ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG LTE-ADVANCED
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG LTE-ADVANCED
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1………………………………………………………………………..1
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG……………………………………… 1
VÀ TỔNG QUAN VỀ LTE-ADVANCED………………………………………..1
1.1Giới thiệu chương……………………………………………………………… 1
1.2Sự phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G…………..………...…..1
1.2.1 Mạng thông tin di động 2G…………………...……………………………….1
1.2.2 Mạng thông tin di động 3G………………………...………………………….2
1.2.3 Mạng di động tiền 4G-LTE (3,9G)…………………………………………....3
1.2.4 Mạng thông tin di động 4G…………………………………………………… 4
1.3 Tổng quan về LTE-Advanced (Long Term Evolution- Advanced)……………..4
1.3.1 Yêu cầu thiết kế của LTE-Advanced………………………………………….5
1.3.1.1 Các thông số chính…………………………………………………………..5
1.3.1.2 Kiến trúc mạng của LTE-Advanced…………………………………….......6
1.3.2 Các kỹ thuật nổi bậc được sử dụng trong LTE-Advanced……………….........7
1.3.2.1 Kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)……..7
1.3.2.2 Kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access)..8
1.3.2.3 Kỹ thuật MIMO tiên tiến…………………………………………………....8
1.3.2.4 Kỹ thuật kết tập sóng mang (Carrier Aggregation)…………………….........8
1.3.2.5 Truyền dẫn đa điểm phối hợp (Coordinated Multi-Point Transmission ) …..9
1.3.3 So sánh giữa LTE và LTE-Advanced………………………………………..10
1.4 Kết luận chương………………………………………………………………..11
CHƯƠNG 2……………………………………………………………………….12
KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG XUỐNG…………………………….… 12
VÀ ĐƯỜNG LÊN TRONG LTE-ADVANCED……………………………......12
2.1 Giới thiệu chương……………………………………………………………...12
2.2 Kỹ thuật đa truy cập đường xuống……………………………………………..12
2.2.1 Giới thiệu chung về OFDMA………………………………………………..12
2.2.1.1 Chức năng của từng khối………………………………………………......13
2.2.1.2 Truyền tín hiệu giữa các khối trong OFDMA……………………………...14
2.2.2 Các đặc điểm nổi bậc của kỹ thuật OFDMA…………………………….......15
2.2.2.1 Sử dụng bộ FFT và IFFT…………………………………………………..15
2.2.2.2 Phương pháp chống nhiễu liên kí tự……………………………………….16
2.2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của điều chế trong OFDMA……………………..18
2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDMA……………………………...19
2.2.3.1 Ưu điểm…………………………………………………………………….19
2.2.3.2 Nhược điểm………………………………………………………………...21
2.3 Kỹ thuật đa truy cập cho đường lên…………………………………………… 22
2.3.1 Sơ lược về kỹ thuật SC-FDMA……………………………………………… 22
2.3.2 Cấu trúc hệ thống SC-FDMA……………………………………………......22
2.3.2.1 Chức năng của từng khối………………………………………………......23
2.3.2.2 Đường truyền tín hiệu trong SC-FDMA……………………………….......23
2.3.3 Các đặc trưng của SC-FDMA……………………………………………......25
2.3.3.1 Ánh xạ sóng mang con…………………………………………………….25
2.3.3.2 So sánh giữa OFDMA và SC-FDMA……………………………………...28
2.3.4 Các ưu điểm và nhược điểm của SC-FDMA…………………………….......29
2.3.4.1 Ưu điểm…………………………………………………………………… 29
2.3.4.2 Nhược điểm………………………………………………………………..30
2.4 Kết luận chương………………………………………………………………..30
CHƯƠNG 3……………………………………………………………………….31
KỸ THUẬT KẾT TẬP SÓNG MANG TRONG LTE-ADVANCED…………31
3.1 Giới thiệu chương……………………………………………………………...31
3.2 Mục đích thiết kế và đặc điểm của kỹ thuật kết tập sóng mang………….........31
3.2.1 Mục đích thiết kế…………………………………………………………….31
3.2.2 Các hình thức của kỹ thuật kết tập sóng mang trong miền tần số…………… 32
3.2.3 Các chiến lược triển khai cho kỹ thuật kết tập sóng mang…………………..33
3.2.4 Kỹ thuật kết tập sóng mang trong các lớp cao hơn trong LTE-Advanced…...36
3.2.4.1 Quản lý cell………………………………………………………………...37
3.2.4.2 Quản lý di động với kỹ thuật kết tập sóng mang…………………………..38
3.2.4.3 Kích hoạt, khử kích hoạt cell trong kết tập sóng mang………………........38
3.2.5 Xét kỹ thuật kết tập sóng mang trong lớp vật lý của LTE-Advanced……….39
3.2.5.1 Thiết kế điều khiển đường xuống trong lớp vật lý…………………….......39
3.2.5.2 Thiết kế điều khiển đường lên trong lớp vật lý…………………………….41
3.3 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật kết tập sóng mang……..……………….42
3.3.1 Ưu điểm……………………...……………………………………………… .42
3.3.2 Nhược điểm…………………………………………………………...……...42
3.4 Kết luận chương……………………………………………………………… ..42
CHƯƠNG 4……………………………………………………………………….43
ĐÁNH GIÁ CHỈ SỐ PAPR TRONG HỆ THỐNG LTE-ADNVACED……… 43
4.1 Giới thiệu chương……………………………………………………………...43
4.2 Cơ sở lý thuyết………………………………………………………………....43
4.3 Mô phỏng……………………………………………………………………....44
4.3.1 Lưu đồ thuật toán mô phỏng PAPR trong OFDMA………………………… 45
4.3.2 Lưu đồ thuật toán mô phỏng PAPR trong kĩ thuật SC-FDMA……………… 46
4.3.3 Kết quả mô phỏng…………………………………………………………..47
4.3.3.1 Kết quả mô phỏng dưới phương pháp điều chế 64QAM…………………..47
4.3.3.2 Kết quả mô phỏng dưới phương pháp điều chế QPSK……………….........48
4.4 Kết luận chương………………………………………………………………..48
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
Hệ thống thông tin di động trên thế giới phát triển không ngừng, nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao của người dùng. Hệ thống LTE-Advanced có thể coi là hệ thống tiên tiến nhất hiện nay, nó đã được một số nước trên thế giới triển khai xây dựng và thương mại hóa. Với tính tương đồng với các thế hệ trước đặc biệt là thế hệ tiền 4G (LTE), LTE-Advanced đang chiếm ưu thế trong cuộc đua với WirlessMAN-Advanced để trở thành công nghệ được ứng dụng rộng rãi cho 4G. LTE-Advanced đã có những cải tiến đáng kể so với thế hệ tiền 4G (LTE) cũng như các thế hệ trước nó, ví dụ như về băng thông cũng như tốc độ dữ liệu.
