..

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

CAO THANH SƠN

TÌM HIỂU KỸ THUẬT THU PHÁT
TRONG 4G LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2014


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

CAO THANH SƠN

TÌM HIỂU KỸ THUẬT THU PHÁT
TRONG 4G LTE

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông
Mã số: CB110953

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM VĂN BÌNH

Hà Nội - Năm 2014

1

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G), tiên tiến hơn hẳn các thế hệ
trước đó, nó được tiêu chuẩn hố bởi IMT-2000, bắt đầu được phát triển tại Nhật
Bản vào tháng 10 năm 2001. Từ đó đến nay hệ thống thông tin di động 3G đã phát
triển một cách nhanh chóng và đóng một vai trị quan trọng trong việc phát triển các
loại dịch vụ đa phương tiện trong đó phải kể đến dịch vụ truyền hình (video). Tuy
nhiên hệ thống thông tin di động 3G vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao
của người sử dụng, các dịch vụ băng rộng ngày càng phát triển nhanh chóng, đặc
biệt là các dịch vụ yêu cầu thời gian thực như IPTV, hội nghị truyền hình (video
conference), vì vậy hệ thống thông tin di động 4G ra đời. Với mạng di động có tốc
độ truyền dữ liệu cao này (tốc độ tải xuống (download) đến 1Gbps), ta có thể lướt
web, nghe nhạc, tải dữ liệu đính kèm thư điện tử (email) chỉ trong chớp mắt, gởi
video độ nét cao (HD video) tới bất cứ nơi nào ta muốn, hoặc thực hiện các cuộc
gọi VoIP mà khơng gặp khó khăn gì, hay đăng tải (upload) ảnh dung lượng lớn lên
mạng mà khơng phải đợi lâu.
Do tính chất của mơi trường vơ tuyến, sóng vơ tuyến truyền qua kênh truyền
vơ tuyến sẽ lan tỏa trong khơng gian. Hiện tượng sai lạc tín hiệu thu do tác động của
môi trường truyền dẫn, như: do sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống
sóng ngắn, sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù, sự
khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật độ không khí, sự phản xạ sóng từ bề
mặt trái đất, sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền...
gọi là hiện tượng fading. Trong đó, hiện tượng va chạm vào các vật cản phân tán rải
rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông, núi, biển,… sẽ gây ra
các hiện tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ. Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo
ra vơ số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được máy thu. Do các bản sao

này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn
khác nhau nên thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau (tức là độ trễ


2
pha giữa các thành phần này là khác nhau) và các bản sao sẽ suy hao khác nhau (tức
là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau). Tín hiệu tại máy thu là tổng của
tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các bản sao mà tín hiệu tại
máy thu được tăng cường hay bị suy giảm. Tín hiệu thu được tăng cường khi các
bản sao đồng pha. Tín hiệu thu bị triệt tiêu khi các bản sao ngược pha. Hiện tượng
suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu trong trường hợp này được gọi là hiện
tượng fading đa đường (Multipath Fading). Do ảnh hưởng của hiện tượng fading đa
đường, chất lượng tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ thấp hơn so với tín hiệu tại
máy phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông.
Tùy theo mức độ của fading đa đường ảnh hưởng tới đáp ứng tần số của mỗi
kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading
channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh
truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow
fading channel). Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân
bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay
Ricean.
Đối với kênh truyền chọn lọc tần số, fading xảy ra khi băng tần của tín hiệu
lớn hơn băng thơng của kênh truyền. Do đó, hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng
băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của fading này. Tác
hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu liên kí tự (ISI). Nó tác động lên các tần
số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như
flat fading là khơng thể. Để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp như:
phân tập không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và phân tập thời gian (truyền tại
nhiều thời điểm khác nhau); sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là
OFDM…

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của
cùng một tín hiệu truyền. Giúp cải thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do
fading nhờ việc kết hợp tín hiệu thu đa đường đến từ cùng một nguồn phát, nhằm
tăng chất lượng truyền tin trong hệ thống thông tin di động 4G mà không cần tăng


