ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN tử Nghiên cứu và so sánh hai kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA dùng trong công nghệ di động LTE-4G
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC Nghiên cứu và so sánh hai kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA dùng trong công nghệ di động LTE-4G
CÁC TỪ VIẾT TẮT………………………………………………………………...4
LỜI MỞ ĐẦU…………………………………….....................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ LTE-4G…………………………………………………………9
1.1 Giới thiệu chương. 9
1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động. 10
1.2.1 Thế hệ 1G (First Generation). 10
1.2.2 Thế hệ 2G (Second Generation). 10
1.2.3 Thế hệ 3G (Third Generation). 11
1.2.4 Thế hệ 4G.. 12
1.3. Tổng quan về Long Term Evolution ( LTE-4G) :14
1.3.1. Giới thiệu chung:14
1.3.2. Yêu cầu thiết kế của LTE-4G :14
1.3.3. Các kỹ thuật nổi bật được sử dụng trong LTE-4G :17
1.4. Tổng kết chương :18
CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG XUỐNG VÀ ĐƯỜNG LÊN TRONG LTE-4G…………………………………………………………………..19
2.1. Giới thiệu chương:19
2.2. Kỹ thuật đa truy cập đường xuống :19
2.2.1. Giới thiệu chung về OFDMA :19
2.2.2. Các đặc trưng của kỹ thuật OFDMA :23
2.3. Kỹ thuật đa truy cập đường lên :27
2.3.1. Giới Thiệu về SC-FDMA :27
2.3.2. Phương Thức Truyền SC-FDMA :27
2.4. Kết luận chương:32
CHƯƠNG 3: SO SÁNH KỸ THUẬT OFDMA VÀ SC FDMA,ĐÁNH GIÁ PAPR TRONG TRUYỀN DẪN OFDMA VÀ SC FDMA……………………………….33
3.1 Giới thiệu chương. 33
3.2. So Sánh OFDMA và SC-FDMA.. 33
3.3. Ưu điểm,nhược điểm của kỹ thuật OFDMA :34
3.3.1. Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDMA :34
3.3.2. Nhược Điểm :35
3.3.3. Ưu Nhược Điểm Của SC-FDMA :36
3.4. Khái niệm PAPR.. 37
3.5 Nguyên nhân yêu cầu giảm PAPR.. 39
3.6 Hàm phân bố tích lũy bù CCDF. 39
3.8 Tỉ số PAPR trong tín hiệu SC-FDMA.. 39
3.9 Kết luận chương. 40
CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG PAPR TRONG HỆ THỐNG LTE-4G………………41
4.1. Giới thiệu chương :41
4.2 Mô tả hệ thống mô phỏng. 41
4.2.1. Lưu đồ thuật toán mô phỏng PAPR trong OFDMA :42
4.3 Kết quả mô phỏng :45
4.3.1. Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế 16-QAM... 46
4.3.2. Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế 16-QAM... 48
4.4. Kết luận chương. 50
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI………………………………..51
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………52
PHỤ LỤC………………………………………………………………………….53
CÁC TỪ VIẾT TẮT
3G - Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba
3 GPP Third Generation Patnership Project Dự án hợp tác thế hệ 3
4G – 4th Generation Thế hệ thứ 4
A
AS - Access Slot Khe truy nhập
B
BER - Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi
BCH - Broadcast Channel Kênh quảng bá
BMC - Broadcast/Multicast Control Điều khiển quảng bá / đa phương
BS - Base Station Trạm gốc
BSC - Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc
BTS - Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
C
CDMA - Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã
CN - Core Network Mạng lõi
D
DC - Delicated Control Điều khiển riêng
DCH - Delicated Channel Kênh riêng
DL - Down Link Hướng xuống
E
ETSI - European Telecommunications Học viện viễn thông Standard Institute Châu Âu
F
FER - Frame Error Rate Tỷ số khung lỗi
FDD - Fequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số
FDMA - Frequency Division Đa truy cập phân chia theo Multiple Access tần số
G
GPRS - General Packet Radio Service Dịch vụ chuyển mạch gói vô tuyến
GoS - Grade of Service Cấp độ phục vụ
GSM - Global System of Mobile Hệ thống thông tin di động Communication toàn cầu
H
HC - Handover Control Điều khiển chuyển giao
