CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ ĐA
SÓNG MANG 4G
1.1:Lịch sử phát triển của thông tin di động
Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các kỹ thuật
tiên tiến và công nghệ cao. Ý tưởng về sự liên lạc tức thời mà không quan tâm đến
khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu đời nhất của loài người và giấc mơ đó
đang ngày càng trở thành hiện thực nhờ sự trợ giúp của kỹ thuật và công nghệ. Việc
sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19. Kể
từ đó nó trở thành một công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong thông tin quân đội
và sau này là thông tin vô tuyến công cộng.
Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát
triển quan trọng. Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệ
thống thông tin di động số thế hệ thứ hai,hệ thống thông tin di động băng rộng thế
hệ thứ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động
đa phương tiện thế hệ thứ tư đang được nghiên cứu tại một số nước.Dịch vụ chủ yếu
của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai là thoại còn dịch vụ thế hệ
thứ ba và thứ tư phát triển về dịch vụ dữ liệu và đa phương tiện.
Các thế hệ thống thông tin di động tế bào số hiện nay đang ở giai đoạn thế hệ
thứ hai cộng (2.5G), thế hệ thứ ba và thế hệ thứ ba cộng(3.5G).Để đáp ứng các nhu
cầu ngày càng tăng của các dịch vụ thông tin di động nên ngay từ đầu những năm 90
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 phiên bản
của hệ thống này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System:
Hệ thống viễn thông di động toàn cầu). Hệ thống mới làm việc ở dải tần 2GHz và cung
cấp nhiều loại dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ thấp hiện có đến
các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử
dụng có thể lên tới 2Mbps. Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ô pico trong nhà,còn các
dịch vụ với tốc độ 14,4Kbps sẽ được đảm bảo cho thông tin di động thông thường ở

các ô macro. Người ta cũng đang nghiên cứu các hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ tư có tốc độ cho người sử dụng khoảng 2Gbps. Hiện này, trên thế giới ở hầu hết
các nước đã triển khai hệ thống di động 3G. Với hệ thống di động 3.5G(HSDPA) thì có
đến 135 hãng cung cấp dịch vụ trên 63 quốc gia đã cung cấp các dịch vụ của hệ thống
di động 3.5G.Hệ thống tiền 4G (Pre-4G) là WiMax cũng đã được triển khai và đưa vào
khai thác dịch vụ ở một số thành phố như London,New York vào quý 2 năm 2007.
Ở nước ta,cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc nói chung
trong những năm gần đây thông tin di động ra đời như một tất yếu khách quan
nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin trong thời kỳ đổi mới của đất nước. Vào
thời kỳ ban đầu,xuất hiện một số mạng thông tin di động như mạng nhắn tin ABC,
mạng nhắn tin toàn quốc..có tính chất thử nghiệm cho công nghệ thông tin di
động ở Việt Nam.Sau đó, vào tháng 3/1993, mạng điện thoại di động MobiFone sử
dụng kỹ thuật số GSM đã được triển khai và chính thức đưa vào hoạt động ở Việt
Nam với các thiết bị của hãng ALCATEL. Tháng 6/1996,mạng Vinaphone ra đời và
cùng tồn tại song song với mạng VMS. Năm 2003, mạng S-Phone sử dụng công
nghệ CMDA của Saigon Postel đưa vào khai thác.Đến năm 2004, mạng GSM của
Viettel cũng chính thức đưa vào hoạt động. Và gần đây, EVN Telecom, Hà Nội
Telecom cũng đưa vào khai thác mạng di động thế hệ thứ ba, trong hai năm gần
đây, số thuê bao của các mạng này đang rất nhanh.
1.2:Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động từ 1G đến 5G
Thời kỳ đầu, khi mới triển khai, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất mới
chỉ cung cấp cho người sử dụng dịch vụ thoại, nhưng 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 mạng
hiện có. Từ đó các nhà khai thác đã phải triển khai các hệ thống di động 2G,
2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hơn. Cùng với Internet,
Internet đang trở thành một trong những họat động kinh doanh ngày càng
quan trọng,một trong các hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để
kết nối các cán bộ “di động” với xí nghiệp hoặc công sở của họ. Ngoài ra, tiềm



