Hệ thống viễn thông
MỞ ĐẦU
Công nghệ viễn thông đã c ó n h ữ n g p h á t t r i ể n v ư ợ t b ậ c trong
những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ
ba
3G
chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta
đã
bắt
đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation).
Từ thế hệ mạng di động đầu tiên 1G ,trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã
chứng kiến sự thành công to lớn
của
mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G.
Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng
2G
dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên
nền CDMA.
Sau đó mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và
đang
được triển khai
nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so
với
mạng 2G là khả
năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai
các
dịch vụ truyền
thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng
kỹ
thuật WCDMA,
mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng

TD-SCDMA
được phát triển
bởi Trung Quốc.
Trong giai đoạn hiện tại, khái niệm về mạng di đông thứ tư 4G đã tồn tại và hình
thành các chuẩn kĩ thuật với mục đích người sử dụng có thể truy cập tất cả các dịch
vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất
lƣ ợng
cao HDTV, điện
thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc
độ “siêu tốc”. Mạng 4G được triển dựa trên cơ sở hạ tầng của mạng di động 3G , giai
đoạn đầu của quá trình được gọi thế hệ “mạng di động tiền 4G LTE” . Đây là một
công nghệ mới đang được triển khai thí điểm ở một số quốc gia trên thế giới, tại Việt
Nam cũng đang được thử nghiệm bởi Viettel…
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G
Mạng di động 4G LTE Page 1
Hệ thống viễn thông
Hệ thống thông tin di động 3G là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 , là thế
hệ phát triển sau hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) và hệ thống thông tin
di động thế hệ thứ hai (2G).
Chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ thống
3G được đưa ra bởi ITU năm 1992 với các
ưu
điểm :
• Cung cấp dịch vụ thoại chất
lượng
cao.
• Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ).
• Các dịch vụ đa
phương
tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc, ).

• Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ).
• Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự
tương
thích toàn cầu giữa
các hệ thống.
IMT-2000 có khả năng cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ
ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử
dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng
thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps.
1.1 UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-CDMA, là
giải pháp được
ưa
chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn
chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi
3GPP tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS. UMTS hoạt động ở
băng thông 5MHz , cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa
các hệ thống UMTS và GSM đã có. Đặc điểm của WCDMA :
• WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho
phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps
trong hệ thống tĩnh.
• Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng,
không giống
như
mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những
ưu
điểm
như
triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm
được

tập trung hóa.
Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và cho phép
mạng
lưới
có thể
được
phân chia linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ
công nghệ truyền dữ liệu nào cũng có thể
được
sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ
được
chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP.
• Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào
Mạng di động 4G LTE Page 2
Hệ thống viễn thông
UMTS tần số cấp phát trong 2 băng
đường
lên (1885 MHz– 2025 MHz) và
đường xuống (2110 MHz – 2200 MHz).
Sự phát triển của WCDMA lên 3.5G là HsxPA
1 . 2 CDMA 2000
Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với
các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2. CDMA2000 được
quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS.
CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps.
1.3 TD-SCDMA
Chuẩn
được
ít biết đến hơn là TD-SCDMA đang
được

phát triển tại Trung Quốc
bởi các công ty Datang và Siemens. Hiện tại có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G nên sẽ
có nhiều chuẩn công nghệ 3G đi theo, tuy nhiên trên thực tế chỉ có 2 tiêu chuẩn quan
trọng nhất đã có sản phẩm
thƣơng
mại và có khả năng
đƣợc
triển khai rộng rãi trên
toàn thế giới là WCDMA (FDD) và CDMA 2000. WCDMA được phát triển trên cơ
sở
tương
thích với giao thức của mạng lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm tới
65% thị
trường
thế giới. Còn CDMA 2000 nhằm tuơng thích với mạng lõi IS-41, hiện
chiếm 15% thị trường.
CHƯƠNG II : CẤU TRÚC MẠNG LTE
2.1 Công nghệ
LTE
Hệ thống LTE phát triển trên nền tảng GSM/UTMS , là một trong
những
công
Mạng di động 4G LTE Page 3
Hệ thống viễn thông
nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G (hệ thống tiền 4G). Kiến trúc mạng
mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu
lượng
chuyển mạch gói với dịch vụ
chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng
băng