HDLA - History Data Logic Analyzer Bộ phân tích dữ liệu gốc
HLR - Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú
I
IMT-2000 - International Mobile Telecommunication Tiêu chuẩn viễn thông di động toàn cầu 2000
ISDN - Integated Service Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ
ITU - International Telecomunication Union Liên minh viễn thông quốc tế
L
LC - Load Control Điều khiển tải
M
MAC - Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
ME - Mobile Equipment Thiết bị nhận dạng thuê bao
MM - Mobility Management Quản lý di động
MSC - Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di dộng
N
Nt Notification Thông báo
O
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiple Đa phân chia theo tần số trực giao
OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia tần số trực giao
OSS Operation Support System Hệ thống hỗ trợ hoạt động
P
PC - Power Control Điều khiển công suất
Q
QI - Quality Indicator Chỉ số chất lượng
QoS - Quality of Service Chất lượng dịch vụ
LỜI MỞ ĐẦU
Theo chu kỳ phát triển của mạng di dộng thì mạng di động thế hệ thứ 4 đã ra đời. Với mục tiêu làm sao để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng không dây, từ khoảng năm 2009 các nhà mạng lớn trên thế giới đã triển khai xây dựng hệ thống thử nghiệm rồi tiến hành thương mại hóa và đó là 4G (4th Generation – Thế hệ di động thứ 4).
Xuất phát từ sự tò mò, mong muốn tìm hiểu về thế hệ di động thứ 4 mới mẻ này em đã quyết định chọn LTE-4G để tìm hiểu với tên đề tài là “ Nghiên cứu và so sánh hai kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA trong công nghệ di động LTE-4G“ .
Mục đích hướng đến ở đề tài này là tìm hiểu, phân tích về 2 kỹ thuật nổi bật được sử dụng trong LTE-4G qua đó đánh giá về khả năng phát triển của LTE-4G cũng như 4G trong tương lai.
Nội dung đồ án gồm 4 chương :
Chương 1: Lịch sử phát triển mạng di động và tổng quan về LTE-4G.
Trong chương này sẽ giới thiệu các công nghệ di động trong lịch sử từ GSM 2G đến CDMA 3G và cuối cùng là LTE-4G hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Chương 2 : Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G
Ở chương 2 sẽ tìm hiểu kỹ về 2 kỹ thuật trong công nghệ LTE-4G đó là OFDMA và SC-FDMA.
Chương 3: So sánh kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA, đánh giá PAPR trong truyền dẫn OFDMA và SC-FDMA
Trong chương này sẽ đánh giá ưu nhược điểm của từng kỹ thuật và đưa ra sự lựa chọn hợp lý cho đường lên và đường xuống. Nguyên nhân cần giảm PAPR trong thực tế.
Chương 4 : Mô phỏng PAPR trong hệ thống LTE-4G
Ở chương này sẽ thực hiện mô phỏng PAPR và ý nghĩa của nó, từ đó khẳng định lại việc chọn lựa 2 kỹ thuật dùng trong tuyến xuống và tuyến lên là phù hợp.
Trong thời gian làm đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song thời gian làm đồ án có hạn, vấn đề mới nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô. Qua đây, em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Cường đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ LTE-4G
1.1 Giới thiệu chương
Trong quá trình phát triển của xã hội loài người, thông tin liên lạc luôn là nhu cầu cần thiết và đóng một vai trò quan trọng trong đời sống xã hội. Để đáp ứng nhu cầu này, khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin đã đưa ra nhiều hình thức liên lạc ngày càng tiện nghi hơn, chất lượng tốt hơn. Các công nghệ di động lần lượt ra đời với mục đích nâng cao hơn nữa chất lượng và giá thành dịch vụ như tốc độ, khả năng kết nối, liên kết, khả năng bảo mật, dung lượng truyền… Do vậy lần lượt xuất hiện các kỹ thuật như 1G 2G 3G 4G.. Các kỹ thuật này khác nhau cũng chỉ là khác ở chỗ công nghệ mà kỹ thuật đó sử dụng.