năng to lớn đối với các công nghệ mới là cung cấp trực tiếp tin tức và các thông
tin khác cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi nhuận mới cho nhà
khai thác. Do vậy, để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính
và hình ảnh, đồng thời bảo đảm tính kinh tế thì hệ thống thông tin di động thế
hệ thứ hai (GSM, PDC, IS-136 và cdmaOne) đã từng bước chuyển đổi sang hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ ba.Khi mà nhu cầu về các dịch vụ đa phương
tiện chất lượng cao tăng mạnh, mà tốc độ của hệ thống 3G hiện tại không đáp
ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa
hệ thống di động 4G và 5G.
Mạng thông tin di động 1G?
Là mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới. Nó là hệ thống
giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu lần đầu tiên vào những
năm đầu thập niên 80s. Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo
tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các
module gắn trong máy di động. Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên
thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện
và phát tín hiệu.Tiêu biểu cho thế hệ mạng di động 1G là các thiết bị thu phát tin hiệu
analog to và khá kềnh càng.Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ
150MHz nhưng mạng 1G cũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng
riêng trên thế giới
Mạng thông tin di động 2G?
Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so
với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của
thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà cung
cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991. Mạng 2G mang tới cho người
sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo
dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn
dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tin hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc



mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều
gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi
phí. Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn
năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích
bên trong thiết bị hơn…Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division
Multiple Access) và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử
dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia
Mạng thông tin di động 2.5G?
Là thế hệ kết nối thông tin di động bản lề giữa 2G và 3G. Chữ số 2.5G chính là biểu
tượng cho việc mạng 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh hệ thống
chuyển mạch theo kênh truyền thống. Nó không được định nghĩa chính thức bởi bất
kỳ nhà mạng hay tổ chức nào và chỉ mang mục đích duy nhất là tiếp thị công nghệ
mới theo mạng 2G. Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể
dùng cơ sở hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA. Và
tiến bộ duy nhất chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lưu chuyển dữ liệu
được dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM. Bên cạnh đó, một vài giao
thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt
được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (bởi vì chúng dùng một tốc độ truyền
dữ liệu chung là 144 kbit/s), nhưng vẫn được xem như là dịch vụ 2.5G (hoặc là nghe
có vẻ phức tạp hơn là 2.75G) bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự.
Mạng thông tin di động 3G?
Là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó. Nó cho
phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ
liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips...Trong số các dịch vụ
của 3G, điện thoại video thường được miêu tả như là lá cờ đầu. Giá tần số cho công
nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ
Euro cho các chính phủ. Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải
trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng vốn



đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G. Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn
thông đã rơi vào khó khăn về tài chính và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai
mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền
tần số được bỏ qua do phát triển hạ tâng cơ sở IT quốc gia được đặt lên làm vấn đề
ưu tiên nhất. Và cũng chính Nhật Bản là nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương
mại một cách rộng rãi, tiên phong bởi nhà mạng NTT DoCoMo.Mạng 2G đang dần
dần đi vào lãng quên trong tiềm thức công nghệ tại Nhật Bản. Công nghệ 3G cũng
được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU).
Mạng thông tin di động 4G?
Hay còn có thể viết là 4-G, là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho
phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s.
Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên
cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ
100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử
dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Mạng điện
thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc độ tải là 384 Kbit/s và truyền dữ liệu lên với tốc
độ 129 Kbit/s. NTT DoCoMo cũng hy vọng trong vòng 2010 - 2012 sẽ có thể đưa
mạng 4G vào kinh doanh. mạng di động LTE Advance, WiMax (nhánh khác của 4G)…
sẽ là những thế hệ tiến bộ hơn nữa, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD,
xem tivi tốc độ cao, trải nghệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng
nhiều tiện lợi hơn nữa từ chính chiếc di động của mình.
Mạng thông tin di động 5G?
5G viết tắt của từ 5th Generation, thế hệ thứ 5 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. Mỗi
thế hệ cũng mô tả những công nghệ mới, mang lại khả năng giao tiếp mới. Hiện 5G
còn đang trong giai đoạn phát triển và hứa hẹn sẽ ứng dụng rộng rãi trong tương lai