thông linh hoạt nhờ vào mô
hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA. Thêm vào
đó,
FDD (Frequency Division
Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing),
bán
song công FDD cho phép
các UE có giá thành thấp. Không giống như FDD,
bán
song công FDD không yêu
cầu phát và thu tại cùng thời điểm. Điều này làm
giảm
giá thành cho bộ song công
trong UE. Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập
phân
chia theo tần số đơn sóng
mang (Single Carrier Frequency Division multiple
Access
SC-FDMA) cho phép
tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên
công
suất trung bình thấp
(Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA.
Khi
cải thiện tốc độ dữ liệu
đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ
số

phổ cell so với hệ thống HSPA
Release

6.
Đặc tính cơ bản của hệ thống LTE :
-Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6
GHz.
-Tốc
độ:
• DL : 100Mbps( ở BW
20MHz)
• UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten
phát.
-Độ trễ : nhỏ hơn
5ms
-Độ rộng BW linh hoạt : 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz;
20
MHz. Hỗ
trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau
hoặc không.
-Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động
tốt
với tốc
độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng
tần.
-Phổ tần
số:
• Hoạt động ở chế độ FDD hoặc
TDD
• Độ phủ sóng từ 5-100
km
• Dung lượng 200 user/cell ở băng tần
5Mhz.

-Chất lượng dịch vụ
:
Mạng di động 4G LTE Page 4
Hệ thống viễn thông
• Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ
QoS.
• VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua
mạng UTMS
Thông số vật lí :
Kỹ thuật truy
cập UL
DTFS-OFDM
(SC-FDMA)
DL
OFDMA
Băng
thông
1.4MHz, 3MHz , 5MHz, 10MHz, 1 MHz,
20MHz
TTI tối
thiểu 1ms
Chiều dài
CP Ngắn 4.7µs
Dài
16.7
µs
Điều
chế
QPSK, 16QAM,
64QAM

Ghép kênh không
gian
1 lớp cho
UL/UE
Lên đến 4 lớp cho
DL/UE
Sử dụng MU-MIMO cho UL và
DL
2.2 Cấu trúc của LTE.
Sự khác nhau giữa SAE và LTE
Mạng di động 4G LTE Page 5
Hệ thống viễn thông
Trước tiên ta xem sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE.
Song
song
với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc
tầng
SAE.
Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu
quả
chi phí
và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền
IP.
Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập
vô
tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó
là
tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những
kênh
gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng

hệ
thống trở nên cao hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói
cho
tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và
giữa
những dịch vụ cố định và không
dây.
Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng,
mạng
có
Mạng di động 4G LTE Page 6
Hệ thống viễn thông
thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Những
chức
năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập. Còn những
chức
năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi.
Với
LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là
EPC.
Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node. Vì vậy, người phát triển
đã
chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng
truy
nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node
B).
Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô
tuyến
LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô
tuyến.

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và
X2.
Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia
làm
hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME là giao
diện
giữa eNodeB và MME. X2 là giao diện giữa các eNodeB với
nhau.
Mạng di động 4G LTE Page 7
Hệ thống viễn thông
Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ
thống
3G, và
nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói. Vì vậy, nó có một cái tên
mới :
Evolved
Packet Core
(EPC).
Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm.
EPC
chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng
điều
khiển. Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với
Gateway
chung kết nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác. EPC gồm có một
vài
thực thể chức
năng.
- MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những
chức

năng mặt
bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản
lý phiên.
Mạng di động 4G LTE Page 8
Hệ thống viễn thông
- Gateway dịch vụ (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ
liệu
gói với E-
UTRAN. Nó còn hoạt động như một node định tuyến
đến
những kỹ thuật 3GPP
khác.
- P-Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những
phiên
hướng về
mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến
mạng Internet.
- PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra
bảng
giá và cấu
hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP
Multimedia
Subsystem) cho mỗi
người
dùng.
- HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao
cho
tất cả dữ
liệu của người dùng. Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm
trong