Ở nước ta, thông tin di động xuất hiện vào năm 1992 với khoảng trên dưới 5000 thuê bao. Cùng với sự ra đời của Mobifone năm 1993 liên doanh giữa bưu chính viễn thông VNPT và tập đoàn COMVIK (Thuỵ Điển ). Tiếp theo là sự ra đời của Vinafone của trung tâm dịch vụ viễn thông (GPC) thuộc VNPT ra đời năm 1996. Năm 2002, công ty viễn thông của Hàn Quốc cũng đầu tư Sfone vào nước ta. Tháng 6/2004 công ty viễn thông quân đội Viettel ra đời. Sự cạnh tranh của các nhà mạng đã góp phần ngày càng nâng cao chất lượng dịch vụ và giá thành sản phẩm ở nước ta.
Trong chương này sẽ giới thiệu lịch sử của các mạng thông tin di động từ 1G đến 4G và tổng quan về hệ thống LTE 4G.
1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động
Hình 1.1 Các hệ thống thông tin di động
1.2.1 Thế hệ 1G (First Generation)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tân số FDM để truyền thông tin qua sóng vô tuyến. Nhược điểm của các hệ thống này là chất lượng thấp, bảo mật thấp vùng phủ sóng hẹp, dịch vụ đơn thuần là thoại và dung lượng nhỏ. Các hệ thống điển hình của kỹ thuật này như:
- NMT (Nordic Mobile Telephone): sử dụng băng tần 450Mhz triển khai tại các nước Bắc Âu vào năm 1981.
- TACS (Total Access Communication System): của Anh vào năm 1985.
- AMPS (Advance Mobile Phone System): sử dụng băng tần 800MHz tại Bắc Mỹ năm 1978
1.2.2 Thế hệ 2G (Second Generation)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng chuyển mạch số, dùng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDM. Các hệ thống này có nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống 1G như sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, chất lượng thoại tốt, hỗ trợ các dịch vụ số liệu, đảm bảo an toàn thông tin, cho phép chuyển mạng quốc tế. Công nghệ 2G được sử dụng ở hầu hết trên thế giới hiện nay. Trong thời gian sắp tới, công nghệ 2G vân tiếp tục được sử dụng trước khi bị 3G thay thế hoàn toàn. Các hệ thống điển hình của kỹ thuật 2G như:
- GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cập TDMA tại châu Âu.
- D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ.
- IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc.
- PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Nhật Bản.
1.2.3 Thế hệ 3G (Third Generation)
Công nghệ chuẩn di động thế hệ thứ 3 này mang lại rất nhiều lợi ích so với các thế hệ trước, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại như email, dữ liệu, hình ảnh…với tốc độ cao cho cả thuê bao cố định và di động ở tốc độ khác nhau, tăng hiệu quả sự dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Hệ thống 3G cung cấp cả chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Một số kỹ thuật dùng trong công nghệ 3G (tất cả đều dựa trên CDMA) bao gồm: UMTS, CDMA2000 và TD-SCDMA.
- UMTS: Sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA. Kỹ thuật này được đa số các nhà cung cấp dịch vụ mạng chọn lựa để đi lên 3G. Tốc độ truyền tải tối đa là 1920Kbps nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ gần 384Kbps. Do vậy, nhằm cải tiến tốc độ của 3G, 2 kỹ thuật ra đời đó là HSUPA và HSDPA gọi chung là HSPA hay còn gọi là công nghệ 3,5G.
+ HSDPA: Tăng tốc độ downlink lên 14,4Mbps theo lý thuyết nhưng thực tế chỉ đạt 1,8Mbps.
+ HSUPA: Tăng tốc độ uplink lên đến 5,8Mbps theo lý thuyết và tăng QoS.
- CDMA2000: Bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology), CDMA2000 (Evolution -Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV(Evolution -Data and Voice).
+ CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận là một công nghệ 3G. Tốc độ có thể đạt đến 307Kbps
+ CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt và có thể cho tốc độ dữ liệu đến 2,4Mbps cho downlink và 153Kbps cho uplink.
- TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China Communications Standards TD-SCDMA dùng song công TDD. TD-SCDMA có thể hoạt động trên một dãi tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps).