gần nhưng là sản phẩm mới nhất, 5G sẽ khắc phục những khuyết điểm của 4G-LTE,
đặc biệt là tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn gấp 20 lần, đạt 20 GPs mỗi cell đơn tải
về. Người dùng có thể xem trực tuyến video “8K” ở định dạng 3D, kết nối thiết bị VR
và chơi game mà gần như không có độ trễ. Trong khi tốc độ rõ ràng là ưu điểm vượt
trội so với mạng 4G thì có các ưu điểm khác khiến 5G sẽ là thế hệ mạng không dây
của tương lai: là mạng đầu tiên sử dụng trạm vệ tinh và không còn gặp vấn đề về phủ
sóng. Bên cạnh đó 5G hứa hẹn sẽ có khả năng tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn và
có thể hỗ trợ, giao tiếp tốt với các thiết bị công nghệ có kết nối mạng.
Hình 1.1:Lộ trình phát triển của thông tin di động
TACS
NMT (900)

GSM (900)
WCDMA

GSM (1800)

GPRS

GSM (1900)
IS-136(1900)

GPRS
HSP A

IS-95 (1900)

WI MAX

WIBRO


EDGE
IS-136
TDMA(800)
AMPS

IS-95 CDMA
(800)

SMR

IDEN (800)

1g

2g

CDMA2000 MX

CDMA2000 1X

2.5

3g

3.5g

4g

4G


5G


Trong đó:
+TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập tổng
thể.
+ NMT900 (Nordic Mobile Telephone 900): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu
băng tần 900MHz.
+ AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiến.
+ SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng.
+ GSM(900) (Global System for Mobile: Hệ thống thông tin di động toàn 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 thông tin di động TDMA cải tiến do
AT&T đề xuất.
+ IS-95 (CDMA) (Interim Standard -95 CDMA): Tiêu chuẩn thông tin di động
CDMA cải tiến của Mỹ (do Qualcomm đề xuất).
+ GPRS (Genneral Packet Radio System): Hệ thống vô tuyến gói chung.
+ 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.
+ HSPA (Hing Speed Packet Access): Hệ thống di động truy cập gói tốc độ cao.Hệ
thống HSPA được chia thành 3 công nghệ sau:
_ HSDPA (High Speed Downlink Packet Acces): Hệ thống truy cập gói đường
xuống tốc độ cao.
_ HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đường lên
tốc độ cao.

_ HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy cập gói OFDM tốc
độ cao
+ Pre-4G: các hệ thống tiền 4G,gồm có WiMax và WiBro (Mobile Wimax).


+ WiMax: Worldwide Interoperability for Microwwave Access
+ WiBro: Wireless Broadband System: Hệ thống băng rộng không dây
Bảng 1.1:Tổng kết các hệ thống di động
Thế

hệ

Hệ thống

Dịch vụ chung

Chú Thích

thông tin
di động
Thế hệ 1 AMPS,TACS,NMT

Thoại

(1G)

Sóng radio,phân bố tần số
hạn chế,dung lương
thấp,nhiễu xảy ra khi máy di
động di chuyển trong môi

trường fading nhiều
tin,không đảm bảo tính bí
mật của các cuộc gọi,không
tương thích giữa các hệ

Thế hệ 2 GSM,IS-136,IS-95

Chủ yếu cho thoại

thống với nhau
TDMA hoặc CDMA kết hợp

(2G)

kết hợp với dịch vụ

FDMA,có thể truyền dữ liệu

bản tin ngắn
Chủ yếu vẫn là

tốc độ 19,2kbs
TDMA (kết hợp nhiều khe

thoại,dịch vụ số liệu

thời gian hoặc tần số) hoặc

gói tốc độ thấp và


CDMA,sử dụng phổ chồng

trung bình

lên phổ tần của hệ thống

Thế hệ 2+

GPRS,EDGE,CDMA20

(2.5G)

00 1x

2G,tăng cường truyền số
lieụe gói.Tốc độ tối đa đạt
144kbps.