trung tâm của nhà
khai
thác.
Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub-system) dựa trên
các
nhà khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác. IMS
là
một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối các
dịch
vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng
truy
nhập nào. IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS,
CDMA2000,
truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình,
cũng
như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS tạo điều kiện cho các
hệ
thống mạng khác nhau có thể tương thích với nhau. IMS hứa hẹn mang lại nhiều
lợi
ích cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Nó đã và đang được tập
trung
nghiên cứu cũng như thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghiệp. Tuy
nhiên
IMS cũng gặp phải những khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín
để
thuyết phục các nhà cung cấp mạng đầu từ triển khai nó. Kiến trúc IMS được cho
là
khá phức tạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác
nhau.
Mạng di động 4G LTE Page 9

Hệ thống viễn thông
Cấu trúc LTE liên kết với mạng khác:
Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập
3GPP
Mạng di động 4G LTE Page 10
Hệ thống viễn thông
Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và không phải
3GPP
Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và liên mạng với CDMA
2000
Mạng di động 4G LTE Page 11
Hệ thống viễn thông
2.3 Các kênh sử dụng trong
E-UTRAN
Kênh vật lý : các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm:
-PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) : phụ tải có ích
(payload)
-PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) : PUSCH được dùng để mang
dữ
liệu
người dùng. Các tài nguyên cho PUSCH được chỉ định trên
một
subframe cơ
bản bởi việc lập biểu đường lên. Các sóng mang được chỉ
định
là 12 khối tài
nguyên (RB) và có thể nhảy từ subframe này đến
subframe
khác. PUSCH có thể
dùng các kiểu điều chế QPSK, 16QAM,

64QAM.
-PUCCH(Physical Uplink Control Channel): có chức năng lập
biểu,
ACK/NAK.
-PDCCH(Physical Downlink Control Channel): lập biểu,
ACK/NAK.
-PBCH(Physical Broadcast Channel): mang các thông tin đặc trưng của
cell.
Kênh logic : được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:
-Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Được sử dụng để truyền thông tin
điều
khiển
hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell. Trước khi
truy
nhập hệ
thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để
biết
được hệ thống
được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông
hệ thống.
-Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối
di
động
vì mạng không thể biết được vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế
cần
phát các bản tin
tìm gọi trong nhiều ô (vùng định
vị).
-Kênh điều khiển riêng (DCCH) : được sử dụng để truyền thông tin
điều

khiển
tới/từ một đầu cuối di động. Kênh này được sử dụng cho cấu
hình
riêng của các
đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác
nhau.
-Kênh điều khiển đa phương (MCCH) : được sử dụng để truyền thông tin
cần
thiết
Mạng di động 4G LTE Page 12
Hệ thống viễn thông
để thu kênh
MTCH.
-Kênh lưu lượng riêng (DTCH) : được sử dụng để truyền số liệu của người
sử
dụng
đến/từ một đầu cuối di động. Đây là kiểu logic được sử dụng để
truyền
tất cả số liệu
đường lên của người dùng và số liệu đường xuống của
người
dùng không phải
MBMS.
-Kênh lưu lượng đa phương (MTCH) : Được sử dụng để phát các dịch
vụ
MBMS.
Kênh truyền tải : bao gồm các kênh sau:
-Kênh quảng bá (BCH) : có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung
cấp.
- Nó được sử dụng để phát thông tin trên kênh

logic.
-Kênh tìm gọi (PCH) : được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên
kênh
PCCH,
PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết
kiệm
công suất ắc
quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm
quy
định
trước
-
Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) : là kênh truyền tải để phát số
liệu
đường
xuống trong LTE. Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích
ứng
tốc độ động và
lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần
số.
Nó cũng hổ trợ DRX để
giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà
vẫn
đảm bảo cảm giác luôn kết nối
giống như cơ chế CPC trong HSPA.
DL-DCH
TTI là
1ms.
-Kênh đa phương (MCH) : được sử dụng để hỗ trợ MBMS. Nó được
đặc

trưng
bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh. Trong
trường
hợp phát đa ô
sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng
truyền
tải được điều phối
giữa các ô tham gia phát
MBSFN.
2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols)
Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng như
chức
năng của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề. Vì vậy, các giao thức liên quan của
lớp
Mạng di động 4G LTE Page 13
Hệ thống viễn thông
vô tuyến được chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNC bây giờ
chuyển
thành giữa UE và
eNodeB
Giao thức của
UTRAN
Giao thức của
E-UTRAN
Mạng di động 4G LTE Page 14
Hệ thống viễn thông
Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC,
PDCP
Chức năng của MAC(Medium Access Control) bao gồm
:

-Lập
biểu
-Điều khiển ưu tiên (Priority
handling)
-Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC
Chức năng của PDCP bao
gồm:
-Mã hóa
(ciphering)
-Chèn tiêu
đề
Mạng di động 4G LTE Page 15
Hệ thống viễn thông
CHƯƠNG III : TRUY CẬP VÔ TUYẾN VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG
TRONG LTE
3.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến
Giao diện không gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần
số ( FDD) và song công phân chia theo thời gian ( TDD), mỗi chế độ có một cấu
trúc khung riêng. Chế độ bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đƣờng
lên và đƣờng xuống vì đƣờng lên và đƣờng xuống không bao giờ sử dụng đồng
thời. Kỹ thuật này đƣợc sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phép tiết kiệm
chi phí trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu.
Giao diện không gian LTE cũng hỗ trợ phát đa
phƣơng
tiện và các dịch vụ phát
quảng bá đa điểm (MBMS). Một công nghệ
tƣ ơng
đối mới cho nội dung phát sóng
nhƣ truyền hình kỹ thuật số tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm- đa điểm.
Các thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiên

đƣợc
xuất hiện trong UMTS phiên
bản 6. LTE xác định là một cấp cao hơn dịch vụ MBMS phát triển (eMBMS), mà nó
sẽ hoạt động qua một mạng đơn tần số phát quảng bá / đa điểm(MBSFN), bằng cách
sử dụng một dạng sóng đồng bộ thời gian chung mà có thể truyền tới đa ô trong
một khoảng thời gian nhất định. MBSFN cho phép kết hợp qua vô tuyến của truyền đa
ô tới UE, sử dụng tiền tố vòng (CP) để bảo vệ các sự sai khác do trễ khi truyền tải, để
Mạng di động 4G LTE Page 16
Hệ thống viễn thông
các UE truyền tải
nhƣ
là từ một tế bào lớn duy nhất. Công nghệ này giúp cho LTE có
hiệu suất cao cho truyền tải MBMS. Các dịch vụ eMBMS sẽ đƣợc xác định đầy đủ
trong thông số kỹ thuật của 3GPP phiên bản 9.
3.2 Các kỹ thuật sử dụng trong
LTE
LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA
cho
truy cập đường lên. Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu,
thích
ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai
ghép.
3.2.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM
Truyền đơn sóng
mang
Nguyên lý của
FDMA
Nguyên lý đa sóng
mang
Mạng di động 4G LTE Page 17

Hệ thống viễn thông
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của
phương
pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp
trong
vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ,
sub-carrier)
trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được
phép
chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu.
Sự
chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ
lớn
hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông
thường.
So sánh phổ tần của OFDM với
FDMA
Mạng di động 4G LTE Page 18
Hệ thống viễn thông
Tần số-thời gian của tín hiệu
OFDM
LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các
ưu
điểm
sau:
-OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI
(Inter-Symbol
Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ
trễ
truyền dẫn

lớn nhất của kênh
truyền.
Mạng di động 4G LTE Page 19
Hệ thống viễn thông
-Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song
nên
thời gian
symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải
trễ
do truyền dẫn đa
đường giảm
xuống.
-Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang
con.
-
OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng
(hệ
thống có
tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần
số
(frequency selectivity)
đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu
nhiều
so với hệ thống truyền dẫn đơn
sóng
mang.
-Cấu trúc máy thu đơn
giản.
-Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần
số.

