NGUYỄN THANH HÙNG

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

NGUYỄN THANH HÙNG

NGHÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MIMO-OFDM
CHO MẠNG DI ĐỘNG 4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUN NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG

KHĨA 2012-2014

Hà Nội, năm 2014


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

NGUYỄN THANH HÙNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MIMO-OFDM
CHO MẠNG DI ĐỘNG 4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN HỮU TRUNG

NĂM 2014


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung và số liệu đƣợc trình bày trong luận văn
là cơng trình nghiên cứu của tôi theo sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Hữu
Trung.

Hà Nội, ngày 19 tháng 3 năm 2014
Ngƣời viết

Nguyễn Thanh Hùng

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 1


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý tận tình của q thầy cơ Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội.
Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại Học Bách

Khoa Hà Nội, đặc biệt là những thầy cơ đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian
học tập tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Phó Giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Hữu Trung
đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tơi hồn
thành luận văn tốt nghiệp.
Nhân đây tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội cùng quý thầy cô Viện Điện Tử Viễn Thông đã tạo rất nhiều điều kiện
để tôi học tập và hồn thành tốt khóa học.
Mặc dù tơi đã có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp của q thầy cơ và các bạn.
X in bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
Ngƣời thực hiện

Nguyễn Thanh Hùng

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 2


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................1
CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................5
MỤC LỤC HÌNH ........................................................................................................6
LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................................................................9
TĨM TẮT ..................................................................................................................12

Chương 1: KHÁI QT Q TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU VỀ MẠNG DI ĐỘNG 4G..................................................13



Giới thiệu chương ........................................................................................13

1.1. Lịch sử phát triển của ngành thông tin di động trên thế giới ......................13
1.2. Q trình hình thành và phát triển của ngành thơng tin di động tại Việt
Nam 18
1.3. Giới thiệu về mạng thơng tin di động 4G ....................................................18
1.3.1.

Cấu hình và các tham số kỹ thuật của hệ thống thông tin di động

4G………………………….. ................................................................................ 18
1.3.1.1 . Hệ thống LTE – Advanced [4] ..................................................... 19
1.3.1.2 . Hệ thống WiMAX 802.16m .......................................................... 23
1.3.2. Các dịch vụ cơ bản của hệ thống thông tin di động 4G .............................24



Kết kuận chương ..........................................................................................24

Chương 2: KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO...........................................26



Giới thiệu chương ........................................................................................26


2.1. Kỹ thuật OFDM..............................................................................................26
2.1.1. Giới thiệu về OFDM và mơ hình hệ thống OFDM ............................ 26
2.1.2. Lỗi đồng bộ trong hệ thống OFDM ................................................... 36
2.2. Hệ thống MIMO .............................................................................................39
2.2.1. Giới thiệu và khái niệm hệ thống MIMO ........................................... 39
2.2.2. Mơ hình và cơ sở lý thuyết của hệ thống MIMO ............................... 41
Nguyễn Thanh Hùng

Trang 3


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

2.2.3. Dung lượng hệ thống MIMO [7] [8] [9] ........................................... 46
2.2.4. Kỹ thuật mã hóa khơng gian - thời gian trong hệ thống MIMO ........ 53
2.2.5. Mã hố khơng gian – thời gian lớp BLAST ....................................... 64
2.2.6. Hệ thống anten MIMO ....................................................................... 71



Kết luận chương ..........................................................................................72

Chương 3: KỸ THUẬT MIMO – OFDM ..................................................................73
TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ........................................................................73



Giới thiệu chương ........................................................................................73

3.1. Cơ sở cho sự ra đời hệ thống MIMO-OFDM ................................................73

3.1.1. Cơ sở lý luận ...................................................................................... 73
3.1.2. Cơ sở thực tiễn ................................................................................... 74
3.2. Hệ thống MIMO-OFDM ................................................................................75
3.3. Truyền dẫn MIMO-OFDM trong LTE-Advenced ..........................................84



Kết luận chương ..........................................................................................87

Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ..........................89
4.1. Lưu đồ thuật tốn ...........................................................................................89
4.2. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................94



Kết luận chương ....................................................................................... 101

KẾT LUẬN ............................................................................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 103