Thế hệ 3 CDMA2000
(3G)

1x

EV

DO/DV,CDMA2000,

Truyền dẫn thoại và

Ra đời năm 2000 còn được


dịch vụ số liệu đa

gọi là IMT-2000.Sử dụng kĩ


WCDMA

phương tiện

thuật TDMA,CDMA Kết hợp
FDMA với các yêu cầu
Tốc độ 144kbps cho thuê
bao di động chuyển động
tốc độ cao,384kbps cho thuê
bao chuyển động tốc độ
thấp và 2Mbps cho thuê bao
không chuyển động.Mạng
phải có khả năng sử dụng
toàn cầu,bao gồm cả thông

Thế hệ 3+

HSDPA

Tích hợp thoại,dịch

tin vệ tinh
Phát triển từ 3G,CDMA/HS-


(3.5G)

HSUPA

vụ số liệu và đa

DSCH.

HSOPA

phương tiện tốc độ

HSPDA cho tốc độ tối đa

cao.

đường xuống
14.4Mbps,HSUPA có tốc độ
đường lên tối đa
5.7Mbps,HSOPA cho tốc độ
Downlink/Uplink tối đa là

Thế hệ 4 4G

Truyền dẫn thoại,số

200Mbps/100Mbps.
OFMA, MC/DS-CDMA,tốc độ

(4G)


liệu,đa phương tiện

tối đa ở môi trường trong

tố độ cực cao.

nhà là 5Gbps,100Mbps môi
trường ngoài trời trên đối
tượng chuyển động nhanh

Thế hệ 5
(5G)

5G

(250km/h).
Mạng di động 5G sử dụng
sóng milimét (Millimetre
wave). Sóng milimét đại diện
cho phổ tín hiệu RF giữa các


tần số 20GHz và 300GHz với
bước sóng từ 1~15mm,
nhưng xét về khía cạnh
mạng vô tuyến và các thiết
bị thông tin, tên gọi sóng
milimét tương ứng với các
dải tần 24GHz, 38GHz,

60GHz.
1.3: Đa song mang trong mạng 4G
Song mang?
Trong lãnh vực viễn thông, sóng tải hay sóng mang là một dạng sóng (thường là
sóng hình sin) được điều biến với một tín hiệu nhập liệu (còn gọi là sóng điều biến)
nhằm mục đích chuyển vận thông tin. Sóng tải thường có tần số cao hơn so với tần số
của tín hiệu mà nó truyền tải. Chức năng của sóng tải thường là dùng để truyền các
thông tin xuyên qua không gian như là một sóng điện từ (ví dụ như liên lạc bằng sóng
vô tuyến) hay là cho phép vài sóng tải tần số khác nhau có thể chia sẻ chung một môi
trường phát sóng vật lý bằng phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số (ví dụ
như trong trường hợp của hệ thống truyền hình cáp).
Đa song mang trong mạng 4G?
Đa sóng mang trong mang 4G là việc phân chia dải băng tân thành rất nhiều băng tân
con với các sóng mang khác nhau. mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một
dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng
dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải . để làm đươc việc ngươi ta sử dụng đến công nghệ
LTE.
LTE ?


LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là Tiến hóa dài hạn), công nghệ
này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhưng thực chất LTE cung cấp
tốc độ thấp hơn nhiều so với một mạng 4G thực sự). 4G LTE là một chuẩn cho truyền
thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu
cuối dữ liệu. Nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử
dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch
phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và
tốc độ dữ liệu.Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức 3GPP (Dự án đối tác thế hệ thứ 3)
ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của Phiên bản 8
(Release 8), với những cải tiến nhỏ được mô tả trong Phiên bản 9.

Dịch vụ LTE thương mại đầu tiên trên thế giới được hãng TeliaSonera giới thiệu ở
Oslo và Stockholm vào ngày 14/12/2009. LTE là hướng nâng cấp tự nhiên cho các
sóng mang với các mạng GSM/UMTS, nhưng ngay cả các nhà mạng dựa trên công
nghệ CDMA như Verizon Wireless (hãng này đã khai trương mạng LTE quy mô lớn
đầu tiên ở Bắc Mỹ vào năm 2010), và au by KDDI ở Nhật cũng tuyên bố họ sẽ chuyển
lên công nghệ LTE. Do đó LTE được dự kiến sẽ trở thanh tiêu chuẩn điện thoại di động
toàn cầu thực sự đầu tiên, mặc dù việc sử dụng các băng tần khác nhau tại các quốc
gia khác nhau sẽ yêu cầu điện thoại di động LTE phải làm việc được ở các băng tần
khác nhau tại tất cả các quốc gia sử dụng công nghệ LTE.
Dù đóng mác là dịch vụ không dây 4G, nhưng chỉ tiêu kỹ thuật của LTE quy định trong
loạt tài liệu Phiên bản 8 và 9 của 3GPP, không đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của liên
minh 3GPP đã áp dụng cho thế hệ tiêu chuẩn mới, và được quy định bởi tổ chức ITUR trong các đặc tả kỹ thuật IMT-Advanced.


Bảng 1.2:Tốc độ của một số mạng LTE CAT


CHƯƠNG II : KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRONG MẠNG 4G
2.1:Kỹ thuật OFDM
2.1.1:Sơ lược về OFDM
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho
truyền thông tốc độ cao. Để đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, chúng ta hãy làm
quen với những khái niệm ban đầu như: Hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân
chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), tính trực giao…Biểu diễn
toán học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ sở. Cuối cùng, chúng ta đánh
giá ưu khuyết điểm của kỹ thuật OFDM.
OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin
vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được
nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu

trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn
chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ
thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý
tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành
N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một
sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được thực
hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.


Hình 2.1:Sơ đồ khối hệ thống OFDM
2.1.2:Các khái niệm liên quan đến OFDM
-Hệ thống đa sóng mang:là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều
sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia một tín
hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và
truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo
kiểu FDM.

Hình 2.2:Cấu trúc hệ thống đa sóng mang
- Ghép kênh phân chia theo tần số FDM: là phương pháp phân chia nhiều kênh thông
tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau.
Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu


ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong
không gian, thời gian.

Hình 2.3: Ghép kênh phân chia theo tần số
Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận,
tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các

kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.
2.1.3: Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM
-Trực giao: Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các
sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục
mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con
cótính trực giao. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine.
Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng
thời ký tự, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự.

Hình 2.4: Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con
Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T và
số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ. Tính chất
này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.
Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát phổ của
nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là sinc hay


sin(x)/x. Hình 2.5 mô tả phổ của ký tự OFDM có 4 sóng mang con là tổng hợp phổ của
4 hàmsinc.

Hình 2.5: Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang
2.1.4: Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ
Với một băng thông cho trước, tốc độ ký tự của OFDM thấp hơn nhiều so với phương
thức truyền dẫn đơn sóng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang,
tốc độ ký tự tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Còn đối với hệ thống OFDM,
băng thông được chia nhỏ cho N sóng mang con làm cho tốc độ ký tự thấp hơn N lần
so với truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ ký tự thấp này làm cho OFDM chống lại
được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường.
Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào
một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự. Khoảng thời gian bảo vệ này chính là

copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự. Khoảng thời bảo vệ này
được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thành phần đa
đường từ một ký tự không thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận. Mỗi sóng mang con,
trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời
gian bảo vệ, (tức khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có
một số nguyên chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của ký tự và gắn vào phần đầu
cho nên ta sẽ có khoảng thời ký tự dài hơn. Hình (2.7) minh hoạ việc chèn thêm
khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của ký tự là Ts = Delta +T , với Ts là chiều dài
tổng cộng của ký tự, Delta là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T khoảng thời gian
thực hiện biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM.