3
công suất phát hay độ rộng băng thông. Sử dụng phân tập trong antenna (ví dụ như
MIMO) là một kỹ thuật tiên tiến và lợi ích của nó là khá lớn như làm giảm BER,
tăng tốc độ phát, sử dụng 2 anten phát có thể tăng lên 3dB. Cơng nghệ MIMO trong
LTE giống như ghép kênh không gian, phân tập truyền dẫn và điều hướng chùm
sóng (beamforming) là các thành phần quan trọng cho việc cung cấp tỉ số đỉnh cao
hơn, và hiệu năng của hệ thống sẽ tốt hơn, đây là các yếu tố cơ bản để hỗ trợ dịch
vụ dữ liệu băng rộng trong tương lai qua môi trường mạng không dây.
Từ những vấn đề nêu trên cùng với xu thế phát triển của hệ thống thông tin
di động hiện nay, tơi chọn đề tài: “Tìm hiểu kỹ thuật thu phát trong 4G LTE”.
Trong đó, tơi trình bày những kỹ thuật 4G LTE như: kỹ thuật điều chế OFDM, kỹ
thuật phân tập. Kỹ thuật phân tập trong 4G có ý nghĩa quan trọng, nhằm tăng chất
lượng truyền tin mà không cần tăng công suất phát hay độ rộng băng thơng sẽ góp
phần nâng cao chất lượng dịch vụ. Do tính chất đặc biệt này nên trong chương 4 tôi
thực hiện mô phỏng các kỹ thuật phân tập.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đề tài tiến hành tìm hiểu kỹ thuật thu phát trong 4G LTE, trong đó chú trọng
nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM và kỹ thuật phân tập nhằm nâng cao chất
lượng trong hệ thống thông tin di động 4G LTE; phân tích, so sánh, đánh giá các
phương pháp phân tập; sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng các phương pháp
phân tập, từ đó đưa ra các nhận xét và chọn ra phương pháp phân tập tối ưu ứng với
từng điều kiện cụ thể.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu về hệ thống thơng tin di động 4G LTE.

- Nghiên cứu các kỹ thuật thu phát trong 4G LTE, chú trọng kỹ thuật điều
chế OFDM và kỹ thuật phân tập.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Thu thập, phân tích các tài liệu và thơng tin liên quan đến đề tài.


4
- Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật thu phát trong 4G LTE, trong đó chú
trọng nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM và kỹ thuật phân tập.
- Sử dụng phương pháp mô phỏng lý thuyết về kỹ thuật phân tập để kiểm
chứng lý thuyết và đưa ra nhận xét, so sánh các kỹ thuật phân tập, tìm ra kỹ thuật
phân tập tối ưu cho từng điều kiện cụ thể.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Hệ thống thông tin di động 4G (LTE/LTE-Advance) đang được nghiên cứu
và triển khai tại một số nước trên thế giới do tính ưu việt của nó. Trong thời đại mà
các dịch vụ yêu cầu chất lượng cao phát triển nhanh chóng thì việc nghiên cứu các
kỹ thuật thu phát trong 4G LTE, đặc biệt là kỹ thuật điều chế OFDM và kỹ thuật
phân tập nhằm tăng chất lượng truyền tin trong hệ thống thông tin di động 4G mà
không cần tăng công suất phát hay độ rộng băng thông sẽ góp phần lớn trong việc
giải quyết các vấn đề về chất lượng dịch vụ.
6. KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN
Luận văn gồm các phần chính sau đây:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G (LTE và LTEAdvanced).
Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ
thành phần đề xuất cho LTE và LTE-Advanced.
Chương 2:

Đặc tính kênh truyền và kỹ thuật OFDM
Trình bày các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề cơ bản
của kỹ thuật OFDM, các thành phần của hệ thống OFDM và

ưu, nhược điểm của kỹ thuật này, một số biểu thức mơ tả tín
hiệu thu, phát, biểu thức kênh truyền block-fading trong kỹ
thuật OFDM, làm cơ sở cho việc mô phỏng.

Chương 3:

Các kỹ thuật phân tập.
Trình bày các kỹ thuật phân tập thu và phân tập phát.


5
Chương 4:

Kết quả mô phỏng các kỹ thuật phân tập.
Giới thiệu các lưu đồ thuật tốn chương trình mơ phỏng và các
kết quả mô phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng hệ thống
khi sử dụng các kỹ thuật phân tập. Tính ra giá trị BER và mối
tương quan với SNR. Từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá từng kỹ
thuật thông qua các kết quả mô phỏng.