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 4


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

CÁC TỪ VIẾT TẮT
1G


First Generation

Thế hệ thứ nhất

2G

Second Generation

Thế hệ thứ hai

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

4G

Fourth Generation

Thế hệ thứ tƣ

ACI

Adjacent Channel Interference

Nhiễu kênh lân cận

ADC


Analog to Digital Converter

Bộ biến đổi tƣơng tự-số

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm cộng trắng chuẩn

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha nhị phân

CoMP

Coordinated Multipoint Transmission

Truyền dẫn đa điểm

CP


Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CPU

Central Processing Unit

Khối xử lý trung tâm

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ biến đổi số-tƣơng tự

DBLAST

Diagonal Bell
Space-Time

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DSP

Digital Signal Processor


Bộ xử lý tín hiệu số

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần
số

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi hƣớng đi

FPGA

Field-Programmable Gate Array

Mảng cổng có thể lập trình

GI

Guard Interval

Khoảng phịng vệ

GSM


Global
System
communication

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

HRPD

High Rate Packet Data

Dữ liệu gói tốc độ cao

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Biến đổi ngƣợc Fourier rời
rạc

ICI

Inter Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

ISI


Inter Symbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

Nguyễn Thanh Hùng

Laboratories

Layered

for

Trang 5

Mobile Hệ thống di động toàn cầu


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

IS-95

Interim Standard

IMT-2000 International Mobile Telecommunication- Chuẩn viễn thông di động
2000
quốc tế 2000
LTE

Long Term Evolution


MIMO

Multiple Input ultiplMe Output

ML

Maximum Likelihood

MMSE

Minimum Mean Square Error

OFDM

Orthogonal
Multiplexing

PDC

Personal Digital Cellular

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vng góc

QPSK


Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha vng góc

Frequency

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Division Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao

MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.2. Q trình phát triển của các hệ thống thơng tin di động..........................16
Hình 1.3. Độ rộng băng tần sử dụng trong hệ thống LTE-Advanced .......................19
Hình 1.4. Cấu hình MIMO trong LTE-Advanced .....................................................20
Hình 1.5. Kỹ thuật CoMP trong LTE-Advanced .......................................................21
Hình 1.6 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced ..............................................................22
Hình 1.7. Mơ hình hệ thống WiMAX 802.16m ..........................................................23
Hình 2.1. Sơ đồ truyền dẫn điểm-điểm sử dụng OFDM [4] .....................................28
Hình 2.2. Khoảng thời gian mở rộng và cửa sổ symbol OFDM ...............................30
Hình 2.3. Tần số sóng mang con trong tín hiệu OFDM ...........................................31
Hình 2.4. Phổ của tín hiệu OFDM ............................................................................32
Hình 2.5. Mơ hình hệ thống OFDM lý tưởng ...........................................................36
Hình 2.6. ICI trong hệ thống OFDM ........................................................................38
Nguyễn Thanh Hùng

Trang 6


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thơng


Hình 2. 7 Hình trực quan của hệ thống MIMO ........................................................40
Hình 2. 8 Hệ thống MIMO ........................................................................................42
Hình 2.9 Phân tập theo thời gian ..............................................................................43
Hình 2.10 Phân tập theo tần số .................................................................................43
Hình 2.11 Các phương pháp phân tập ......................................................................44
Hình 2.12. Kỹ thuật Beamforming ............................................................................45
Hình 2. 13 Ghép kênh giúp tăng tốc độ truyền dẫn ..................................................45
Hình 2. 14 Phân tập khơng gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống .......................46
Hình 2.15 Các kênh truyền con song song bị nhiễu..................................................49
Hình 2.16. Hệ kênh truyền song song tương đương .................................................50
Hình 2.17 Mơ hình giải mã khi biết CSI bên phía phát ............................................51
Hình 2. 18 Thuật tốn Water-pouring ......................................................................51
Hình 2. 19 Phân bố cơng suất khi SNR cao ..............................................................52
Hình 2.20 Phân phối cơng suất khi SNR thấp...........................................................53
Hình 2.21 Ví dụ bộ giải mã STTC: khối dữ liệu dài k = 2, chiều dài chế v = 2 .......55
Hình 2.22. Ví dụ về chịm sao ánh xạ QPSK.............................................................56
Hình 2.23. Mã khơng gian – thời gian Trellis...........................................................56
Hình 2.24. Hệ thống V-BLAST ..................................................................................65
Hình 2.25. Sơ đồ máy thu V-BLAST Zero-Forcing ...................................................69
Hình 2.26 Mơ hình đồ thị phương hướng anten MIMO............................................71
Hình 3.1 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM...............................................................75
Hình 3.2 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti ...............................................76
Hình 3.3 Sơ đồ chùm sao ..........................................................................................77
Hình 3.4 Điều chế ở máy phát ..................................................................................77