Hình 2.6: Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong suốt
khoảng thời gian ký tự để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau. Nếu nó không
ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang con không có dạng sinc chính xác. Tại
biên của ký tự, biên độ và pha thay đổi đột ngột theo giá trị mới của dữ liệu kế tiếp.
Chiều dài của các ảnh hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của kênh vô tuyến.
Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường đến ở những thời
điểm khác nhau. Hình (2.8) minh hoạ ảnh hưởng này. Việc thêm vào một khoảng thời
gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm xuống. Ảnh hưởng của
ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn độ trải trễ của kênh vô
tuyến.

Hình 2.7: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI
Điều kiện này giống với điều kiện về tính trực giao giữa các sóng mang nhánh. Như
vậy, để có thể duy trì tính trực giao hệ thống OFDM có thể sử dụng phép biến đổi
DFT. Đây là một đặc điểm rất quan trọng vì hai lý do chính sau: Thứ nhất, DFT là một



dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy chúng trở
nên tuần hoàn cả trong miền thời gian lẫn tần số. Phép biến đổi này cùng với việc
chèn thêm các dải bảo vệ nhằm giúp cho mỗi kí tự OFDM tuần hoàn đã giúp cho việc
thực hiện tích chập tuần hoàn với hàm truyền đạt của kênh trở nên dễ dàng hơn. Ưu
điểm thứ hai của việc sử dụng DFT là phép biến đổi này có thể dễ thực khá đơn giản
và hiệu quả cao bằng thuật toán FFT.
2.1.5: Điều chế trong OFDM
- Điều chế QPSK: Đây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất
trong truyền dẫn.Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức:
Cặp bit vào
00
01
11
10

Pha của tín hiệu

Điểm tín hiệu

Phi1

QPSK
Si
S1
pi/4
3pi/4
S2
5pi/4
S3
7pi/4

S4
Bảng 2.1: Thông số của điều chế QPSK

Phi2

-

Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và
bốn điểm bản tin như hình vẽ:

Hình 2.8:Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK.
- Điều chế QAM: Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha
được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy


nhiên, nếu loại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể
độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phương
QAM (Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ vuông góc). Ở sơ đồ điều
chế này, sóng mang được điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM có ưu điểm là
tăng dung lượng đường truyền dẫn số.
2.1.6: Hệ thống OFDM băng gốc

Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song
(S/P: Serial/Parallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hoá và được sắp
xếp theo một trình tự hỗn hợp. Khối sắp xếp và mã hoá (Coding and Mapping) có thể
đặt ở trước đầu vào bộ S/P. Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối
IFFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong
miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI.
Cuối cùng, bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần

số cao để truyền trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như
nhiễu Gausian trắng cộng AWGN (Additive White Gaussian Noise),...
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được
tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời
gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT. Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được
sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận được dòng dữ liệu
nối tiếp ban đầu.


2.1.7: Đánh giá về kỹ thuật OFDM
-Ưu điểm:
+ Sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang. Hạn chế được
ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số
thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM
khác nhau
+ Loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các ký tự (ISI) do sử dụng CP và giao
thoa sóng mang (ICI)
+ Nếu sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp có thể khắc phục được
hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký tự do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh
gây ra. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng cân
bằng thích nghi trong các hệ thống đơn sóng tần.
- Nhược điểm:
+ Hệ thống OFDM sẽ tạo ra các tín hiệu trên nhiều sóng mang, các bộ khuếch đại
công suất phát cao cần độ tuyến tính, các bộ khuếch đại công suất thu nhiễu thấp đòi
hỏi dải động của tín hiệu lớn nên tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
(PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao là một bất lợi nghiêm trọng
của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hoà để khuếch
đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên
điều chế.