1.2.4 Thế hệ 4G
Khi nhìn vào tương lai, nhất là với nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụng dịch vụ thông tin di dộng thì 3G sẽ dần không đủ sức đáp ứng các yêu cầu sử dụng như:
- Nội dung đa phương tiện: Trước đây, nội dung web chỉ là văn bản nhưng giờ đây, nội dung đồ hoạ ngày càng trở nên phổ biến. Một hình ảnh hay một video có thể mang lại trải nghiệm gấp nhiều lần so với việc đọc văn bản nhưng đồng thời nó cũng tăng dung lượng dữ liệu cần truyền trên mỗi trang web. Nhu cầu tải xuống hình ảnh, phim phổ biến hơn bao giờ hết đã đặt ra một yêu cầu lớn hơn nữa trong việc tăng băng thông hệ thống.
- Các mạng xã hội: Trước đây các blog chỉ dùng chia sẻ ý tưởng nên dưới dạng vản bản là chủ yếu. Ngày nay, các trang mạng xã hội đã dần định hình lại việc sử dụng internet, con người không chỉ tiêu thụ nội dung mà còn chia sẻ ý tưởng, hình ảnh, phim ảnh của họ với người khác.
- Dịch vụ voice IP: Thế giới thoại trên đường dây cố dịnh ngày càng mất dần thị hiếu người dùng do tính cố định, ngày nay các phương thức thoại trên nền tảng IP có thể thực hiện được qua các mạng DSL hay TV cáp.
- Sự cạnh tranh thay thế đường dây cố định: Các nhà cung cấp dịch vụ thoại cố định có doanh thu ngày càng giảm do cước thuê bao ngày cảng giảm trong khi số lượng thông thoại ngày một cao. Do đó các nhà cung cấp đưa ra các dịch vụ để dữ chân người dùng như TV cáp, truy cập internet cho PC thông qua dây thoại. Vậy nên muốn cạnh tranh, họ phải tăng băng thông trên mạng của mình.
- Với các nhu cầu cấp thiết như trên, LTE-4G đã ra đời.
Sự phát triển của LTE 4G thể hiện như bảng dưới.
Hình 1.2 Sự phát triển của LTE Advance/IMT Advance
Một số đặc điểm của LTE-4G:
- Tốc độ dữ liệu đỉnh: 1 Gbps cho đường xuống và 500 Mbps cho đường lên.
- Băng thông sử dụng: 20Mhz 100Mhz.
- Hiệu quả phổ đỉnh: 30bps/Hz cho đường xuống và 15 bps/Hz cho đường lên.
- Thời gian chờ: nhỏ hơn 50 ms khi chuyển từ trạng thái rỗi sang trạng thái kết nối và nhỏ hơn 5ms cho mỗi chuyển mạch gói riêng lẻ.
- Khả năng tương thích: LTE Advance có khả năng liên kết mạng với LTE và các hệ thống của 3GPP.
Công nghệ 4G đã thể hiện được một loạt các ưu điểm vượt trội so với các hệ thống cũ và cung cấp nhiều dịch vụ viễn thông dựa trên gói hỗ trợ bởi mạng di động và cố định. Hãng Ericsson đã thử nghiệm công nghệ LTE-4G tại Thụy Điển, nhà mạng AT&T và Sprint của Mỹ đã triển khai các dịch vụ sử dụng công nghệ này năm 2013. Nhà mạng Nhật Bản – NTT Docomo cũng đã triển khai công nghệ LTE-4G vào tháng 2/2011.
Tại Việt Nam theo dự đoán của giới truyền thông thì phải tới năm 2018 thế hệ di động thứ 4 mới được triển khai, cung cấp dịch vụ.
Hình 1.3 Tốc độ bit và sự phát triển di động đến IMT-Advanced
1.3 Tổng quan về Long Term Evolution ( LTE-4G) :
1.3.1 Giới thiệu chung:
Dựa trên tiền đề là LTE, 3GPP đã đưa ra công nghệ LTE-4G tập trung vào dung lượng, tốc độ bít cao hơn và hạ giá thành sản phẩm. Do vậy ITU đã công nhận LTE-4G đạt tiêu chuẩn 4G. Với khả năng hoàn toàn có thể tương thích với các thế hệ trước cùng với sự ủng hộ của các nhà khai thác mạng trên thế giới, LTE-4G đã nhanh chóng chiếm ưu thế trong việc mở rộng quy mô mạng hiện nay.