Đồ án này trình bày về một số kĩ thuật nổi bậc được sử dụng trong hệ thống LTE-Advanced. Nội dung đồ án bao gồm 4 chương :
Chương 1 : Lịch sử phát triển mạng di động và tổng quan về LTE-Advanced
Chương này đã giới thiệu về sự ra đời và phát triển của các thế hệ thông tin di động. Khái quát được các đặc điểm nổi bậc của LTE-Advanced.
Chương 2 : Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-Advanced
Trình bày chi tiết về hai kỹ thuật đa truy cập đường xuống (OFDMA ) và kỹ thuật đa truy cập đường lên (SC-FDMA ). Qua đó, chúng ta có thể thấy được các ưu nhược điểm của từng phương pháp. Đây là hai kỹ thuật đã được sử dụng trong gian đoạn tiền 4G với công nghệ LTE.
Chương 3 : Kỹ thuật kết tập sóng mang (Carrier Aggregation ) trong LTE-Advanced
Trong chương 3 chúng ta sẽ tìm hiểu một kỹ thuật hoàn toàn mới đã được đưa vào ứng dụng trong LTE-Advanced đó là kỹ thuật kết tập sóng mang. Đây là kỹ thuật mang tính đặc trưng nhất trong LTE-Advanced bởi vì nhờ nó mà LTE-Advanced sẽ đạt được những đặc điểm kỹ thuật vượt bậc như băng thông, tốc độ truyền dữ liệu để phù hợp với những yêu cầu của ITU đưa ra cho mạng 4G.
Chương 4 : Đánh giá chỉ số PAPR trong hệ thống LTE-Advanced
Chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về chỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Averrage Power Ratio) của hai phương pháp OFDMA và SC-FDMA. Bằng mô phỏng matlab, chúng ta đã biết được tại sao LTE-Advanced vẫn tiếp tục sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho đa truy cập đường lên.
Trong quá trình hoàn thành đồ án này, tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn
còn nhiều thiếu sót. Rất mong quý thầy cô chỉ bảo thêm.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông, đặc
biệt là thầy Tăng Tấn Chiến đã nhiệt tình hướng dẫn để em hoàn thành tốt đồ án này.
CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG XUỐNG
VÀ ĐƯỜNG LÊN TRONG LTE-ADVANCED
2.1 Giới thiệu chương
Để hiểu rõ hơn về hai kỹ thuật đa truy cập đường xuống (OFDMA) và đa truy cập đường lên SC-FDMA, trong chương này chúng ta sẽ đi sâu phân tích đánh giá các ưu nhược điểm của hai kỹ thuật này.
2.2 Kỹ thuật đa truy cập đường xuống
2.2.1 Giới thiệu chung về OFDMA
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : đa truy cập phân chia theo tần số trực giao đã được LTE-Advanced sử dụng cho đa truy cập đường xuống.
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống OFDMA
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song(S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC ) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT.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 do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường..Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng (Additive White Gaussian Noise-AWGN),…
Bên phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A 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 (khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Sau cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp.
2.2.1.1 Chức năng của từng khối
- Khối S/P : chuyển đổi các luồng dữ liệu bit nhị phân từ nối tiếp thành song song để giảm tốc độ đưa vào bộ điều chế .
- Khối FFT và IFFT : Khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.
Hình 2.2 Sơ đồ khối FFT và IFFT
- Khối chèn khoảng bảo vệ nó có chức năng chèn các khoảng bảo vệ giữa các symbol trong OFDM để tránh nhiễu liên kí tự.
- Khối P/S : khối này có nhiệm vụ ghép các giá trị thực thu được thành một chuỗi theo đúng thứ tự ban đầu. khi ta ghép tất cả giá trị thực này trên miền thời gian nó sẽ tạo thành 1 đường bao tín hiệu OFDMA.
Hình 2.3 Đường bao tín hiệu OFDMA
2.2.1.2 Truyền tín hiệu giữa các khối trong OFDMA
Hình 2.4 Sơ đồ truyền dữ liệu trong khối OFDMA
Tín hiệu được truyền từ máy phát qua bộ S/P chuyển thành N chuỗi tín hiệu song song,sau đó từng chuỗi tín hiệu con này qua mỗi bộ điều chế,ngõ ra các bộ điều chế sẽ thu được một chuỗi số phức X0,X1,…,XN-1. Chuỗi này có dạng như sau :
(2.1)
Với Ts là chu kì của tín hiệu và fk là tần số các sóng mang.
Do
(2.2)
Nên ta có thể viết lại :
(2.3)
Sau khi qua bộ IFFT thì tín hiệu là các mẫu rời rạc trong miền thời gian và có dạng sau :
(2.4)
Tín hiệu này tiếp tục qua khối chèn bảo vệ và khối D/A để ta thu được tín hiệu liên tục y(t) sau :
(2.5)
Ở bên phía máy thu sẽ thực hiện các quá trình ngược lại (biến đổi A/D,lọc khoảng bảo vệ rồi qua khối FFT được giải điều chế và biến đổi song song thành nối tiếp nhờ khối (P/S) để thu được tín hiệu như ban đầu.
2.2.2 Các đặc điểm nổi bậc của kỹ thuật OFDMA
2.2.2.1 Sử dụng bộ FFT và IFFT
Kỹ thuật OFDMA có hiệu suất sử dụng phổ rất cao và có thể chống được nhiễu liên kí tự,nhờ sử dụng kĩ thuật điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang con trực giao với nhau.
Tuy nhiên để thực hiện được điều này dường như là không thể, bởi vì mỗi sóng mang thành phần cần phải có bộ tách sóng, bộ điều chế và giải điều chế cho riêng nó. Trong khi đó số lượng các sóng mang thành phần dùng để truyền tín hiệu là rất lớn. Vì thế người ta đã dùng thuật toán IDFT/DFT để thay thế tất cả các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế và giải điều chế nhằm giải quyết triệt để vấn đề này.
Xét chuỗi tín hiệu x(n) có chiều dài N (n=0,1,2,3,….., N-1) lúc đó
Công thức biền đổi của thuật toán DFT :
(2.6)
Với k = 0,1,……..,N-1
Công thức của thuật toán IDFT là :
(2.7)
Không dừng ở đó, các thuật toán DFT/IDFT vẫn còn tính toán khá lâu không thể đáp ứng được thời gian thực,với thời gian tính của phép DFT gồm :
+ Thời gian thực hiện phép nhân số phức
+ Thời gian thực hiện phép cộng số phức
+ Thời gian đọc các hệ số
+ Thời gian truyền số liệu
Trong đó thời gian thực hiện phép nhân số phức là đáng quan tâm nhất. Vì thế người ta phải giảm số lượng phép tính nhanh nhằm đảm bảo được thời gian thực cho kênh truyền, ở đây thuật toán FFT/IFFT được sử dụng để thay thế cho DFT/IDFT. Thuật toán FFT/IFFT giúp cho việc tính toán nhanh và đơn giản hơn rất nhiều.
2.2.2.2 Phương pháp chống nhiễu liên kí tự
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu cao tần từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu, dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm.