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 7



Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thơng

Hình 3.5 Mã hóa STC................................................................................................77
Hình 3.6 Truyền tín hiệu được mã hóa trên anten ...................................................79
Hình 3.7 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST .............................................................81
Hình 3.8 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST ...............................................................82
Hình 3.9 Bộ thu VBLAST ..........................................................................................83
Hình 3.10 Cấu trúc giao diện của hệ thống LTE-Advanced .....................................85
Hình 4.2 Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu .....................................................90
Hình 4.3 Lưu đồ CT con MIMO code của hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI ..............91
Hình 4.4 Lưu đồ CT con MIMO decode của hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI ..........92
Hình 4.5 Lưu đồ CT con MIMO decode hệ MIMO-OFDM V-BLAST......................93
Hình 4.6 Kỹ thuật OFDM với CP .............................................................................94
Hình 4.7 Kỹ thuật OFDM với các kiểu điều chế .......................................................95
Hình 4.8 Các hệ thống vơ tuyến ................................................................................95
Hình 4.9: Hệ thống MIMO ........................................................................................96
Hình 4.10: Hệ thống MIMO-OFDM .........................................................................97
Hình 4.11: Dung lượng hệ thống ..............................................................................98
Hình 4.12: Hệ thống MIMO-VBLAST .......................................................................98
Hình 4.13 Hệ thống MIMO-VBLAST đa anten .........................................................99
Hình 4.14: Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST .......................................................100
Hình 4.15 Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST & OFDM .......................................101

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 8


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông


LỜI MỞ ĐẦU
Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục
trong những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng di động thứ 3G chƣa có đủ thời
gian để khẳng định vị thế của mình trên tồn cầu, ngƣời ta đã bắt đầu nói về cơng
nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Thế nhƣng, nói một cách chính
xác 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ mạng thông tin di động
tƣơng lai 4G?
Ngƣợc dòng thời gian, 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 2 (2G). Mạng 2G có thể
phân ra 2 loại: mạng 2G dựa trên nền tảng TDMA và mạng 2G dựa trên nền tảng
CDMA. Đánh dấu điểm mốc bắt đầu cho mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS
(hay IS-136) dùng TDMA phổ biến ở Mỹ. Tiếp theo là dạng CDMAOne (hay IS-95)
dùng CDMA phổ biến ở Châu Mỹ và một phần của Châu Á, rồi mạng GSM dùng
TDMA ra đời đầu tiên ở Châu Âu và hiện đƣợc triển khai rộng khắp thế giới. Sự
thành công của mạng 2G là do dịch vụ và tiện ích mà nó mang lại cho ngƣời dùng,
tiêu biểu là chất lƣợng thoại và khả năng di động.
Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã và đang
đƣợc triển khai nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bậc nhất của mạng 3G so với
mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thơng gói tốc độ cao nhằm triển khai các
dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ
thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA
đƣợc phát triển bởi Trung Quốc. Gần đây công nghệ WiMAX cũng đƣợc thu nhận
vào họ hàng 3G bên cạnh các công nghệ nói trên. Tuy nhiên, câu chuyện thành cơng
của mạng 2G rất khó lặp lại với mạng 3G, một trong những lý do chính là dịch vụ
3G mang lại khơng có một bƣớc nhảy rõ rệt so với mạng 2G. Mãi đến thời gian gần
đây ngƣời ta mới quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast anh
multicast service) và IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng các dịch vụ đa
Nguyễn Thanh Hùng


Trang 9


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

phƣơng tiện.
Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu?
Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hƣớng cơng nghệ,
có định nghĩa theo hƣớng dịch vụ. Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng
thông tin di động không dây. 4G là một giải pháp để vƣợt lên những giới hạn và
những điểm yếu của mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận
thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong
tƣơng lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định. 4G còn là hiện thể của ý
tƣởng, hy vọng của nhà nghiên cứu ở các trƣờng đại học, các viện, các công ty nhƣ
Motorola, Qualcomm, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty
viễn thông khác với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phƣơng tiện mà mạng 3G
không thể đáp ứng đƣợc.
Theo dòng phát triển. Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa
4G bằng khái niệm đa phƣơng tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết
nối mọi luc mọi nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách
hàng. NTT DoCoMo xem 4G nhƣ là một mở rộng của mạng thông tin di động tế
bào 3G.
Bên cạnh đó, mặc dù 4G là thế hệ tiếp theo của 3G, nhƣng tƣơng lai không
hẳn chỉ giới hạn nhƣ là một mở rộng của dạng tế bào. Ví dụ ở Châu Âu, 4G đƣợc
xem nhƣ là khả năng đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với
khả năng kết nối nhiều loại hình truy nhập vơ tuyến khác nhau và khả năng chọn lựa
mạng vơ tuyến thích hợp nhất để truyền tải dịch vụ đến ngƣời dùng một cách tối ƣu
nhất.
Để đáp ứng đƣợc yêu cầu cũng nhƣ những mong mõi vào mạng di động 4G
mang lại lợi ích và sự tiện dụng tối đa cho ngƣời sử dụng thì cần đảm bảo đƣợc vấn