6

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G
(LTE VÀ LTE-ADVANCED)
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Hệ thống thông tin di động 4G LTE và LTE-Advance đang phát triển nhanh
chóng, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải

nghiệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa.
Kèm theo đó, ngành cơng nghệ viễn thơng cũng phát triển không ngừng với tốc độ
thay đổi công nghệ cao nhất, nhanh nhất. Ngồi cơng nghệ mạng lõi thì cơng nghệ
đầu cuối hiện nay đã phát triển thay đổi từng ngày địi hỏi các cơng ty, doanh
nghiệp phải kịp thời nắm bắt và triển khai, nếu không sẽ bị chậm trễ và tụt hậu. Do
đó, trong chương này chúng ta tìm hiểu về ngun lý, kiến trúc của cơng nghệ LTE
và LTE-Advanced.
1.2. CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ VIỄN THƠNG DI
ĐỘNG
Sự phát triển cơng nghệ viễn thơng di động có thể tóm tắt những cột mốc
chính sau đây:
Cơng nghệ di động 1G ra đời vào khoảng thời gian năm 1980 dựa trên công
nghệ FDMA; tiếp đến công nghệ di động 2G ra đời vào khoảng thời gian năm 1990
dựa trên công nghệ TDMA; công nghệ di động 3G ra đời vào khoảng thời gian năm
2000 dựa trên công nghệ WCDMA; công nghệ di động 4G ra đời trong khoảng thời
gian từ năm 2009 đến nay, đã qua giai đoạn triển khai thử nghiệm ban đầu và hiện
nay đang triển khai tại một số nước, dựa trên công nghệ OFDM, SDMA- tức là
công nghệ LTE – LTE ADVANCE.
LTE mô tả cơng việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy
nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông di động. LTE là bước tiếp
theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G. Hệ thống này được kỳ vọng có những


7
tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với hệ thống thơng tin
di động 3G trước đó.
1.3. CƠNG NGHỆ LTE
1.3.1. Giới thiệu
LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS
thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên tồn thế giới. Để đảm bảo

tính cạnh tranh cho hệ thống này, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác
định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi LTE.
3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thơng tin,
cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới,
đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu
thụ ở thiết bị đầu cuối.

FDMA(1G)
e.g AMPS,
~1980

TDMA(2G)
e.g GSM, ~1990
50Kbps

CDMA(3G)
e.g W-CDMA, ~2000
~14Mbps(DL)
~5.8Mbps(UL)

OFDM,SDMA(4G)
e.g WiMAX,LTE,
~2010
~1Gbps(Stationary)
~100Mbps(Mobile)

Hình 1.1. Sự phát triển của cơng nghệ viễn thông di động
1.3.2. Các chuẩn của công nghệ LTE
Tốc độ: tốc độ đường truyền xuống (Downlink) cao nhất ở băng thơng 20MHz
có thể lên đến 100Mbps, cao hơn từ 3-4 lần so với công nghệ HSDPA (3GPP

Release 6) và tốc độ đường truyền lên (Uplink) có thể lên đến 50Mbps, cao hơn từ


8
2-3 lần so với công nghệ HSUPA (3GPP Release 6) với 2 anten thu và 1 anten phát
ở thiết bị đầu cuối.
Độ trễ: Thời gian trễ tối đa đối với dịch vụ người dùng phải thấp hơn 5ms.
Độ rộng băng thơng linh hoạt: Có thể hoạt động với băng thơng 5MHz,
10MHz, 15MHz và 20MHz, thậm chí nhỏ hơn 5MHz như 1,25MHz và 2,5MHz.
Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/giờ, vẫn hoạt động tốt với tốc
độ di chuyển từ 15-120km/giờ, thậm chí lên đến 500km/giờ tùy băng tần.
Phổ tần số: Hoạt động theo chế độ phân chia theo tần số hoặc chế độ phân chia
theo thời gian. Độ phủ sóng từ 5-100km (tín hiệu suy yếu từ km thứ 30), dung lượng
hơn 200 người/cell (băng thông 5MHz).
Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các
thiết bị. VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ
gần như khơng có) thơng qua các mạng chuyển mạch UMTS.
Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và
các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo. Thời gian trễ trong việc
truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời
gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ cịn lại.
Chi phí: Chi phí triển khai và vận hành giảm.
Để đạt được các mục tiêu trên, LTE sẽ phải sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA
cho hướng xuống và SC-FDMA cho hướng lên. Thêm vào đó là sử dụng anten
MIMO cũng là một yêu cầu tất yếu. Chế độ hoạt động của LTE gồm FDD và TDD.
LTE TDD hay TD-LTE cung cấp bước tiến triển dài hạn cho các mạng dựa trên kỹ
thuật TD-SCDMA.
Bảng 1.1. Các phiên bản của cơng nghệ LTE
Phiên bản


Thời điểm

Tính năng chính / Thơng tin

hồn tất
Release 99 Q 1/2000

Giới thiệu UMTS và WCDMA.