Hình 2.5 Tín hiệu bị phản xạ trên đường truyền
Chính các thành phần trễ truyền làm cho các symbol liền kề nhau chồng lấn lên nhau ở phía máy thu, tại máy thu sẽ là chồng chập các tín hiệu từ nhiều đường khác nhau. Hiện tượng này gọi là nhiễu liên kí tự ISI (Inter Symbol Interference). Thời gian trễ truyền (trải trễ) được tính theo công thức (τ = ∆s/c), với khoảng thời gian của một mẫu tín hiệu thì đây là một khoảng chênh lệch rất đáng kể.
Hình 2.6 Ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự
Để giải quyết vấn đề này người ta dùng phương pháp chèn khoảng bảo vệ giữa hai symbol liền kề nhau. Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu. Mỗi ký hiệu khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của kí hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép đoạn cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn.
Hình 2.7 Chèn khoảng bảo vệ vào giữa 2 symbol
Không có phương pháp nào là trọn vẹn, khi ta chèn khoảng bảo vệ thì vấn đề về hiệu suất băng tần lại bị ảnh hưởng. Vì vậy việc chèn khoảng bảo vệ cần được hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, đồng thời nó phải dài hơn khoảng trải trễ để có thể loại bỏ được nhiễu liên kí tự.
2.2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của điều chế trong OFDMA
Có hai phương pháp được sử dụng để điều chế trong kỹ thuật OFDMA là M-QAM và M_PSK. Mỗi cái đều có mỗi thế mạnh riêng, tùy vào các trường hợp cụ thể khác nhau mà người ta áp dụng kiểu điều chế nào.
Điều chế PSK(Phase Shift Keying) là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần biến đổi theo tín hiệu băng gốc.
+ Ưu điểm : biên độ của tín hiệu khồng đổi trong quá trình truyền dẫn, nên vấn đề khuếch đại trước khi truyền đi là dễ dàng và hiệu quả hơn. Đặc biệt là trong thông tin di động công suất truyền bị khống chế. Khi số pha tăng lên thì cho phép giảm tốc độ bit truyền nhưng vẫn đảm bảo được dung lượng cho trước, điều này sẽ làm giảm băng thông, cho phép truyền được nhiều kênh thông tin.
+ Nhược điểm : khi số pha tăng lên (M lớn) thì các tổ hợp bit sẽ càng gần nhau hơn, nghĩa là sẽ làm tăng khả năng mắc lỗi của hệ thống. Do đó để đảm bảo được chất lượng người ta phải tăng công suất truyền.
Điều chế M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) : là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha hay còn gọi là điều chế biên độ cầu phương.
+ Ưu điểm : nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái của sóng mang đã cách xa nhau, do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm. ngoài ra nó còn yêu cầu băng tần thấp nên sử dụng hiệu quả băng tần truyền dẫn.
+ Nhược điểm : trong phương pháp điều chế này méo phi tuyến và méo xuyên kênh tăng, tỉ lệ lỗi bit tăng nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm không đổi. đồng thời bộ điều chế cũng sẽ phức tạp hơn so với các phương pháp điều chế riêng lẻ. Do biên độ của các tín hiệu thay đổi nên dùng QAM sẽ gặp khó khăn khi phải truyền công suất lớn (do tỉ số giữa công suất tín hiệu max/min khi truyền đi là lớn hơn 1). Cụ thể là để khuếch đại tín hiệu nhỏ tốt thì các tín hiệu lớn khi đi qua bộ khuếch đại sẽ làm nó làm việc ở chế độ bão hòa nên đầu ra bộ khuếch đại sẽ bị méo. Ngược lại để khuếch đại tín hiệu lớn mà không bị méo thì điểm làm việc của nó phải gần với gốc tọa độ, điều này làm hiệu suất bộ khuếch đại giảm đáng kể.
2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDMA
2.2.3.1 Ưu điểm
Tăng hiệu quả sử dụng băng thông, nhờ các sóng mang con trực giao với nhau nên tiết kiệm đáng kể lượng băng tần sử dụng.
Hình 2.8 Ưu thế của OFDMA trong việc sử dụng hiệu quả băng thông
Bền vững với fading chọn lọc tần số do các kí hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu ảnh hưởng của fading phẳng.
Chống được ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM. Rất hiệu quả trong các môi trường truyền dẫn đa đường.
Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT. Điều này giúp OFDMA chứng tỏ được những ưu điểm của nó trên các hệ thống thông tin di động, vừa đáp ứng được nhu cầu về tốc độ đồng thời hệ thống lại đơn giản hơn, rất phù hợp với thực tế.
Với chuẩn OFDM thì việc truyền tới các thiết bị đầu cưới bị hạn chế và có thể bị thu hẹp băng tần gây ra nhiễu và fading, chính nguyên nhân này mà 3GPP đã sử dụng OFDMA kết hợp với đa truy caapk phân chia theo thời gian cho đa truy cập đường xuống.
OFDMA cho phép các tập sóng mang con được cấp phát động giữa các UE khác nhau trên kênh truyền. Nhờ đó mà hệ thống đã tăng được công suất giúp chống fading lựa chọn tần số.
Hình 2.9 OFDM và OFDMA trong miền tần số và thời gian
Kỹ thuật OFDMA chia băng tần thành nhiều các băng tần con mà mỗi băng tần con cụ thể là một sóng mang con. Sự khác biệt của OFDMA so với OFDM chính là mỗi trạm thuê bao không sử dụng hết toàn bộ không gian sóng mang con mà chúng được chia cho nhiều UE sử dụng trong cùng một thời điểm. Mỗi UE sẽ được cấp cho một hoặc một vài sóng mang con hay còn được gọi là kênh con hóa. OFDMA xử lý rất thông minh, công suất phát chỉ phục vụ cho những sóng mang con đang được sử dụng. Trong quá trình truyền dẫn thì mỗi một UE sẽ được sử dụng một kênh riêng.OFDMA là một dạng cải tiến của kỹ thuật OFDM, nó là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền của OFDM.
2.2.3.2 Nhược điểm
- Nhạy với dịch tần số
+ Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ.
+ Các sóng mang phụ chỉ thực sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được.
- Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI, ISI.
- Việc sử dụng khối chèn khoảng bảo vệ giúp tránh được nhiễu đa đường nhưng đồng thời nó cũng làm giảm hiệu suất của kênh truyền.
- Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau. Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn. Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm cho ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy, ảnh hưởng PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn.
2.3 Kỹ thuật đa truy cập cho đường lên
2.3.1 Sơ lược về kỹ thuật SC-FDMA
SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) : là kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn. Các tín hiệu SC-FDMA có tỉ lệ PAPR tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE-Advanced.
2.3.2 Cấu trúc hệ thống SC-FDMA
Đây là một kỹ thuật đa truy cập mới, nó sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang và cân bằng miền tần số. Cấu trúc hệ thống của nó cũng tương tự như OFDMA chỉ khác là nó dùng cả hai thuật toán DFT/IDFT cho cả bên phát và bên thu.
Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống SC-FDMA
2.3.2.1 Chức năng của từng khối
Khối constellation mapping : có nhiệm vụ chuyển các dòng bit dữ liệu đến thành các kí hiệu đơn sóng mang (BPSK, QPSK hay là 16QAM ).
Khối S/P converter : chuyển dòng dữ liệu từ nối tiếp sang song song để định dạng các kí hiệu SC-FDMA trong miền thời gian vào các khối để đưa vào bộ FFT.
Khối M-point DFT : làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số.
Khối subcarrier mapping : có chức năng ánh xạ tín hiệu đầu ra của bộ DFT đến các sóng mang con được chỉ định để truyền đi .
Khối N-point IDFT : biến đổi các sóng mang con đã được ánh xạ về miền thời gian để tiếp tục truyền đến khối tiếp theo.
Khối cyclic prefix and pulse shaping : cyclic prefix có tác dụng tương tự như hệ thống OFDMA đồng thời nó còn có tác dụng triệt nhiễu liên kí tự .
Khối RFE : có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ số thành tương tự để phát đi.
2.3.2.2 Đường truyền tín hiệu trong SC-FDMA
Hình 2.11 Sơ đồ đường truyền tín hiệu của SC-FDMA
Đầu tiên các dòng dữ liệu đầu vào sẽ được chia thành từng khối, mỗi khối chứa N symbol. Tiếp theo cho nó đi qua bộ N-point DFT (biến đổi fourier) để chuyển tín hiệu này sang miền tần số trước khi đi vào khối subcarrier mapper. Lúc này kết quả đầu ra của bộ N-DFT được ánh xạ lên một trong M sóng mang con trực giao với nhau (với điều kiện N Với Q là một yếu tố mở rộng băng thông của chuỗi tín hiệu, nếu ta có N=M/Q đồng thời tất cả các thiết bị đầu cuối đều có N symbol trên một khối thì hệ thống có thể xử lý được Q cuộc truyền tải cùng lúc mà k gây ra nhiễu xuyên kênh. Tiếp theo hoàn toàn tương tự như hệ thống OFDMA, khối M-point IDFT biến đổi fourier ngược sẽ chuyển đổi biên độ của sóng mang con thành các tín hiệu phức hóa trong miền thời gian. Lúc này máy phát sẽ thực hiện xử lý tín hiệu qua hai hoạt động khác nhau trước khi cho truyền đi đó là : chèn dải bảo vệ bằng cách chèn một tập hợp gồm các symbol (được gọi là tiền tố chu kì : cyclic prefix), nhằm làm cho thời gian của một mẫu kí hiệu dài hơn để tránh nhiễu liên khối IBI (Inter Block Interference). Ngoài ra máy phát còn cho tín hiệu qua bộ lọc tuyến tính (pulse shaping) làm giảm năng lượng của tín hiệu ngoài băng. Thực chất thì chèn khoảng bảo vệ tức là copy phần cuối của mẫu kí hiệu về dán ở phần đầu của nó, nhằm một số mục đích sau : các tiền tố lặp (CP) hoạt động như một khoảng thời gian bảo vệ giữa các mẫu tín hiệu liên tiếp nhau. Để loại bỏ được nhiễu liên khối thì độ dài của CP này phải lớn hơn thời gian trễ lan truyền lớn nhất hoặc xấp xỉ độ dài của đáp ứng xung của kênh truyền. Sau đó để loại bỏ được méo xuyên kênh thì các tín hiệu nhận được từ khối DFT được chia ra cho các DFT của đáp ứng xung điểm thông minh hoặc sử dụng bộ cân bằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này. Máy thu sẽ chuyển đổi tín hiệu thu được qua miền tần số nhờ khối DFT và giải ánh xạ các sóng mang con, sau đó sẽ thực hiện cân bằng trong miền tần số. Hầu hết các kĩ thuật cân bằng thông dụng, như bộ cân bằng lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất (Minimum Mean Square Eror – MMSE), cân bằng phản hồi quyết định và cân bằng nhanh đều có thể áp dụng . Sau khi cân bằng, một bộ IDFT sẽ biến đổi tín hiệu đơn sóng mang trở lại miền thời gian và một bộ tách sóng sẽ phục hồi các symbol ban đầu. Khác với OFDMA, trong kỹ thuật SC-FDMA bước ánh xạ sóng mang con được thực hiện trong miền tần số chứ không phải trong miền thời gian. Có hai phương pháp có thể thực hiện được việc ánh xạ này : ánh xạ tập trung hoặc ánh xạ phân tán . Localized FDMA (phương pháp tập trung) : thể hiện mỗi người dùng được truyền tập trung trong miền tần số. Hình 2.12 Ánh xạ Localized FDMA Nhờ việc truyền bằng đơn sóng mang nên tỉ số PAPR thấp. Băng thông truyền dẫn linh hoạt, kênh phụ thuộc vào lịch trình trong miền tần số. Distributed FDMA (phân tán) thể hiện qua mỗi người dùng được truyền phân tán trong miền tần số. PAPR thấp là do sử dụng IFDM (đơn sóng mang), số sóng mang con rất linh hoạt khác với các yếu tố lặp lại IFDMA . Phân tập tần số : nhạy cảm với lỗi tần số, yêu cầu phải đồng bộ tất cả người dùng. Ở chế độ Distributed subcarrier mapping(phân tán) , tín hiệu sau khi ra khỏi khối DFT của dữ liệu đầu vào sẽ được phân bổ trên toàn bộ băng thông với zero chiếm các sóng mang con không sử dụng. Hình 2.13 Ánh xạ Distributed FDMA Trong khi đó, các tín hiệu đầu ra của khối DFT của dữ liệu đầu vào liên tiếp chiếm hữu các sóng mang con trong chế độ localized subcarrier mapping. Hình 2.14 DFDMA và LFDMA Trong trường hợp M=Q*N cho phương pháp phân tán Distributed với sự xen kẽ đều giữa các sóng mang con bị chiếm gọi là Interleaved FDMA (IFDMA). Với M là tổng số sóng mang con N là số sóng mang con phân phối cho một user (Data Block Size) Q là số user (Bandwidth Spreading Factor). IFDMA là một trường hợp đặc biệt của kỹ thuật SC-FDMA và nó thật sự rất hiệu quả. Trong đó các máy phát có thể điều chế đúng tín hiệu trong miền thời gian mà không cần đến khối IDFT và DFT. Tùy thuộc vào các phương pháp ánh xạ sóng mang con nào mà các symbol trong SC-FDMA được điều chế là khác nhau. Đối với IFDMA, thì the modulated time symbols chỉ đơn giản là một sự lặp lại của những symbols đầu vào gốc với yếu tố giãn rộng 1/Q và một chút dịch pha. Hai phương pháp DFDMA và LFDMA có cấu trúc symbol theo thời gian là giống nhau. Nên chúng ta có thể thấy sự biến động nhiều hơn và đỉnh cao hơn trong biên độ của DFDMA và LFDMA. Hình 2.15 Sự khác nhau của subcarrier mapping trong miền thời gian và tần số Hình 2.16 So sánh OFDMA và SC-FDMA Bên trái hình 2.16, M các sóng mang con 15kHz liền kề đã được đặt vào địa điểm mong muốn trong băng thông kênh và mỗi sóng mang con được điều chế với chu kỳ ký hiệu OFDMA là 66,7μs bởi một ký hiệu dữ liệu PSK. Trong ví dụ này,bốn sóng mang