đề dung lƣợng của đƣờng truyền vô tuyến. Nhiều kỹ thuật đã đƣợc phát triển rất
mạnh nhƣ ghép theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing), hệ thống nhiều đầu vào – nhiều đầu ra MIMO (Multiple Input
Multiple Output), kỹ thuật mã hóa,…

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 10


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

Các kỹ thuật mới trong lĩnh vực truyền thông luôn đƣợc nghiên cứu, cải
thiện và q trình từ phịng thí nghiệm đến sản phẩm thực tế diễn ra rất nhanh. Vì
vậy, việc học tập và nghiên cứu các kỹ thuật mới là vấn đề cấp thiết đối với cán bộ
kỹ thuật. Do đó, đề tài “ Ứng dụng công nghệ MIMO – OFDM cho mạng di
động 4G” đã đƣợc lựa chon cho luận văn tốt nghiệp này.
Trong quá trình thực hiện luận văn khơng tránh khỏi nhiều sai sót, tơi mong
nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp của thầy cơ giáo và các bạn để luận văn đƣợc
hồn thiện cũng nhƣ mang tính thực tế hơn.
Qua lời mở đầu, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn
Hữu Trung ngƣời đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi
hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 11



Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thơng

TĨM TẮT
Mục đích của luận văn là nghiên cứu ứng dụng công nghệ MIMO – OFDM
cho hệ thống di động 4G. Dựa trên cơ sở lý thuyết có đƣợc, tiến hành xây dựng
chƣơng trình mơ phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab.
Luận văn gồm 4 chƣơng chính, gồm các nội dung nhƣ sau:
Chương 1: Khái qt q trình phát triển mạng thơng tin di động và giới
thiệu về mạng di động 4G.
Chương 2: Kỹ thuật OFDM về các mặt nhƣ khái niệm, quá trình phát triển
cũng nhƣ ƣu nhƣợc điểm của hệ thống. Hệ thống MIMO, chƣơng này trình bày tổng
quan về hệ thống, dung lƣợng của kênh, các phƣơng pháp mã hóa cũng nhƣ các yếu
tố ảnh hƣởng đến việc truyền tin.
Chương 3: Đi sâu nghiên cứu về hệ thống MIMO – OFDM và ứng dụng
công nghệ MIMO – OFDM trong thông tin di động 4G LTE - A .
Chương 4: Trình bày lƣu đồ thuật tốn và kết quả mơ phỏng bằng Matlab.
đánh giá kết quả cho hệ thống MIMO- OFDM dựa trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu.

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 12


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

Chương 1: KHÁI QT Q TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THƠNG
TIN DI ĐỘNG VÀ GIỚI THIỆU VỀ MẠNG DI ĐỘNG 4G

 Giới thiệu chương
Nội dung chƣơng 1 sẽ trình bày khái quát quá trình phát triển của hệ thống

thông tin di động trong nƣớc và thế giới, các kỹ thuật cơ bản, thông số trong từng hệ
thống. Cấu hình và thơng số của hệ thống di động 4G cũng đƣợc trình bày trong
chƣơng này.
1.1.

Lịch sử phát triển của ngành thông tin di động trên thế giới
Trải qua mấy chục năm kể từ khi ra đời, hệ thống thơng tin di động ln có

sự phát triển không ngừng.
* Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G -First Generation)
Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tƣơng tự, là hệ thống truyền tín
hiệu tƣơng tự, sử dụng kỹ thuật điều chế FM, là mạng điện thoại di động đầu tiên
của nhân loại, đƣợc khơi màu ở Nhật vào năm 1979. Những công nghệ chính thuộc
thế hệ thứ nhất là:
 NMT (Nordic Mobile Telephone – Điện thoại di động Bắc Âu)
đƣợc sử dụng ở các nƣớc Bắc Âu, Tây Âu và Nga.
 AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – Hệ thống điện thoại di
động tiên tiến) đƣợc sử dụng ở Mỹ và Úc.
 TACS (Total Access Communication Sytem – Hệ thống truyền
thông truy nhập toàn phần) đƣợc sử dụng ở Anh.
Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tƣơng tự và dịch vụ truyền chủ yếu là
thoại. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Những điểm
yếu của thế hệ 1G là dung lƣợng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển
cuộc gọi không tin cậy, chất lƣợng âm thanh kém, khơng có chế độ bảo mật…do
vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng.
* Hệ thống thông tin di động thứ 2 (2G - Second Generation)
Nguyễn Thanh Hùng