Release 4

Bổ sung một số tính năng như mạng lõi dựa trên IP
và có những cải tiến cho UMTS.

Quí 2/2001


9

Release 5

Quí 1/2002

Release 6

Quí 4/2004

Release 7

Quí 4/2007


Release 8

2008

Giới thiệu IMS và HSDPA
Kết hợp với Wireless LAN, thêm HSUPA và các tính
năng nâng cao cho IMS như PoC.
Tập trung giảm độ trễ, cải thiện chất lượng dịch vụ và
các ứng dụng thời gian thực như VoIP. Phiên bản này
cũng tập trung vào HSPA+ (High Speeed Packet
Evolution) và EDGE Evolution.
Giới thiệu LTE và kiến trúc lại UMTS như là mạng
IP thế hệ thứ tư hồn tồn dựa trên IP.

Hình 1.2. Sơ đồ mô tả lưu lượng và phạm vi sử dụng các cơng nghệ truyền thơng
1.3.3. Kiến trúc LTE
Dựa vào tính năng khác nhau của các phần tử, mạng di động có thể được
phân thành 2 phần: phần mạng truy nhập vô tuyến và phần mạng lõi. Các tính năng
như điều chế, chuyển giao,… thuộc về phần truy nhập, trong khi các tính năng khác
như tính cước, quản lý di động,… thì thuộc về phần mạng lõi. Trong LTE, mạng
truy nhập vô tuyến là E-UTRAN và mạng lõi là EPC.


10

Hình 1.3. Kiến trúc LTE Release 8.
1.3.3.1. Mạng truy nhập vô tuyến
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 thời gian thực, sẽ được

cung cấp qua các kênh chuyển mạch gói. Điều này làm gia tăng hiệu quả phổ tần và
làm tăng dung lượng hệ thống so với các hệ thống UMTS và HSPA hiện tại. Một
kết quả quan trọng của việc dùng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp
tốt hơn giữa tất cả các dịch vụ đa phương tiện và giữa các dịch vụ di động và dịch
vụ cố định.
Các chức năng của mạng truy nhập vơ tuyến bao gồm:
- Mã hóa, ghép xen, điều chế và các chức năng lớp vật lý điển hình khác.
- ARQ, nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác.
- Các chức năng an ninh (mật mã hóa và bảo vệ tính tồn vẹn).


11
- Các chức năng quản lí tài nguyên, chuyển giao và các chức năng điều khiển
tài nguyên vô tuyến điển hình khác.
Hình 1.3 cho thấy tổng quan mạng truy nhập vô tuyến LTE RAN với các nút
và giao diện. Khác với WCDMA/HSPA RAN, LTE RAN chỉ có 1 kiểu nút. Như
vậy trong LTE khơng có nút tương đương với RNC. Lý do chủ yếu là khơng có hỗ
trợ phân tập vĩ mô đường lên, đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng
và triết lý là giảm thiểu số lượng nút.
Một trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong các mạng truy nhập
WCDMA/HSPA, nó được gọi là eNodeB (Enhanced NodeB). eNodeB chịu trách
nhiệm cho một tập các ô. Tương tự như nodeB trong kiến trúc WCDMA/HSPA
không cần sử dụng cùng 1 trạm anten. eNodeB thừa hưởng các chức năng của RNC.
eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến của 1 ô, các quyết định
chuyển giao, lập biểu cho cả đường lên và đường xuống trong các ô của mình.
Chức năng của eNodeB:
- Chức năng quản lý tài ngun vơ tuyến.
- Nén IP header và mã hố dịng dữ liệu người sử dụng.
- Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập.
- Bảo đảm chất lượng dịch vụ.

