải tần 2GHz và cung cấp nhiều loại


4

dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại, truyền số liệu tốc độ thấp. Tốc độ cực đại của người
sử dụng có thể lên tới 2Mbps. Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ơ pico trong nhà, cịn các
dịch vụ tốc độ 14,4Kbps sẽ đảm bảo cho thông tin di động thông thường
ở các ô macro. Người ta cũng đang và đã nghiên cứu và phát triển hệ thống thơng

tin di động thứ tư có tốc độc cho người dùng khoảng 2Gbps. Ở hệ thống di động
băng rộng (MBS) thì các sóng mang được sử dụng ở các bước sóng mm, độ rộng
băng tần là 64MHz và tốc độ truyền dẫn của người sử dụng khoảng 100Mbps.
Hiện nay, tại hầu hết các quốc gia trên thế giới đã triển khai hệ thống thông tin
di động 3G. Tuy nhiên, theo số liệu thống kê của Hiệp hội GSA, tính đến 21/7/2015,
LTE đã được 638 nhà mạng cam kết triển khai tại 176 quốc gia. Ngồi ra cịn có 39 nhà
mạng đang triển khai các công việc tiền cam kết, thử nghiệm tại 5 quốc gia khác.Tính
tổng lại thì LTE đã được 677 nhà mạng quan tâm, đầu tư tại 181 quốc gia. Về số mạng
thương mại, từ chỉ có 2 mạng thương mại tại Thụy Điển và Na Uy vào năm 2009 đến
nay LTE đã có 422 mạng thương mại tại 143 quốc gia. Con số này được dự báo sẽ tăng

lên thành ít nhất là 460 mạng vào cuối năm nay và 600 mạng vào năm 2019. Bắc Mỹ
(Mỹ và Canada) tiếp tục dẫn đầu thế giới về ứng dụng LTE với 68 mạng thương mại và
198 triệu thuê bao, chiếm 47,5% thuê bao di động của khu vực này và chiếm 26% trong
tổng số 755 triệu thuê bao LTE tồn cầu. Trong khi đó, với lợi thế về dân số đông, khu
vực Đông Á, Đông Nam Á và châu Đại Dương chiếm tới 51% thuê bao LTE toàn cầu
với 385 triệu. Phần lớn thuê bao đến từ các thị trường di động phát triển như Hàn Quốc,
Nhật Bản và cả thị trường đang phát triển.
Tại Việt Nam với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc nói chung và
những năm gần đây thơng tin di động ra đời và phát triển như một xu thế tất yếu khách
quan nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao trong thời kỳ đổi mới của
đất nước. Vào thời kỳ ban đầu, xuất hiện một số nhà mạng như mạng nhắn tin ABC,
mạng nhắn tin tồn quốc … chỉ mang tính chất thử nghiệm cho cơng nghệ thơng tin di
động ở Việt Nam. Sau đó, tại thời điểm tháng 03/1993 mạng điện thoại di động
MobileFone sử dụng kỹ thuật số GMS đã được triển khai và chính thức đưa vào hoạt
động ở Việt Nam với thiết bị của hãng ALCATEL.Tháng 06/1996, mang Vinaphone ra
đời và cùng tồn tại song song với VMS.Năm 2003, mạng S-Phone sử


5

dụng công nghệ CDMA của Saigon Postel đưa vào khai thác.Đến năm 2004, mạng
GMS của Viettel cũng chính thức đưa vào hoạt động.Và đến năm 2007 EVN
Telecom, Hà Nội Telecom cũng đưa vào khai thác mạng di động thế hệ thứ ba.Dự
kiến đến quý IV/2015 các nhà mạng Viettel, Vinaphone và Mobilephone cũng đồng
loạt triển khai mạng di động thế hệ thứ 4 trên các thành phố lớn của cả nước.
1.1.2 Lộ trình phát triển của thơng tin di động
Thời kỳ đầu, khi mới triển khai hệ thống thông tin di động thứ nhất mới chỉ
cung cấp cho người dùng sử dụng dịch vụ thoại nhưng do nhu cầu về truyền số liệu
tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho
mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác hạ tầng mạng viễn

thông hiện có. Từ đó các nhà khai thác, cung cấp dịch vụ đã nghiên cứu và triển
khai các hệ thống di động thứ hai, hai cộng (2G, 2,75G) để cung cấp dịch vụ truyền
số liệu cao hơn. Cùng với internet đang trở thành một trong những hoạt động kinh
doanh ngày càng quan trọng, một trong những hoạt động này là xây dựng các công
sở vô tuyến để kết nối người dùng với cơ quan hay gia đình của họ.Ngồi ra, tiềm
năng to lớn đối với công nghệ mới là cung cấp trực tiếp các thông tin khác cho các
thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi mới cho các nhà khai thác viễn thơng. Do
đó, để đáp ứng được các dịch vụ truyền thống và các dịch vụ mới như hình ảnh,
video, truyền thơng máy tính đồng thời đảm bảo tính kinh tế hiệu quả thì hệ thống
thơng tin di động thứ hai (GSM, PDC, IS-136, và CDMAONE) đã chuyển sang hệ
thống thông tin di động thứ ba. Khi mà nhu cầu về truyền số liệu đa phương tiện
tăng cao nhanh chóng, mà tốc độ hiện tại của hệ thống di động thứ ba khơng đáp
ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu, phát triển và chuẩn
hóa hệ thống thơng tin di động thứ tư.
Lộ trình phát triển của thơng tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ tư
được thể hiện qua hình 1.1 sau đây.


6

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thơng tin di động
Trong đó:
-

TACS (Total Access Comimunication System): Hệ thống thông tin truy
nhập tổng thể.