Trang 13



Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

Hệ thống di động thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho việc truyền
tải. Những hệ thống mạng 2G thì có dung lƣợng lớn hơn những hệ thống mạng thế
hệ thứ nhất. Một kênh tần số thì đồng thời đƣợc chia ra cho nhiều ngƣời dùng (bởi
việc chia theo mã hoặc chia theo thời gian). Sự sắp xếp có trật tự các tế bào, mỗi
khu vực phục vụ thì đƣợc bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào lớn và một
phần của những tế bào đã làm tăng dung lƣợng của hệ thống xa hơn nữa. Có 4
chuẩn chính đối với hệ thống 2G: hệ thống GSM (Global Systems for Mobile
communications); D-AMPS (Digital-Advanced Mobile Phone Service); IS-95
(Interim Standard); và PDC (Personal Digital Cellular). GSM đạt đƣợc thành
công nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G.
Một bƣớc đệm để chuyển qua thế hệ di động tiếp theo là thế hệ di động 2,5G.
Hệ thống thông tin di động đƣợc coi là 2,5G đƣợc trang bị trang bị thêm bộ phận để
chuyển lƣợng thông tin tải về, bổ sung cho đƣờng tải thơng tin có sẵn. Tuy vậy, yếu
tố này cũng không giúp cho 2,5G nhanh hơn 2G. Thậm chí, thế hệ di động 2,75G
cũng đƣợc đƣa vào thị trƣờng dƣới dạng GPRS (General Packet Radio Service –
dịch vụ gói cƣớc radio nói chung) sau này là EDGE, một sự nâng cấp cao hơn
GPRS.
* Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G- Third generation)
Đƣợc ra mắt vào năm 2001 tại Nhật Bản, từ khi ra đời hệ thống 3G đƣợc
triển khai rộng khắp trên thế giới. Hệ thống 3G cũng dựa trên kỹ thuật số và sử
dụng nhiều giải pháp kỹ thuật mới, dịch vụ của hệ thống 3G đa dạng và phong phú
hơn, tốc độ truyền tải dữ liệu của hệ thống đƣợc cải thiện đáng kể. Ban đầu, tốc độ
tối đa có thể lên tới 2Mbps với băng thông sử dụng là 5Mhz (hệ thống 3G R99).

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 14



Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thơng

Hình 1.1. Các hệ thống thơng tin di động
Sơ lƣợc về q trình phát triển của hệ thống thông tin di động và các dịch vụ
đƣợc thể hiện trong hình 1.1. Trƣớc sức ép về nhu cầu tốc độ, các dịch vụ mới, sự
cạnh tranh khốc liệt của thị trƣờng, các hãng đã liên tục cải tiến và cho ra đời các
phiên bản nâng cấp của hệ thống 3G nhƣ HSPA (High Speed Packet Access) phát
triển bởi 3GPP, và HRPD (High Rate Packet Data) mà đại diện là hệ thống
CDMA2000-1xEVDV phát triển bởi 3GPP2.
Trong khi hệ thống HSPD và HRPD đang đƣợc nghiên cứu và phát triển thì
IEEE802 LMSC (LAN/MAN Standard Committee) cho ra mắt chuẩn IEEE802.16e
là chuẩn cho truy cập vô tuyến di động băng rộng. Chuẩn IEEE802.16e là sự nâng
cấp của của chuẩn trƣớc đó là IEE802.16, đây là chuẩn cho truy cập vô tuyến cố
định băng rộng. Chuẩn IEEE802.16e sử dụng kỹ thuật đa truy nhập mới là OFDMA
(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) và đƣa ra yêu cầu tốc độ cao hơn
và hiệu quả sử dụng phổ cao hơn hệ thống HSPA và HRPD. Mặc dù họ tiêu chuẩn
IEEE802.16 đƣợc gọi với tên chính thức là WirelessMAN trong IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers), nhƣng nó thƣờng đƣợc nhắc tới với tên là
WiMAX

(Worldwide

Interoperability

for

Microwave Access). Trong


đó

IEEE802.16e là tiêu chuẩn hƣớng tới hệ thống WiMAX di động, bên cạnh lợi thế
của kỹ thuật vơ tuyến hệ thống WiMAX di động có cấu trúc mạng đơn giản hơn dựa
trên IP.
Sự ra đời của WiMAX di động đã thúc đẩy cả 3GPP và 3GPP2 phát triển
Nguyễn Thanh Hùng

Trang 15


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

phiên bản sau 3G của mình dựa trên kỹ thuật OFDMA và cấu trúc mạng tƣơng tự
nhƣ WiMAX di động. Hệ thống sau 3G đƣợc phát triển bởi 3GPP, đại diện là LTE
(Long Term Evolution) còn hệ thống sau 3G đƣợc phát triển bởi 3GPP2 là UMB
(Ultra Mobile Broadband). Hình 1.2 thể hiện ba hệ thống sau 3G là WiMAX di
động, LTE và UMB, chúng cũng là một phần của họ tiêu chuẩn IMT-2000
(International Mobile Telecommunication-2000).