Đặc điểm của LTE-4G:
- Tăng tốc độ dữ liệu DL 3 Gbps, UL 1.5 Gbps.
- Hiệu quả sử dụng phổ cao hơn 16bps/Hz in R8 to 30 bps/Hz in R10
- Tăng số lượng thuê bao sử dụng đồng thời.
1.3.2 Yêu cầu thiết kế của LTE-4G :
1.3.2.1 Các thông số chính của LTE-4G yêu cầu:
|
STT |
Yêu cầu |
Thông số của LTE-4G |
|
1 |
Tốc độ downlink (peak) |
1Gbps |
|
2 |
Tốc độ uplink (peak) |
500Mbps |
|
3 |
Hiệu quả phổ (peak) |
Lên tới 100MHz |
|
4 |
Thời gian chờ |
< 50ms khi chuyển từ trạng thái rỗi sang trạng thái kết nối. Và < 5ms cho mỗi chuyển mạch gói riêng lẻ. |
|
5 |
Hiệu suất phổ downlink (peak) |
30bps/Hz (8X8) |
|
6 |
Hiệu suất phổ uplink (peak) |
15bps/Hz (4X4) |
|
7 |
Hiệu suất phổ downlink trung bình |
2.6 bps/Hz (4X2) |
|
8 |
Hiệu suất phổ uplink trung bình |
2.0 bps/Hz (2X4) |
|
9 |
Khả năng di động |
350km/h |
1.3.2.2 Kiến trúc mạng của LTE-4G :
Hình 1.4 Kiến trúc mạng LTE-4G
- Thiết bị người dùng (UE) : UE là thiết bị đầu cuối người dùng (User equipment) như điện thoại, máy tính...
- P-GW: chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE, cũng như thực thi QoS từ PCRF. PCRF sẽ lọc các gói IP hướng xuống người sử dụng trong các thông báo QoS khác nhau.
- S-GW: tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua S-GW, S-GW như một trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi UE di chuyển giữa các eNodeB. Nó cũng giữ lại thông tin về các thông báo khi UE trong tình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE. Thêm vào đó, S-GW còn thực hiện các chức năng điều khiển trong mạng khách như là thu thập thông tin để tính cước (ví dụ như lưu lượng dữ liệu gửi và nhận từ người dùng). Nó cũng cung cấp các trạm di động để kết nối liên mạng với các kĩ thuật khác của 3GPP như GPRS và UMTS.
- PCRF: chịu trách nhiệm việc điều khiển chính sách ra quyết định cũng như điều khiển các thực thể trong PCEF (Policy Control Enforcement Function) thường trú trong P-GW. PCRF cấp phép cho QoS quyết định cách thức một dòng dữ liệu hoạt động trong PCEF và đảm bảo phù hợp thuê bao người dùng.
- MME: điều khiển các Node xử lí tín hiệu giữa UE và CN. Giao thức giữa UE và CN là Non-Access Stratum (NAS).
- Chức năng chính của MME: cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính lưu động giữa LTE-4G và mạng truy nhập 2G/3G. Trạng thái UE rỗi theo dõi khả năng liên lạc (bao gồm điều kiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi).
- Theo dõi quản lý danh sách vùng. Kiểm tra tính xác thực của UE đến trạm trên dịch vụ của nhà cung cấp PLMN và giám sát việc thi hành sự giới hạn Roaming cho UE.
- Lựa chọn GW (sự lựa chọn Serving GW và PDN GW). Lựa chọn MME cho Handover khi thay đổi MME. Lựa chọn SGSN cho Handover tới các mạng 2G, 3G,3GPP
Nó chịu trách nhiệm chứng thực các user (bằng cách tương tác với HSS Home Subscriber Service). MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịch mật mã, bảo vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật.
- eNodeB (eNB): Là một trạm gốc BTS được tăng cường giao diện LTE-4G và chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến.