con, bốn ký hiệu được đưa ra song song Đây là các ký hiệu dữ liệu QPSK do đó chỉ có pha của mỗi sóng mang con là được điều chế và công suất của sóng mang con vẫn giữ không đổi giữa các ký hiệu. Sau một chu kỳ ký hiệu OFDMA trôi qua, các CP được chèn vào và bốn ký hiệu tiếp theo được truyền đi song song. Để cho hình ảnh nhìn được rõ ràng nên các CP được hiển thị như một khoảng trống, tuy nhiên, nó thực sự được lấp đầy với một bản sao của sự kết thúc của ký hiệu tiếp theo, có nghĩa là công suất truyền dẫn là liên tục nhưng có một sự gián đoạn pha ở biên của ký hiệu. Để tạo ra tín hiệu truyền đi, một IFFT được thực hiện trên mỗi sóng mang con để tạo ra M tín hiệu miền thời gian. Chúng lần luợt là vec tơ tổng hợp để tạo ra dạng sóng miền thời gian cuối cùng được sử dụng để truyền dẫn. Sự tạo thành tín hiệu SC-FDMA được bắt đầu với một quy trình đứng trước đặc biệt precoding rồi sau đó nó cũng tiếp tục một cách tương tự như OFDMA. Tuy nhiên ta hãy xem hình bên phải của hình 2.16. Sự khác biệt ta thấy rõ ràng nhất ở đây chính là OFDMA truyền bốn kí hiệu dữ liệu QPSK song song trong mỗi sóng mang con, trong khi đó SC-FDMA truyền bốn kí hiệu dữ liệu QPSK lần lượt qua bốn lần, với mỗi kí hiệu dữ liệu chiếm khoảng băng thông là 60kHz (Mx15kHz). Nhìn một cách tổng quát thì ta thấy, tín hiệu OFDMA thực chất là đa sóng mang với một kí hiệu dữ liệu trên mỗi sóng mang con, còn tín hiệu SC-FDMA xuất hiện nhiều hơn một sóng mang đơn với mỗi kí hiệu dữ liệu được biểu diễn bằng một loạt tín hiệu. Vì thế trong SC-FDMA mỗi sóng mang con được cung cấp cho một băng thông rộng hơn, chính lý do này giúp cho nó có tỉ số PAPR tốt hơn so với kĩ thuật OFDMA. Giảm được tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR nhờ việc sử dụng điều chế đơn sóng mang cho đường lên. Công suất phát trung bình đối với một bộ khuếch đại công suất nhất định phụ thuộc vào PAPR, cụ thể là nếu PAPR của tín hiệu càng nhỏ thì công suất càng cao. Chính vì thế mà kĩ thuật SC-FDMA (truyền dẫn đơn sóng mang) sử dụng bộ khuếch đại công suất hiệu quả hơn, đồng thời làm tăng vùng phủ sóng. Với các thiết bị đầu cuối thì năng lượng bị giới hạn nên việc này là rất quan trọng. Kĩ thuật phân tách người dùng trực giao trong nhiều trường hợp mang lại lợi ích trong việc chống nhiễu trong tế bào. Nhưng việc cung cấp tức thời một lượng lờn tài nguyên về băng thông cho người dùng là không hiệu quả trong khi chính tốc độ dữ liệu bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn hơn là băng thông. Trong những trường hợp này thì băng thông sẽ được chia cho nhiều thiết bị đầu cuối và chúng truyền một cách song song với nhau. Chính vì thế mà đường lên trong LTE-Advanced bao gồm một thành phần đa truy cập trong miền tần số, hệ thống đường lên của LTE-Advanced nhiều khi cũng được coi như hệ thống SC-FDMA. Khi mà PAPR được giảm xuống đồng nghĩa với việc công suất tiêu thụ trên các thiết bị đầu cuối cũng được giảm xuống. điều này giúp cho việc khuếch đại công suất hiệu quả hơn,thiết bị đầu cuối tiêu thụ pin lâu hơn và làm giảm được giá thành. Giảm được ảnh hưởng của hiệu ứng dịch tần Doppler dẫn đến tăng được khả năng di dộng cho thiết bị đầu cuối so với OFDMA. Hiệu quả trong việc sử dụng phổ kém hơn so với OFDMA, dẫn đến tốc độ truy cập cũng thấp hơn so với OFDMA. Trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, tại các trạm BTS tín hiệu SC-FDMA đến sẽ bị can thiệp đáng kể của nhiễu xuyên kí tự. Trong chương này đã giới thiệu khá chi tiết về hai kỹ thuật đa truy cập đường lên và đường xuống trong LTE-Advanced. Qua đó cho ta thấy được ưu nhược điểm của từng phương pháp, chúng ta sẽ kiểm chứng những điều này qua kết quả mô phỏng ở chương 4. 1.1 Giới thiệu chương Các thế hệ mạng thông tin di động nối tiếp nhau phát triển trên nền công nghệ truyền thông không dây liên tục đổi mới để đáp ứng nhu cầu tương tác, làm việc, giải trí ngày càng cao của người dùng. Nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu, khả năng bảo mật, dung lượng, chất lượng… của dịch vụ ngày càng lớn. Vì vậy việc ra đời của các hệ thống 2G,3G,4G là để đáp ứng các nhu cầu này. Ở chương này ta sẽ tập trung vào sự ra đời và phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G, đồng thời trình bày tổng quan về hệ thống LTE-Advanced. 1.2 Sự phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G Hình 1.1 Các thế hệ mạng di động toàn cầu 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. 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 tín hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã, cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. 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 … Nó đặc trưng bới tốc đọ truyền dữ liệu cao, dung lượng lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tầng và nhiều cải tiến đáng kể khác. Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU). Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới, nhưng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt : UMTS, CDMA2000, TD-SCDMA và WIDEBAND-CDMA . - UMTS: dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dung GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam). UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP. Tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 1920Kbps nhưng thực tế tốc độ này là 384Kbps. - CDMA2000: là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G, cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s . - TD-SCDMA: là chuẩn ít được biết đến hơn, được phát triển riêng tại Trung Quốc bởi công ty Datang và Siemens. - WIDEBAND-CDMA: Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbit/s và 2 Mbit/s. Giao thức này được dùng trong một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbit/s. Khi nó dùng trong một mạng cục bộ LAN, tốc độ tối đa chỉ là 1,8 Mbit/s. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của mạng 3G hai kĩ thuật HSUPA và HSDPA đã được đề nghị. Khi 2 kĩ thuật này được triễn khai người ta gọi chung là HSPA và nó được biết đến như mạng 3,5G. - HSUPA: kĩ thuật này cho phép tăng tốc độ upload thông tin tối đa là 5,8Mbps. - HSDPA: kĩ thuật này cho phép download thông tin với tốc độ tối đa là 14,4Mbps, nhưng thực tế thì nó chỉ đạt được 1,8Mbps và tốt nhất là 3,6Mbps. Hai công nghệ là LTE và WiMax đã được một số nhà mạng trên thế giới triển khai xây dựng. họ gọi đó là 4G nhưng thật sự chưa được ITU công nhận nên nó được biết đến như công nghệ 3,9G . Các đặc điểm chính của mạng di động tiền 4G dựa trên công nghệ LTE: tốc độ truyền dữ liệu, dải tần co giản được, đảm bảo hiệu suất khi di chuyển, giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng, giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển. - Tốc độ truyền dữ liệu : dung lượng truyền trên kênh đường lên có thể đạt tối đa là 50Mbps và đường xuống là 100Mbps đối với băng thông 20MHz. - Dải tần co giản được: dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ 1.4MHz ; 3MHz ; 5MHz ; 10MHz đến 20 MHz. Nó cho thấy sự linh hoạt trong việc sử dụng băng thông. - Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: tùy thuộc vào băng tần mà LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối. Khi thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc từ 0-15Km/h thì hiệu suất là tối ưu, vẫn hỗ trợ hiệu suất cao đối với vận tốc 15-20Km/h, đối với vận tốc trên 120Km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng. - Giảm độ trễ ở mặt phẳng người sử dụng: hiện nay rất nhiều ứng dụng yêu cầu thời gian thực nhưng nhược điểm của các mạng tổ ong là độ trễ đường truyền cao hơn nhiều so với các mạng dây cố định. Yêu cầu độ trễ trên giao tiếp vô tuyến đối với mạng LTE là khoảng chừng 5ms để độ trễ truyền từ UE này đến UE khác tương đương với độ trễ ở các mạng dây cố định. - IP: một trong những tính năng đáng kế nhất của mạng LTE đó là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP. Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động khác. - Đồ phủ sóng: LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng,độ di động và hiệu suất phổ trong vòng bán kính 5km. khi phạm vi tăng lên đến 30km thì lưu lượng người dùng sẽ giảm nhẹ nhưng hiệu suất phổ thì bị giảm 1 cách đáng kể, tuy nhiên nó vẫn có thể chấp nhận được. - Các kĩ thuật MIMO, OFDMA, SC-FDMA được sử dụng trong mạng LTE thay vì CDMA như trong mạng 3G. 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. Là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. 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. Và trong tương lai, 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. Hệ thống thông tin di động 4G đã được khai thác và phát triển tại 1 số quốc gia phát triển trên thế giới từ năm 2012. Với tính tương đồng với các thế hệ trước đặc biệt là thế hệ tiền 4G (LTE), LTE-Advanced đang chiếm ưu thế trong cuộc đua với WirlessMAN-Advanced để trở thành công nghệ được ứng dụng rộng rãi cho 4G. LTE-Advanced thực chất chỉ là bảng nâng cấp của LTE nhằm hướng đến thỏa mãn các yêu cầu của IMT-Advanced. Việc nâng cấp này thê hiện rõ ở chỗ các công nghệ được sử dụng trong LTE cũng được sử dụng trong LTE-Advanced (OFDMA, SC-FDMA, MIMO,…). Nhưng đã có 1 số cải tiến để phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của nó như MIMO tăng cường sử dụng cấu hình cao hơn (8x8 MIMO), đồng thời LTE-Advanced còn sử dụng thêm nhiều kĩ thuật mới để nâng cao đặc tính : kết tập sóng mang, trạm chuyển tiếp, đa anten cải tiến, phối hợp đa điểm, mạng không đồng nhất. Các yêu cầu Đáp ứng của LTE-Advanced Tốc độ đường xuống đỉnh 1Gbps Tốc độ đường lên đỉnh 500Mbps Khả năng cung cấp phổ Lên đến 100MHz Thời gian chờ (mặt phẳng người dùng) 10ms Thời gian chờ (mặt phẳng điều khiển) 50ms Hiệu suất phổ đỉnh ở đường xuống 30bps/Hz (8x8) Hiệu suất phổ đỉnh ở đường lên 15bps/Hz (4x4) Hiệu suất phổ trung bình ở đường xuống 2.6bps/Hz (4x2) Hiệu suất phổ trung bình ở đường lên 2.0bps/Hz (2x4) Bảng 1.1 Các thông số chính của LTE-Advanced yêu cầu Hình 1.2 Kiến trúc mạng của LTE-Advanced - UE: là thiết bị đầu cuối. Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, duy trì và loại bỏ các liền kết thông tin người dùng cần. - eNB (eNodeB) : có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP là trạm gốc được tăng cường mới. Là trạm BTS tăng cường cung cấp giao diện không gian và thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống này. Nó nén IP header và mã hóa dữ liệu người dùng. Sự chọn lọc của một MME khi không có định tuyến tới một MME nào tại thời điểm UE attach, thì nó có thể xác định nhờ thông tin được cấp bởi UE. Định tuyến dữ liệu phẳng người dùng hướng tới cổng dịch vụ Serving Gateway. Lập lịch và truyền dẫn thông tin quảng bá. Lập lịch và truyền dẫn những thông báo tìm gọi. Cấu hình phép đo và báo cáo phép đo sự lưu động và sự lập trình. - S-GW (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN. Nó có chức năng là : SWG có chức năng định tuyến và hướng các gói dữ liệu người dùng, E-UTRAN ngừng bộ đệm gói downling và bắt đầu mạng thúc đẩy yêu cầu của dịch vụ. khi các UE ở trạng thái rỗi thì SWG sẽ kết thúc đường dữ liệu downling và kích hoạt tìm gọi khi mà dữ liệu của downling chuyển tới UE. Quản lý và lưu trữ các văn cảnh của UE. - PDN-GW (Packet Data Network- Gate Way ) : Cổng mạng dữ liệu gói là tuyến biên giữa EPS và các mạng dữliệu gói bên ngoài. Nó là nút cuối di động mức cao nhất trong hệ thống, và nó thường hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho UE. Nó thực hiện các chức năng chọn lưu lượng và chọn lọc theo các yêu cầu bởi các dịch vụ được đề cập. Là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Đồng thời nó cũng là Router đến mạng Internet. - MME (Mobility Mangament Entity) : Là node quan trọng của mạng truy cập LTE-Advanced. Nó chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan tới quản lý thuê bao và quản lý phiên, quản lý tính lưu động và xác nhận UE cùng những tham số bảo mật. Một số chức năng chính của MME là : xác thực và bào mật, quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối, quản lý tính di động, quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối. - PCRF (Policy and Charging Rules Funtion) : là chính sách và tính cước tài nguyên, là phần tử chịu trách nhiệm về chính sách và điều khiển tính cước. PCRF là một máy chủ và thường được đặt với các phần tử CN khác tại các trung tâm điều hành chuyển mạch. Hình 1.3 Kĩ thuật OFDM Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao được sử dụng trong đa truy cập theo đường xuống của LTE-Advanced. Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm nỗi bậc như : hiệu quả trong việc sử dụng băng tần, chống nhiễu xuyên kí tự, chống được nhiều liên sóng mang… Ngoài ra nó còn có thế thay đổi tốc độ truyền tải đường lên và xuống một cách dễ dàng nhờ vào việc thay đổi số lượng sóng mang được sử dụng. Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn được LTE-Advanced sử dụng cho đa truy cập đường lên. Ưu điểm của kỹ thuật này so với OFDMA là tỉ số PAPR (tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) nhỏ hơn, dẫn đến việc tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu cuối ít hơn tăng tính di động cho thiết bị. Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống MIMO Là kỹ thuật đa anten thu và phát được LTE-Advanced tiếp tục sử dụng vì hiệu quả của nó rất cao. Hai đặc tính nổi bậc của MIMO trong LTE-Advanced là ghép kênh không gian và phát phân tập.Với cấu hình 8x8 ở đường lên và 4x4 ở đường xuống LTE-Advanced đã đạt được hiệu suất phổ đỉnh như yêu cầu (hiệu suất phổ đường xuống là 30bps/Hz và 15bps/Hz ở đường lên). Kỹ thuật kết tập sóng mang được LTE-Advanced áp dụng để tăng băng thông và do đó làm tăng tốc độ bit. Nhờ đó mà LTE-Advanced đạt được yêu cầu về băng thông và tốc độ truyền dẫn dữ liệu. Nó được xem như là một trong những kỹ thuật đặc trưng nhất của LTE-Advanced. Hình 1.5 Kĩ thuật kết tập sóng mang Để tăng độ rộng băng tần mà vẫn duy trì được tính tương thích phổ(không bị nhiễu sóng mang) nhờ vào việc sử dụng kỹ thuật kết tập sóng mang, trong đó nhiều sóng mang con được kết hợp với nhau để cung cấp độ rộng băng tần cần thiết. Các sóng mang thành phần có thể có băng thông là 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz và tối đa chỉ có 5 sóng mang thành phần được kết hợp, từ đó băng thông kết hợp có thể lên tới 100MHz. Tùy thuộc vào độ rộng băng tần sẵn có mà LTE-Advanced có thể áp dụng kỹ thuật kết tập sóng mang liền kề hay không liền kề. 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 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 đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí. Hệ thống phối hơp có 1 nút nguồn phân phát 1 bản tin đến một số nút chuyển tiếp. Các nút này gửi lại tín hiệu đã được xử lý đến nút đích. Nút đích kết hợp và sử dụng phân tập tín hiệu thu được từ các nút chuyển tiếp và từ nút nguồn để nhận được tín hiệu thu. Hình 1.6 Hệ thống phối hợp có 2 nút chuyển tiếp Lợi ích của hệ thống CoMP trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ: + Tăng hiệu quả sử dụng mạng: bằng việc cung cấp kết nối tới nhiều trạm cùng lúc, dữ liệu có thể tận dụng tối ưu tài nguyên của các trạm thu phát đó. + Nâng cao chất lượng thuê bao: sử dụng nhiều tế bào mạng trên 1 thuê bao sẽ tăng khả năng thu nhận và giảm đáng kể việc mất kết nối. + Giảm nhiễu: Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu ở thiết bị đầu cuối. Đặc tính LTE LTE-Advanced Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống 326 Mbps 1 Gbps Tốc độ số liệu đỉnh đường lên 86 Mbps 500 Mbps Băng thông £ 20MHz £ 100MHz Hiệu suất sử dụng phổ tần(bps/Hz) ở đường xuống 16.3 (4x4 MIMO) 30 (8x8 MIMO) Hiệu suất sử dụng phổ tần(bps/Hz) ở đường lên 4.32 (SISO) 15 (4x4 MIMO) Độ trễ 10 ms 5 ms Cấu hình MIMO ở đường xuống 4x4 8x8 Cấu hình MIMO ở đường lên 2x4 4x4 Bảng 1.2 Bảng so sánh LTE với LTE-Advanced Ở chương này chúng ta đã sơ lược về lịch sử phát triển của các thế hệ di động. Các công nghệ của các thế hệ tương ứng, trong đó công nghệ vượt trội hơn cả chính là LTE-Advanced. Chúng ta sẽ đi vào chi tiết hơn về các kỹ thuật được sử dụng chủ yếu trong LTE-Advanced ở các chương tiếp theo. ................. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Công nghệ LTE-Advanced là một trong các công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, nó được phát triển dựa trên công nghệ 3GPP và được ITU công nhận là chuẩn 4G. Đồ án này đã trình bày được sự ra đời và phát triển của các thế hệ di động, đồng thời đi sâu tìm hiểu về các kỹ thuật được sử dụng trong LTE-Advanced. Ba kỹ thuật được đặc biệt quan tâm trong đồ án này là kỹ thuật đa truy cập đường xuống OFDMA, kỹ thuật đa truy cập đường lên SC-FDMA và kỹ thuật kết tập sóng mang. Đồ án này đã mô phỏng được chỉ số PAPR của hệ thống LTE-Advanced, qua đó khẳng định rằng tại sao LTE-Advanced lại tiếp tục sử dụng SC-FDMA cho đa truy cập đường lên. Hướng phát triển đề tài Do thời gian có hạn nên đồ án này chỉ đi sâu tìm hiểu một vài phương pháp quan trọng. Vì vậy, hướng phát triển tiếp theo sẽ đi tìm hiểu nhiều phương pháp được sử dụng trong LTE-Advanced hơn. Đồng thời sẽ mô phỏng bằng nhiều phương pháp điều chế khác nhau, cũng có thể mô phỏng về các chỉ số khác ngoài PAPR. Một hướng phát triển thực tế nữa là sẽ tìm hiểu về đặc điểm và khả năng phát triển của hệ thống 4G tại Việt Nam. NGHIÊN CỨU GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG LTE-ADVANCED I. Giới thiệu Công nghệ LTE-Advanced là một trong những công nghệ hàng đầu trên thế giới hiện nay. Với tiền đề LTE được đưa ra từ năm 2009 và để đáp ứng những yêu cầu chuẩn