Hình 1.2. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động
Đối với hệ thống LTE mục tiêu là tốc độ dữ liệu cao, trễ nhỏ và kỹ thuật truy
nhập vô tuyến cho phép phân phối độ rộng băng thơng một cách mềm dẻo. Bên
cạnh đó, một cấu trúc mạng mới cũng đã đƣợc thiết kế với mục tiêu hỗ trợ chuyển
gói và độ trễ là nhỏ nhất có thể. Giao diện vơ tuyến của hệ thống LTE đƣợc tóm tắt
trong bảng 1.1. Hệ thống LTE cho phép độ rộng băng sử dụng một cách mềm dẻo
nhờ phƣơng thức đa truy nhập OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access) và SC-FDMA (Single Carrier

Frequency Division Multiple Access).


Đƣờng xuống với cấu hình MIMO (Multiple Input Multiple Output) và độ rộng
băng 20MHz, tốc độ đỉnh của hệ thống là 326Mb/s. Với đƣờng lên theo phiên bản
đầu tiên của LTE phƣơng thức đa truy nhập là SC-FDMA, tốc độ đỉnh là 86Mb/s tại
độ rộng băng tần 20MHz. Phƣơng thức đa truy nhập SC-FDMA cho phép giảm tỷ

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 16


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình. Điều này cho phép các UE (User
Equipment) tiết kiệm đƣợc năng lƣợng.
Bảng 1.1. Một số tham số hệ thống LTE [3]
Độ rộng băng

1.25 MHz – 20MHz

Song cơng

H-FDD, FDD, TDD

Tính di động
Đa truy nhập

MIMO

350km/h

Đƣờng xuống

OFDMA

Đƣờng lên

SC-FDMA

Đƣờng xuống

2x2, 4x2, 4x4

Đƣờng lên

1x2, 1x4

Tốc độ dữ liệu đỉnh tại Đƣờng xuống

173Mb/s (2x2), 326Mb/s

băng thông 20MHz

Đƣờng lên

86Mb/s với cấu hình 1x2

Phƣơng thức điều chế

QPSK, 16-QAM, 64-QAM


Mã kênh

Mã Turbo

Một số kỹ thuật khác

Lập lịch nhanh phụ thuộc kênh, ARQ lai.

Hệ thống WiMAX di động (IEEE 802.16e) các tham số cơ bản đƣợc thể hiện qua
bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số tham số hệ thống WiMAX di động (IEEE 802.16e) [3]
Độ rộng băng

5MHz, 7MHz, 8.75MHz, 10MHz, 20MHz

Song cơng

TDD, FDD

Tính di động
Đa truy nhập

MIMO

120km/h
Đƣờng xuống

OFDMA

Đƣờng lên


OFDMA

Đƣờng xuống

2x2

Đƣờng lên

1xN

Tốc độ dữ liệu đỉnh tại Đƣờng xuống

75Mb/s

băng thông 20MHz

Đƣờng lên

25Mb/s

Phƣơng thức điều chế

QPSK, 16-QAM, (64-QAM(DL))

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 17



Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

Mã kênh

Mã Turbo

Một số kỹ thuật khác

Lập lịch nhanh phụ thuộc kênh, ARQ lai.

Q trình hình thành và phát triển của ngành thơng tin di động tại Việt

1.2.
Nam

Tại Việt Nam, mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM đầu tiên là
mạng MobiFone đƣợc cơng ty viễn thơng VMS chính thức đƣa vào hoạt động vào
ngày 16/04/1993. Công ty dịch vụ viễn thông GPC là nhà cung cấp thứ 2 với mạng
VinaPhone khai trƣơng ngày 26/6/1996. Cả hai công ty này đều là cơng ty con trực
thuộc tổng cơng ty Bƣu chính viễn thông Việt Nam (VNPT). Để tạo sự cạnh tranh
lành mạnh trên thị trƣờng thông tin viễn thông và phát huy nội lực của doanh
nghiệp trong nƣớc, ngày 15/10/2004 mạng di động thứ 3 ở Việt Nam – mạng
Viettel Mibile đã khai trƣơng do do công ty dịch vụ Viễn thông Quân đội (Viettel
Coporation) cung cấp. Đến tháng 7/2009 mạng di động quốc tế đầu tiên (Beeline
nay là Gmobile) chính thức có mặt tại Việt Nam. Các nhà mạng di động trên đều sử
dụng công nghệ GSM cơ bản sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA
bƣớc đầu chỉ mới cung cấp đƣợc các dịch vụ thoại và nhắn tin. Trong những năm
gần đây nhằm phục vụ nhu cầu internet và các dịch vụ giá trị gia tăng các nhà mạng
đã từng bƣớc phát triển lên 2.5G, 3G và hiện đang thử nghiệm mạng 4G.
Bên cạnh các mạng di động GSM, tại Việt Nam các mạng CDMA cũng góp

mặt nhƣ EVN Telecom, S-Phone, Hà Nội Telecom. Nhƣng hiện nay, các mạng di
động CDMA không thể cạnh tranh đƣợc với các mạng GSM nên lần lƣợc chuyển
giao (EVN Telecom đã chuyển giao cho Viettel Coporation) hoặc sắp chuyển công
nghệ sang GSM.
1.3.