- Thực hiện các cuộc chuyển giao với các thiết bị di động UE.
Giao diện giữa eNodeB với mạng lõi và với các eNodeB khác:
- eNodeB được nối tới mạng lõi thông qua giao diện S1. Giao diện S1 giống
như giao diện Iu nối giữa mạng lõi và RNC trong WCDMA/HSPA.
- Giữa các eNodeB có giao diện X2 giống như giao diện Iur trong
WCDMA/HSPA. Giao diện X2 chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ di động chế độ tích
cực.
1.3.3.2. Mạng lõi
Mạng lõi mới là sự tiến hóa hồn tồn của hệ thống 4G, và nó chỉ hỗ trợ
miền chuyển mạch gói. Bởi vậy, nó có tên gọi mới là EPC.


12
Mạng lõi cũng tuân theo triết lý giảm thiểu số lượng nút giống như ở EUTRAN. EPC phân chia các luồng dữ liệu người dùng vào trong mặt bằng điều
khiển và mặt bằng dữ liệu.
EPC bao gồm nhiều thực thể chức năng sau:
- Thực thể quản lý di động (MME: Mobility Management Entity): thực thi
cho các chức năng ở mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý
phiên, cụ thể là:
+ Cung cấp tín hiệu cho phép truy nhập mạng và các khía cạnh an ninh.
+ Chọn chế độ tích cực thấp cho thiết bị người sử dụng khi khơng làm
việc.
+ Theo dõi quản lí danh sách các thuê bao trong khu vực.
+ Chuyển vùng.
+ Nút SGSN hỗ trợ các thuê bao 2G, 3G truy nhập mạng LTE.
+ Trung tâm nhận thực.
- Cổng dịch vụ (Serving Gateway): là điểm kết thúc sự truy nhập từ mạng
truy nhập vơ tuyến E-UTRAN. Các chức năng chính bao gồm:
+ Là nút hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong
quá trình thiết bị di động di chuyển.

+ Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP.
+ Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn
rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu
dịch vụ.
+ Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink.
+ Tính tốn chi phí của người dùng.
+ Cho phép cấp quyền truy nhập.
+ Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói.
+ Hỗ trợ việc tính cước.
- Cổng mạng dữ liệu gói (PDN Gateway): là điểm kết cuối cho các phiên
hướng đến mạng dữ liệu gói bên ngồi. Các chức năng chính bao gồm:


13
+ Thực thi chính sách, mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ
khác nhau.
+ Tính phí hỗ trợ.
+ Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink.
+ Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập.
+ Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP.
+ Phân loại các gói.
+ Có chức năng như DHCP trong 3G.
1.3.4. Cơ chế truyền dẫn
Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều các
công nghệ đa truy nhập, cụ thể: đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho đường
xuống (OFDMA), và đa truy nhập phân chia tần số - đơn sóng mang (SC-FDMA)
cho đường lên.
1.3.4.1. Truyền dẫn đường xuống
Cốt lõi của truyền dẫn vô tuyến đường xuống trong LTE là ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao (OFDM) với dữ liệu được truyền đi trên một số lượng lớn

các sóng mang con băng hẹp song song. OFDM cung cấp nhiều ưu điểm, đó là hiệu
quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ
thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số
lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng).
Bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nhiều sóng mang, thời gian của ký tự
sẽ dài hơn độ trải trì hỗn của kênh (delay spread). Vì thời gian ký tự OFDM tương
đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ độ
mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency selectivity). Mặc dù
trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số có thể được
kiểm sốt bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắt
đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết bị đầu cuối di
động tại băng thông trên 5 MHz. Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc


14
chống lại fading lựa chọn tần số sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống,
đặc biệt khi được kết hợp với ghép kênh không gian (spatial multiplexing).
1.3.4.2. Truyền dẫn đường lên
Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương thức
điều chế hơi khác một chút. Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR cao, điều
này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng
nhúng trong UE, đó là khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch
đại cơng suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng bắt được (pick up).
Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn
nhất trong một thiết bị, và vì thế nên có hiệu quả công suất cao càng cao càng tốt để
làm tăng tuổi thọ pin của máy.
Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối với
các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại cơng suất nên tiêu thụ càng ít năng
lượng càng tốt. Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càng
thấp thì thời gian hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định càng dài.

Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một
PAPR tốt (thấp) hơn, là SC-FDMA. Việc sử dụng phương thức SC-FDMA sẽ cho
PAPR nhỏ hơn so với OFDM dẫn đến tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu cuối ít hơn,
tăng tính di động cho thiết bị. Vì vậy nó được 3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng
lên.
1.4. CƠNG NGHỆ LTE-ADVANCED
LTE-Advanced là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ
dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản Release 10, nhằm
đáp ứng những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di động 4G.
1.4.1. Các yêu cầu của LTE-Advanced
- Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến 40 MHz.
- Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz).


15
- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử
sử dụng MIMO 4x4).
- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6.75 b/s/Hz (giả sử sử
dụng MIMO 4x4).
- Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1.5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s
thường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G).
1.4.2. Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced
1.4.2.1. Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần.
Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được
thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với
những gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên
đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced. Việc mở rộng độ
rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ. Điều
này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều
sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng

cần thiết. Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện
như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể
khai thác tồn bộ độ rộng băng khối kết tập.
Hình 1.4 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc
dù ở khía cạnh băng gốc, điều này khơng phải là điều kiện tiên quyết. Truy nhập
đến một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz khơng thể có thường xuyên. Do đó,
LTE-Advanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần khơng liền kề để
xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau khơng sẵn có.
Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía
cạnh thực thi. Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì
sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất.


16

Hình 1.4. Ví dụ về khối tập kết sóng mang
Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn
khơng chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc
mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình.
1.4.2.2. Giải pháp đa anten mở rộng
Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không
gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục
đóng một vai trị quan trọng hơn trong LTE-Advanced. Thiết kế đa anten LTE hiện
tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng
ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã. Cấu trúc này cung cấp
cả sự ghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s
cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã). Kết hợp với nhau trên độ rộng băng
toàn phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh
là 1.5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced. Có thể thấy trước rằng hỗ
trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced.

Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có
thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở
rộng băng tần.
1.4.2.3. Truyền dẫn đa điểm phối hợp
Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể
về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối. Định dạng chùm
là một cách. Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối


17
đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về
chi phí. Mơ hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với q trình xử lí băng gốc ở
một nút đơn được mơ tả ở Hình 1.5. Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền
dẫn từ đa điểm truyền dẫn. Phụ thuộc vào quy mơ mở rộng, có 3 phương án A, B, C
như sau:
Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từ
nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý. Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở
bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm. Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường
truyền đang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ
thể. Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn
đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE)
phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh. Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối
hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết quả
là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải trọng
nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại cơng suất ở trạng thái rỗi.

Hình 1.5. Truyền dẫn đa điểm phối hợp
Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái
kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu
cuối riêng, trong khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn



18
điểm. Ở phía mạng, bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực
hiện phối hợp các hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở các điểm truyền dẫn khác
nhau. Có thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo khơng gian đến một thiết bị
riêng để giảm can nhiễu giữa những người sử dụng. Loại truyền dẫn đa điểm phối
hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ở trên
nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó cịn cho phép phối hợp
can nhiễu giữa những người sử dụng để cải thiện hơn nữa SNR. Bởi vì thiết bị đầu
cuối khơng nhận biết việc xử lí chính xác ở mạng nên cần có các tín hiệu tham
chiếu UE cụ thể.
Ở phương án C, báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B. Tuy
nhiên, không giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biết
truyền dẫn phối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao
nhiêu,...). Thơng tin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía
thiết bị đầu cuối.
Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính địi hỏi cách áp dụng xử lí tín
hiệu thích đáng ở bộ thu. Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn,
vốn đã sử dụng trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay.
1.5. SO SÁNH LTE VÀ LTE-ADVANCED
Bảng 1.2 là sự so sánh tổng quát các yêu cầu về tốc độ, băng thơng, tính
năng di động, vùng phủ sóng và dung lượng của LTE và LTE-Advanced.
Bảng 1.2. So sánh các yêu cầu của LTE và LTE-Advanced
Công nghệ
Tốc độ dữ liệu đỉnh
đường xuống
Tốc độ dữ liệu đỉnh
đường lên
Băng thông truyền dẫn

đường xuống

LTE

LTE-Advanced

150 Mbit/s

1 Gbit/s

75 Mbit/s

500 Mbit/s

20 MHz

100 MHz


19

Băng thơng truyền dẫn

20 MHz

đường lên
Tính di động

40 MHz


- Hoạt động tối ưu với tốc - Tương tự như LTE
độ thấp (< 15 km/hr)
- Vẫn hoạt động tốt ở tốc
độ đến 120 km/hr
- Vẫn duy trì được hoạt
động ở tốc độ đến 350
km/hr