của mạng di động thế hệ thứ 4 (4G), 3GGP tiếp tục đưa ra công nghệ LTE-Advanced với những ưu điểm vượt trội so với LTE về băng thông cũng như tốc độ truyền dữ liệu. Và đầu năm 2012 Liên Hiệp Viễn Thông Quốc Tế ITU (International Telecommunication) đã công nhận LTE-Advanced cùng WirelessMan Advanced trở thành hai công nghệ đạt tiêu chuẩn để phát triển mạng 4G. Công nghệ LTE-Advanced đã đáp ứng được các yêu cầu mà ITU đề ra, đồng thời nó còn tương thích với hệ thống cũ. Cụ thể là các thiết bị ở LTE có thể dùng được trong LTE-Advanced và ngược lại các người dùng trong LTE-Advacned cũng có thể truy cập trong LTE. Một số kỹ thuật mới đã được áp dụng trong LTE-Advanced đó là : kỹ thuật đa anten cải tiến, kỹ thuật đa truy cập đường lên SC-FDMA, kỹ thuật đa truy cập đường xuống OFDMA, phối hợp đa điểm, mạng không đồng nhất và kỹ thuật kết tập sóng mang. Do thời gian có hạn nên trong đồ án này chỉ đi sâu tìm hiểu ba kỹ thuật quan trọng trong LTE-Advanced đó là : OFDMA, SC-FDMA và kỹ thuật lết tập sóng mang CA (Carrier Aggregation). II. Nội dung đồ án Nội dung đồ án bao gồm 4 chương : Chương 1: Lịch sử phát triển mạng di động và tổng quan về LTE- Advanced Thế hệ mạng thông tin di động nối tiếp nhau phát triển trên nền công nghệ truyền thông không dây liên tục đổi mới để đáp ứng nhu cầu tương tác, làm việc, giải trí di động ngày càng cao của người dùng. Chương này đã tập trung tìm hiểu về sự ra đời và phát triển của các thế hệ di động từ 2G lên 4G, đồng thời đồng thời trình bày tổng quan về hệ thống LTE-Advanced. LTE-Advanced thực chất chỉ là bảng nâng cấp của LTE nhằm hướng đến thỏa mãn các yêu cầu của IMT-Advanced. Việc nâng cấp này thê hiện rõ ở chỗ các công nghệ được sử dụng trong LTE cũng được sử dụng trong LTE-Advanced (OFDMA, SC-FDMA, MIMO,…). Nhưng đã có 1 số cải tiến để phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của nó như MIMO tăng cường sử dụng cấu hình cao hơn (8x8 MIMO), đồng thời LTE-Advanced còn sử dụng thêm nhiều kĩ thuật mới để nâng cao đặc tính : kết tập sóng mang, trạm chuyển tiếp, đa anten cải tiến, phối hợp đa điểm, mạng không đồng nhất. Chương 2 : Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-Advaced Để hiểu rõ hơn về hai kỹ thuật đa truy cập đường xuống (OFDMA) và đa truy cập đường lên SC-FDMA, trong chương này chúng ta sẽ đi sâu phân tích đánh giá các ưu nhược điểm của hai kỹ thuật này. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : đa truy cập phân chia theo tần số trực giao đã được LTE-Advanced sử dụng cho đa truy cập đường xuống. SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) : là kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn. Các tín hiệu SC-FDMA có tỉ lệ PAPR tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE-Advanced. Chương 3 : Kỹ thuật kết tập sóng mang CA (Carrier Aggregation) Kỹ thuật kết tập sóng mang (Carrier Aggregation) đây là một trong những đặc trưng nổi bậc và cốt lõi của LTE-Advanced. Vì nhờ kỹ thuật này mà LTE-Advanced có thể đạt được mức băng thông tối đa lên đến 100MHz, tốc độ đường xuống đỉnh 1Gbps, đường lên là 500Mbps. Trong chương này, chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu về kỹ thuật này, qua đó đánh giá các ưu nhược điểm của nó. Chương 4 : Đánh giá chỉ số PAPR trong hệ thống LTE-Advanced Để khẳng định lại tại sao hệ thống LTE-Advanced vẫn tiếp tục sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho đa truy cập đường lên, trong chương này chúng ta sẽ mô phỏng để chứng minh điều này. Cụ thể là ta sẽ đánh giá tỉ số giữa công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) của từng phương pháp OFDMA và SC-FDMA trong hệ thống LTE-Advanced. Bằng mô phỏng matlab với các kiểu điều chế QAM và QPSK ta được kết quả mô phỏng như sau: Kết quả mô phỏng dưới phương pháp 64QAM Hình 1 Kết quả mô phỏng với QAM Kết quả mô phỏng dưới phương pháp QPSK Hình 2 Kết quả mô phỏng với QPSK III. Kết luận Công nghệ LTE-Advanced là một trong các công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, nó được phát triển dựa trên công nghệ 3GPP và được ITU công nhận là chuẩn 4G. Đồ án này đã trình bày được sự ra đời và phát triển của các thế hệ di động, đồng thời đi sâu tìm hiểu về các kỹ thuật được sử dụng trong LTE-Advanced. Ba kỹ thuật được đặc biệt quan tâm trong đồ án này là kỹ thuật đa truy cập đường xuống OFDMA, kỹ thuật đa truy cập đường lên SC-FDMA và kỹ thuật kết tập sóng mang. Đồ án này đã mô phỏng được chỉ số PAPR của hệ thống LTE-Advanced, qua đó khẳng định rằng tại sao LTE-Advanced lại tiếp tục sử dụng SC-FDMA cho đa truy cập đường lên. LTE-Advanced đã sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho đường lên nhằm giảm được PAPR cho đường truyền. Quyết định đúng đắn này đã giúp phần nào cho hệ thống LTE-Advanced đơn giản hơn, đồng thời cũng góp phần tiết kiệm được giá thành khi triển khai. 2.3.3 Các đặc trưng của SC-FDMA
2.3.3.1 Ánh xạ sóng mang con
2.3.3.2 So sánh giữa OFDMA và SC-FDMA
2.3.4 Các ưu điểm và nhược điểm của SC-FDMA
2.3.4.1 Ưu điểm
2.3.4.2 Nhược điểm
2.4 Kết luận chương
CHƯƠNG 1
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG
VÀ TỔNG QUAN VỀ LTE-ADVANCED
1.2.1 Mạng thông tin di động 2G
1.2.2 Mạng thông tin di động 3G
1.2.3 Mạng di động tiền 4G-LTE (3,9G)
1.2.4 Mạng thông tin di động 4G
1.3 Tổng quan về LTE-Advanced (Long Term Evolution- Advanced)
1.3.1 Yêu cầu thiết kế của LTE-Advanced
1.3.1.1 Các thông số chính
1.3.1.2 Kiến trúc mạng của LTE-Advanced
1.3.2 Các kỹ thuật nỗi bậc được sử dụng trong LTE-Advanced
1.3.2.1 Kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
1.3.2.2 Kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access)
1.3.2.3 Kỹ thuật MIMO tiên tiến
1.3.2.4 Kỹ thuật kết tập sóng mang (Carrier Aggregation)
1.3.2.5 Truyền dẫn đa điểm phối hợp (Coordinated Multi-Point Transmission )
1.3.3 So sánh giữa LTE và LTE-Advanced
1.4 Kết luận chương