-Tương thích với các bộ thu và các anten tiên
tiến.
Các sóng mang trực giao với
nhau
Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong các hệ thống thông tin di động là
cần
dịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời. Dịch tần phá
hỏng
tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập. Vì vậy nó rất
nhạy
cảm với dịch tần. Ở LTE chọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, đối
với
khoảng cách này là khoảng cách đủ lớn đối với dịch tần
Doppler.
Mạng di động 4G LTE Page 20
Hệ thống viễn thông
Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi
giữa
miền thời gian và miền tần
số.
Biến đổi
FFT
Chiều dài biến đổi FFT là 2
n
với n là số nguyên. Với LTE chiều dài có thể
là
512 hoặc 1024 Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi
điều
chế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song. Sau đó được đưa đến bộ biến
đổi

IFFT. Mỗi ngõ vào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt
(thành
phần tần số riêng biệt của tín hiệu miền thời gian) và mỗi sóng mang được điều
chế
độc lập với các sóng mang khác. Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu
được
chèn thêm tiền tố vòng (CP) và phát đi. Ở bộ thu ta làm ngược
lại.
Mạng di động 4G LTE Page 21
Hệ thống viễn thông
Thu phát
OFDM
Mục đích của việc chèn thêm tiền tố vòng là có khả năng làm giảm hay
loại
trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference). Một mẫu tín hiệu có độ
dài
là T
S
, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài T
G
ở phía sau
được
sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ
sau:
Chuỗi bảo vệ
GI
Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác
dụng
chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa
đường.

Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng
tín
hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài T
G
thì tín
hiệu
này có chiều dài là T = T
S
+T
G
. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ
tới
máy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ, hình a, tín hiệu theo
đường
thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời
gian
so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả
các
tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây
chính
là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài T
G
sẽ dễ
dàng
loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp T
G
≥τ
MAX
như hình vẽ mô tả thì phần
bị

chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có
Mạng di động 4G LTE Page 22
Hệ thống viễn thông
ích
vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến
bộ
giải điều chế OFDM. Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không
bị
ảnh hưởng bởi ISI là: T
G
≥τ
MAX
với τ
MAX
là trễ truyền dẫn tối đa của
kênh.
a ) Không có
GI
b) Có
GI
Tác dụng của chuỗi bảo
vệ
OFDM lượng tử hóa trong miền tần số dựa trên ước lượng đáp ứng tần
số
của kênh. Do đó nó hoạt động đơn giản hơn WCDMA và nó không phụ thuộc
vào
chiều dài của kênh (chiều dài của đa đường trong các chip) như khi lượng
tử
WCDMA. Trong WCDMA các cell khác nhau được phân biệt bởi các mã trải
phổ

khác nhau nhưng trong OFDM trải phổ không có giá trị, nó sử dụng các ký
hiệu
Mạng di động 4G LTE Page 23
Hệ thống viễn thông
tham khảo riêng biệt giữa các cell hoặc giữa các anten khác
nhau.
LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access)
cho tuyến lên. OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là
công
nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản
đa
người dùng của mô hình điều chế số
OFDM
Kỹ thuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng
truy
cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang
con
(subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm. Ở các thời điểm khác
nhau,
nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau. Điều này cho phép
truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng.
Sóng mang con
OFDMA
OFDM và
OFDMA
Mạng di động 4G LTE Page 24
Hệ thống viễn thông
Tài nguyên thời gian - tần số được chia nhỏ theo cấu trúc sau : 1 radio
frame

có
chiều dài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chiều dài là
1ms,
và
mỗi subframe nhỏ lại được chia thành 2 slot với chiều dài của mỗi slot là
0.5ms.
Mỗi
slot sẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường
và
6 ký
tự OFDM trong trường hợp CP mở
rộng.
Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không
dựa
vào
từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource
Block).
Mỗi
khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot
và
khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz dẫn đến kết quả băng thông
tối
thiểu của nó là 180 KHz. Đơn vị nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài
nguyên
(RE), nó bao gồm một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký
tự
OFDM. Một RB bao gồm 84 RE (tức 7 x12) trong trường hợp chiều dài CP
thông
thường và 72 RE (6x12) trong trường hợp chiều dài CP mở
rộng.

Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong
LTE
Mạng di động 4G LTE Page 25