+ OFDM nhạy với dịch tần và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng
mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng
mang đơn.
2.1.8: Đặc tính kênh truyền của kỹ thuật OFDM


-Sự suy hao: là sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát
đến máy thu do sự hấp thụ tín hiệu bởi nước, không khí, và bi vật chắn, bị phản xạ từ
mặt đất.
- Hiện tượng fading đa đường: Ngoài các ảnh hưởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu
khi truyền qua kênh vô tuyến di ñộng sẽ bị phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … gây ra hiện
tượng fading đa đường.
+Fading Ricean: Do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, các thành phần đa đường
ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau. Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà
giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc không tồn tại đường truyền thẳng
(light-of-sight). Trong trường hợp tồn tại đường truyền thẳng, khi đó đường bao tín
hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Ricean nên kênh truyền gọi là kênh truyền
fading Ricean.
+ Fading Rayleigh: Nếu kênh truyền không tồn tại ñường truyền thẳng, ñường bao tín
hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền ñược gọi là kênh
truyền fading Rayleigh. Khi ñó tín hiệu nhận ñược tại máy thu chỉ là tổng hợp của các
thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và tán xạ.
-Nhiễu Gaussian trắng cộng: Nhiễu Gaussian trắng cộng là loại nhiễu có mật ñộ phổ
công suất ñồng ñều trong cả băng thông và biên ñộ tuân theo phân bố Gaussian.
Trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang con là rất lớn thì hầu hết các thành phần
nhiễu khác cũng có thể ñược coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác ñộng trên từng
kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì ñặc ñiểm của các loại nhiễu này thỏa
mãn các ñiều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
- Trải trễ: Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực
tiếp và tín hiệu phản xạ thu ñược cuối cùng tại bộ thu do hiện tượng fading ña

ñường.
- Hiệu ứng Doppler: Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển ñộng tương ñối giữa máy
phát và máy thu. Bản chất của hiện tượng này là tần số của sóng mang thu ñược sẽ
khác với tần số sóng mang C fñược truyền ñi một khoảng gọi là tần số Doppler.


-Power delay profile (PDP): PDP tiêu biểu cho công suất trung bình với trễ ña ñường.
Nó cung cấp một chỉ ñịnh của việc phân tán và phân bố công suất phát trên các
ñường khác nhau trong trễ truyền ña ñường. PDP của kênh ñược lấy giá trị trung bình
trong khoảng không gian theo các vị trí khác nhau.
2.1.9: Đồng bộ trong OFDM
Trong hệ thống thông tin số, các ký tự đã được mã hoá trải qua quá trình điều chế và
được truyền trên các kênh hay bị ảnh hưởng bởi xuyên nhiễu. Ở phía thu, thông
thường bộ giải điều chế xem như đã biết tần số sóng mang và đa số các bộ giải mã đã
biết thời khoảng của ký tự. Bởi vì quá trình xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số
sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác. Do đó, cần phải ước lượng và
đồng bộ chúng. Như vậy, ở phía thu phải giải quyết sự đồng bộ hoá. Đồng bộ là một
trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM. Một trong những hạn chế của
hệ thống OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ
tần số do mất tính trực giao của các sóng mang nhánh.
Có một vài khía cạnh đặc biệt mà làm cho sự đồng bộ hệ thống OFDM rất khác với
những hệ thống đơn sóng mang. OFDM chia luồng dữ liệu thành vào một số lượng
lớn sóng mang phụ. Mỗi sóng mang phụ của chúng có tốc độ dữ liệu thấp và thời
gian tồn tại ký tự Ts. Nó làm cho hệ thống trở nên mạnh trong việc chống lại tiếng
vọng
Mặt khác, bởi vì khoảng cách sóng mang phụ T-1 thông thường là phải nhỏ hơn
nhiều so với tổng băng thông, sự đồng bộ tần số trở nên khó khăn.Trong hệ thống
OFDM, quá trình đồng bộ gồm có ba bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng dịch
tần số, bám đuổi pha.