Giới thiệu về mạng thông tin di động 4G

1.3.1. Cấu hình và các tham số kỹ thuật của hệ thống thông tin di động 4G
Hiện nay, trên thế giới mới chỉ có hai cấu hình thoả mãn các tiêu chuẩn của
IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced). Theo đề
nghị của ITU-R (ITU Radiocommunication Sector) đó là hệ thống LTE-Advanced

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 18


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

và WiMAX 802.16m, trong phần này của luận văn sẽ trình bầy khái quát các giải
pháp kỹ thuật trong hệ thống LTE-Advanced.
1.3.1.1 . Hệ thống LTE – Advanced [4]
Hệ thống LTE-Advanced là sự cải tiến của hệ thống LTE, chính vì vậy hệ
thống LTE hồn tồn tƣơng thích hệ thống LTE-Advanced. Trong hệ thống LTE,
băng thông sử dụng tối đa là 20MHz và tốc độ đỉnh lên tới 326Mb/s. Trong khi đó ở
hệ thống LTE-Advanced tốc độ đỉnh có thể ngang bằng với hệ thống mạng có dây
và chất lƣợng dịch vụ thì tốt hơn. Một số giải pháp kỹ thuật chính trong hệ thống
LTE-Advanced là:
* Truyền dẫn với độ rộng băng tăng cƣờng.

Trong hệ thống LTE-Advanced độ rộng băng tần sử dụng đƣợc tăng cƣờng lên
đến 100MHz và hồn tồn tƣơng thích cho hệ thống LTE. Chính vì vậy, tốc độ đỉnh
của hệ thống LTE-Advanced có thể lên tới 1Gb/s. Bên cạnh đó truyền dẫn với độ
rộng băng bất đối xứng đƣợc đề xuất để tận dụng tối đa kênh truyền. Điều này xuất
phát từ nhu cầu thực tế của ngƣời dùng là nhu cầu tải dữ liệu từ mạng về máy cá
nhân thƣờng là cao hơn nhu cầu trên hƣớng ngƣợc lại. Hình 1.3 cho thấy sự bất đối
xứng trong việc sử dụng độ rộng băng tần của hệ thống LTE-Advenced.

Hình 1.3. Độ rộng băng tần sử dụng trong hệ thống LTE-Advanced
* Kỹ thuật OFDM
Kỹ thuật OFDM đã đƣợc sử dụng trong hệ thống LTE và vẫn tiếp tục đƣợc sử
dụng trong hệ thống LTE-Advanced. Đây là một kỹ thuật then chốt cho hệ thống
không dây băng rộng và sẽ đƣợc nghiên cứu kỹ hơn trong chƣơng 2.
Nguyễn Thanh Hùng

Trang 19


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

* Kỹ thuật truyền dẫn đa anten nâng cao MIMO
Kỹ thuật MIMO đã đƣợc sử dụng từ cấu hình LTE-Release 8. Để nâng cao
thông lƣợng của một tế bào cũng nhƣ cải thiện chất lƣợng tín hiệu thu tại UE,
eNodeB và giảm nhiễu đồng kênh từ các tế bào lân cận, trong hệ thống LTEAdvanced cấu hình MIMO 8x8 đƣợc sử dụng cho đƣờng xuống và cấu hình 4x4
đƣợc sử dụng cho đƣờng lên.

Hình 1.4. Cấu hình MIMO trong LTE-Advanced
Hình 1.4 mơ tả cấu hình MIMO sử dụng trong LTE-Release 8 và LTEAdvanced. Trong LTE-Advanced cấu trúc đƣờng lên khác xa so với cấu trúc đƣờng
lên trong LTE-Release 8. Với cấu trúc MIMO 4x4 cho đƣờng lên thì hệ thống LTEAdvanced cho phép cải thiện đáng kể tốc độ đƣờng lên. Kỹ thuật MIMO sẽ đƣợc
nghiên cứu chi tiết hơn trong chƣơng 2.