Vùng phủ sóng

- Lên đến 5 Km

- Tương tự như yêu cầu
của LTE
- Nên được tối ưu cho các
môi

trường

vùng

nội

hạt/micro cell
Dung lượng

- Cell với 200 người dùng - Gấp 03 lần LTE
hoạt động trong 5 MHz

1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này đã trình bày tổng quan về cấu trúc, các chuẩn về băng
thông, tốc độ, các yêu cầu và các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE và LTEAdvanced. So với cơng nghệ LTE, cơng nghệ LTE-Advanced có yêu cầu cao hơn
về tốc độ, băng thông, dung lượng, …. Đây là cơng nghệ chính trong hệ thống
thơng tin di động 4G.


20

CHƯƠNG 2

ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÀ KỸ THUẬT OFDM
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là kỹ thuật được
sử dụng phổ biến trong hệ thống thơng tin di động 4G. Nó cho phép truyền dữ liệu
tốc độ cao và hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số. Chương này sẽ
trình bày các đặc tính kênh truyền và ngun lý, mơ hình hệ thống kỹ thuật OFDM
cũng như ưu, nhược điểm của kỹ thuật OFDM.
2.2. ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN
2.2.1. Sự suy hao
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, khơng khí, và bi vật chắn, bị phản
xạ từ mặt đất. Suy hao truyền dẫn phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm
ngay cả thuê bao di chuyển ở tốc độ cao. Cơng thức tính cơng suất thu được sau khi
truyền qua một khoảng cách d:

 λ 
PR = PT GT GR 

 4π d 
Trong đó:

PR: Cơng suất tín hiệu thu được (W)
PT: Cơng suất phát (W)
GR: Độ lợi anten thu
GT: Độ lợi anten phát
λ: Bước sóng của sóng mang

2

(2.1)


21
2.2.2. Hiện tượng fading
2.2.2.1. Giới thiệu
Hiện tượng sai lạc tín hiệu thu do tác động của môi trường truyền dẫn, như:
do sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn, sự hấp thụ gây bởi
các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù, sự khúc xạ gây bởi sự không đổng
đều của mật độ không khí, sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, sự phản xạ, tán xạ và
nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền... gọi là hiện tượng fading. Trong
đó, hiện tượng va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe
cộ, nhà cửa, công viên, sông, núi, biển,… sẽ gây ra các hiện tượng phản xạ, tán xạ,
nhiễu xạ,… làm suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu gọi là hiện tượng fading đa
đường (Multipath Fading).
- Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích
thước rất lớn so với bước sóng.
- Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi
một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nó thường
được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu
ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua.
- Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm

cho năng lượng bị trải ra hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong môi trường
thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá.
Tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị
suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Hiện tượng fading khiến tín hiệu bị
thay đổi thất thường và rất nhanh chóng gây ra sự suy giảm về chất lượng, điều này
ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin di động. Các fading khá phổ biến
trong thông tin vô tuyến là fading Rayleigh và fading Ricean.


22

Tán xạ

Phản xạ

Truyền thẳng
Nhiễu xạ
Che khuất

Trạm gốc

Trạm di động
Tán xạ

Hình 2.1. Hiện tượng đa đường trong thông tin di
2.2.2.2. 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 khơng tồn tại đường truyền thẳng (light-ofsight). Tín hiệu truyền theo đường thẳng có cơng suất vượt trội so với các tín hiệu
truyền trên các đường khác. 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.
Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean:

(2.2)


23
Trong đó:
A là biên độ đỉnh của thành phần truyền thẳng.
I0 là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0 được định nghĩa:

(2.3)

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số K được định nghĩa như là tỉ
số giữa cơng suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các
thành phần đa đường:

K=

A2
2σ 2

(2.4)

Hay viết dưới dạng dB:
K (dB) = 10 log

A2
dB

2σ 2

(2.5)

2.2.2.3. Fading Rayleigh
Nếu kênh truyền không tồn tại đường truyền thẳng (A = 0), đường bao tín
hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được gọi là kênh
truyền fading Rayleigh. Khi đó tín hiệu nhận được tại máy thu chỉ là tổng hợp của
các thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và tán xạ.
Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh :

(2.6)