-

NMT900 (Noric Mobile Phone 900): Hệ thống di động Bắc Âu băng tần

900MHz.

-

AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động.

-

SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng.

-

GSM(900) (Global System for Mobile): Hệ thống thơng tin di động tồn
cầu băng tần 900MHz.

-

GSM(1800): Hệ thống GSM băng tần 1800MHz.

-

GSM(1900): Hệ thống GSM băng tần 1900MHz.

-

IS -136 (Interim Standard – 136): Tiêu chuẩn di động TDMA cải tiến do
AT&T sản xuất.

-

IS – 95 (CDMA) (Interim Standard – 95 CDMA): Tiêu chuẩn thông tin di
động CDMA cải tiến của Mỹ (do Qualcom đề xuất).

-

GPRS (Genneral Paket Radio System): Hệ thống vơ tuyến gói chung.


7
-

EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu
tăng cường để phát triển GSM.

-

Cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1.

-

WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng.

-

Cdma200 Mx: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 2.

-

HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống di động truy nhập gói tốc
độ cao. Hệ thống HSPA được chia thành 3 cộng nghệ sau:

+) HSDPA (High Speed Dowlink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói
đường xuống tốc độ cao.
+) HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói
đường lên tốc độ cao.
+) HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy nhập gói
OFDM tốc độ cao.

-

Pre – 4G: Các hệ thống tiền 4G, gồm có Wimax và Wibro (Mobile
Wimax).

-

Wimax: Worldwide Interoperability for Microwave Access.

-

Wibromax (Wireless Broadband System): Hệ thống băng rộng không dây.

1.1.3 Tổng kết các hệ thống thông tin di động
Bảng 1.1 Trình bày một số nét chính của các công nghệ thông tin di động
từ 1G đến 4G.
Bảng 1.1 Tổng kết các hệ thống thông tin di động
Thế hệ thông tin di
động
Thế hệ thứ nhất 1G

Thế hệ thứ hai 2G

Thế hệ thứ 2 +
(2,5G; 2,75G)



8

Thế hệ 3 (3G)

Thế hệ 3+ (3,5G)

Thế hệ 4 (4G)

1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống di động 4G
4G là hệ thống thông tin di động băng rộng được xem như lIMT tiên tiến (IMT
Advanced) định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu được đề ra là 100Mbps cho thuê bao
di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đếm


40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại trên nền
IP, truy cập internet băng rộng, dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…


9

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ
các tính năng theo yêu cẩu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên đến
100Mbps ở đường xuống và 50 Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz, và sẽ
hơn thế nữa nếu MIMO, anten mảng được sử dụng. LTE được phát triển đầu tiên ở hai
thủ đô là Stockholm và Oslo vào ngày 14/02/2009.Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên

được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access) và bây giờ có tên là EUTRA (Evoled UMTS Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy hầu hết các hãng
viễn thông hàng đầu trên thế giới: Alcatel – Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia
Siemens Network, Huawei, LG Electronics, Sam Sung … đã bắt tay với các nhà mạng
lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom – Orange, NTT DoCoMo, T
– Mobile, China Mobile, ZTE ..) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công
nghệ LTE và đã đạt được những thành công đáng kể.

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT Avanced, mục tiêu của nó là
hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương thích
với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.
Di động WiMax (IEEE 802.16E-2005) là chuẩn truy cập di động không dây
băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ đỉnh đường xuống là 128Mbps,
và 56Mbps cho đường lên với độ băng thông rộng lớn hơn 20MHz.
UMB (Utra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật
Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel – Lucent,
Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA. UMB có thể
hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần
số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho luồng xuống và 75Mbps cho đường
lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz. Qualcom là hãng đi đầu trong nỗ lực việc
phát triển UMB, mặc dù hãng này đồng thời cũng phát triển cả cộng nghệ LTE.

1.2.1 Mục tiêu và cách tiếp cận
4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại,
không chỉ truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện, chat Video, TV di
động mà cịn có các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các
dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục
bộ và kết nối với các hệ thống quảng bá Video số.
 Các mục tiêu mà 4G hướng đến:
 Băng thông linh hoạt giữa từ 5MHz đên 20MHz, có thể lên đến 40MHz.

10


Tốc độ được quy định bởi ITU là 100Mbps khi di chuyển tốc độ cao và
1Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm.



Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100Mbps giữa bất kỳ 2 điểm nào trên thế giới.



Hiệu suất phổ đường truyền là 15 bít/s/Hz ở đường xuống và 6.5 bit/s/Hz ở
đường lên ( có nghĩa là 1000Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng
thơng 67 MHz).



Hiệu suất sử dụng hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25
bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.




Chuyển giao liền (Smonth handoff) qua các mạng hỗn hợp.



Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian

thực, dữ liệu tốc độ cao, video HDTV, TV di động …




Kết nối và chuyển giao tồn cầu qua đa mạng.

Tương thích với các chuẩn khơng dây đang tồn tại.

Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói, khơng cịn chuyển mạch kênh nữa.

1.2.2 Các điểm cần xét đến
Vùng bao phủ, môi trường vô tuyến, phổ, dịch vụ, mơ hình thương mại và
số người sử dụng.
1.2.3 Các kỹ thuật đƣợc sử dụng
 Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý
 Không sử dụng CDMA.
 MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng sử dụng phân tập theo

không gian, đa anten đa người dùng.

 Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc

SC-FDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường
xuống: để tận dụng thuộc tính chọn lọc ở tần số của kênh mà khơng
phải lượng tử hóa phức tạp.
 Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-

FDMA ở đường xuống: tốc độ bít thay đổi bằng việc gán cho người
dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh.

 Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỉ số SNR ở bên thu.
 Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian.
 Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và sửa mã lỗi.