* Kết hợp thu phát đa điểm
Kỹ thuật kết hợp thu phát đa điểm (CoMP- Coordinated Multiple Point) đƣợc sử
dụng trong LTE-Advanced nhằm cải thiện vùng phủ sóng khi tốc độ truyền dẫn cao,
cải thiện thông lƣợng tại vùng biên của tế bào cũng nhƣ tăng thông lƣợng của cả hệ
thống. Trong hệ thống thơng tin tế bào thì tại một vị trí của UE, ngồi tín hiệu có
ích của tế bào gốc cịn có tín hiệu của các tế bào lân cận xen vào, điều này làm giảm
dung lƣợng của hệ thống. Mục đích của CoMP là làm cho các tín hiệu gây nhiễu từ
các tế bào khác trở thành tín hiệu có ích, đặc biệt là tại các vị trí ở biên của tế bào.

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 20


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thơng

Jiont Processing

Coordinated
beamforming
Coordinated scheduling

Hình 1.5. Kỹ thuật CoMP trong LTE-Advanced
Hình 1.5 mơ tả kỹ thuật CoMP, trong đó có các loại hình thức kết hợp khác nhau
nhƣ CP (Joint Processing), CS (Coordinated Scheduling), CB (Coordinated
Beamforming), và nhƣ vậy cách thức hoạt động cũng khác nhau. Trong trƣờng hợp
CP dữ liệu phát đến các UE thì có hiệu lực tại các điểm phát (eNodeB). Trong
trƣờng hợp CS và CB thì dữ liệu ln đƣợc phát từ một eNodeB.
* Kỹ thuật chuyển tiếp
LTE-Advanced hỗ trợ kỹ thuật chuyển tiếp nhằm mục đích mở rộng vùng phủ

sóng và nâng cao dung lƣợng của hệ thống. Trong trƣờng hợp sử dụng chuyển tiếp,
các UE bắt tay trực tiếp với các trạm chuyển tiếp, trong khi các trạm chuyển tiếp bắt
tay với donor-eNodeB. Trạm chuyển tiếp giao tiếp với eNodeB qua vô tuyến bằng
giao diện Un, các UE giao tiếp với trạm chuyển tiếp cũng qua giao diện Un.

Nguyễn Thanh Hùng

Trang 21


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thơng

Hình 1.6 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced
Hình 1.6 mơ tả kỹ thuật chuyển tiếp trong LTE-Advanced, trong đó mỗi eNodeB
có thể phục vụ một hoặc vài trạm chuyển tiếp, cũng nhƣ không sử dụng trạm
chuyển tiếp mà bắt tay thẳng với các UE. Một số tham số kỹ thuật của hệ thống
LTE-Advanced đƣợc tóm tắt trong bảng 1.3.
Bảng 1.3 Tham số chính của hệ thống LTE-Advanced [3]
Độ rộng băng

20MHz-100MHz

Song cơng

H-FDD, FDD, TDD

Tính di động
Đa truy nhập

MIMO


350km/h
Đƣờng xuống
Đƣờng lên

OFDMA
SC-FDMA

Đƣờng xuống

Lớn nhất 8x8

Đƣờng lên

Lớn nhất 4x8

Tốc độ dữ liệu đỉnh tại Đƣờng xuống

1000Mb/s

băng thông 100MHz

Đƣờng lên

Phƣơng thức điều chế

QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Hiệu quả sử dụng phổ


30bps/Hz (MIMO 8x8), 15bps/Hz (MIMO 4x4)

Độ trễ

10ms.

Nguyễn Thanh Hùng

500Mb/s

Trang 22


Luận văn cao học Kỹ thuật truyền thông

1.3.1.2 . Hệ thống WiMAX 802.16m
Hệ thống WiMAX 802.16m đƣợc phát triển bởi IEEE802.16 với mục đích
đẩy dữ liệu của WiMAX lên cao hơn và đáp ứng các yêu cầu của ITU-R về chuẩn
của hệ thống 4G. Hệ thống WiMAX 802.16m vẫn sử dụng kỹ thuật đa anten và kỹ
thuật đa truy nhập OFDMA với số lƣợng anten thu và phát nhiều hơn so với phiên
bản IEEE802.16e. Mơ hình tham chiếu cấu trúc mạng của hệ thống WiMAX
802.16m đƣợc thể hiện trong hình 1.7 và một số tham số của hệ thống đƣợc thể
hiện trong bảng 1.4.

Hình 1.7. Mơ hình hệ thống WiMAX 802.16m
Bảng 1.4 Một số tham số cơ bản của hệ thống WiMAX 802.16m[3]
Độ rộng băng

5MHz, 7MHz, 10MHz, 20MHz, 40MHz,100MHz


Song công

FDD, TDD, H-FDD

Tính di động
Đa truy nhập

Nguyễn Thanh Hùng

500km/h
Đƣờng xuống

OFDMA

Đƣờng lên

OFDMA

Trang 23