Hình 2.10:Quá trình đồng bộ trong OFDM


2.1.10:Ứng dụng OFDM
Ngoài hai đặc điểm nổi bật là khả năng chống nhiễu ISI, ICI và nâng cao hiệu suất sử
dụng phổ, việc sử dụng OFDM còn có các ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ được
truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh hẹp. Hệ thống OFDM chống được ảnh
hưởng của fading lựa chọn tần số và thực hiện điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ sử
dụng kỹ thuật biến đổi FFT
2.2 :Kỹ thuật SC-FDMA
Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR (tỷ lệ công suất đỉnh trung bình Peak to
Average Power Ratio) tốt hơn OFDMA. Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra bằng kỹ thuật
trải phổ DFT-OFDM (DFT-sOFDM). Các kỹ thuật điều chế sử dụng: QPSK, 16QAM và 64
QAM. Trong SC-FDMA, mỗi Sub-carrier sử dụng để truyền tải thông tin có chứa tất cả
các symbol điều chế, do đó, chuỗi dữ liệu đầu vào phải được trải phổ bằng biến đổi
DFT trên các Subcarrier có sẵn (Với OFDMA, mỗi Sub-carrier của tín hiệu chỉ mang
thông tin có liên quan đến các symbol điều chế cụ thể).
2.2.1: Xử lí tín hiệu SC-FDMA

Hình 2.11: Cấu trúc bộ phát và thu của hệ thống SC-FDMA/OFDMA
Hình 2.11 cho thấy một bộ phát SC-FDMA gửi đi một khối dữ liệu tới một bộ thu. Đầu
vào của bộ phát và đầu ra của bộ thu là các symbol điều chế phức. Các hệ thống trên


thực tế phải linh động thích ứng kỹ thuật điều chế với chất lượng kênh truyền, sử
dụng BPSK ở những kênh truyền yếu và 64-QAM trong những kênh truyền mạnh. Các
khối dữ liệu bao gồm M symbol điều chế phức được tạo ra ở tốc độ Rsource
symbol/s. Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) M điểm tạo ra M symbol trong miền tần số và
điều chế vào N sóng mang con trực giao trải trên một băng thông:
Wchannel = N x f0 (Hz)

Với f0 là khoảng cách các sóng mang con. Tốc độ truyền của kênh là:
R channel =N/M x R source (symbol /s) (1)
Nếu Q là hệ số trải băng thông, nghĩa là:
Q = Rchannel/Rsource = N/M (2)
Thì hệ thống SC-FDMA có thể xử lý Q tín hiệu nguồn trực giao với mỗi nguồn chiếm
một bộ M sóng mang con trực giao khác nhau. Ta biễu diễn xm (m = 0,1, …., M – 1)
đại diện cho các symbol nguồn được điều chế và Xk ( k = 0,1, …, M-1) đại diện cho M
mẫu DFT của xm . Yl ( l = 0,1, …, N-1) đại diện cho các mẫu miền tần số sau khi
mapping sóng mang con và yn ( n = 0,1, …, N1) đại diện cho các symbol kênh truyền
miền thời gian được truyền đi có được từ biến đổi IDFT của Yl . Khối Mapping sóng
mang con sẽ gán các symbol cần điều chế trong miền tần số vào các sóng mang con.
Biến đổi IDFT tạo ra biểu diễn trong miền thời gian, yn, của N symbol sóng mang con.
Bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp sắp đặt y0, y1, …, y N-1 vào một chuỗi thời
gian thích hợp cho điều chế một sóng mang tần số vô tuyến và truyền đến đầu thu.

Hình 2.12:Quá trình tạo ra các symbol SC-FDMA