1.3.3 Các kỹ thuật nổi bật được sử dụng trong LTE-4G :
- Kỹ thuật đa truy cập phân tần trực giao: (Orthogonal frequency-division multiple access OFDMA): Đây là một biến thể của kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong truy cập downlink với ưu điểm và lưu lượng cao và cung cấp đồng thời nhiều User.
- Kỹ thuật đa truy cập phân chia tần số sóng mang đơn : (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - SC-FDMA ): Đây là kỹ thuật được ứng dụng cho truy cập uplink nhằm giảm thiểu PAPR và tiết kiệm năng lượng cho các UE.
- Kỹ thuật MIMO tiên tiến (Multi Input - Multi Output Advanced ).
- Tăng cường truyền dẫn nhiều anten (Enhanced Multi-antenna Transmission).
1.3.3.1 Giới thiệu về OFDMA
- Kỹ thuật này được xem là phiên bản triển khai đa người dùng của OFDM. Cách thức đa truy cập đạt được trong OFDMA là nhờ việc phân bổ nhiều sóng mang con cho từng người dùng riêng biệt. Kỹ thuật này được phát minh ra rất sớm, tuy nhiên do bị giới hạn về công nghệ phần cứng cho nên đến thế hệ tiền 4G mới được sử dụng.
- Ưu điểm như: Sử dụng phổ hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI), khả năng chống fading lựa chọn tần số. Cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trên nhiều sóng mang tần số thấp, hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.
- Nhược điểm: OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler, một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR.
1.3.3.2 Giới thiệu về SC-FDMA
Trong thực tế, các thiết bị đầu cuối bị giới hạn về công suất nên không thể sử dụng được OFDMA và chỉ số PAPR cao. Do vậy, kỹ thuật sóng SC-FDMA sử dụng trong tuyến xuống nhằm hạ PAPR cùng với việc tiêu thụ ít năng lượng trên các thiết bị đầu cuối.
1.4 Tổng kết chương
Trong chương thứ nhất này đã trình bày lịch sử phát triển của ngành thông tin di động từ 1G đến 4G và giới thiệu sơ lược về công nghệ LTE-4G. Đây là một công nghệ mới và có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ trước, xứng đáng là công nghệ dẫn đầu trong nền thông tin di động tương lai. Qua đó, đã giới thiệu sơ lược về các kỹ thuật dùng trong LTE-4G.
CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG XUỐNG VÀ ĐƯỜNG LÊN TRONG LTE-4G
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ đi sâu vào hai kỹ thuật là OFDMA và SC-FDMA được dùng trong LTE-4G. Hai kỹ thuật này lần lượt sẽ được dùng trong đường xuống và đường lên, lý do chọn lựa OFDMA cho đường xuống, SC-FDMA cho đường lên. Nội dung chương sẽ trình bày, phân tích cách thức hoạt động cũng như ưu nhược điểm từng kỹ thuật và ứng dụng kỹ thuật này vào trong LTE-4G.
2.2 Kỹ thuật đa truy cập đường xuống
2.2.1Giới thiệu chung về OFDMA
Kỹ thuật OFDMA thực chất là một biến thể của kỹ thuật OFDM. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là đa truy cập phân chia theo tần số trực giao. OFDMA như là một kế hoạch ghép kênh người dùng, nghĩa là mỗi khoảng thời gian symbol OFDMA, những nhóm nhỏ khác nhau của toàn bộ nhóm sóng mang có thể dùng được sử dụng để truyền cho nhiều đầu cuối di động khác nhau. Tức là thay vì dùng một kênh để truyền tải thông tin thì OFDMA dùng nhiều sóng mang con trực giao để truyền song song. Vì vậy tín hiệu được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn, mỗi luồng tương ứng cho một sóng mang con.
Hình 2.1 Các sóng mang con trực giao trong miền tần số
OFDMA là phương thức truyền đa truy cập. Trong một khe thời gian, có thể truyền nhiều sóng mang con phục vụ cho nhiều users khác nhau, mỗi user sẽ dùng một hoặc nhiều sóng mang con trong chùm sóng mang con đó, do vậy sẽ có tín hiệu điều khiển để thông báo cho các UE biết cần thu bộ phận nào và bỏ qua bộ phận nào.
Nhờ chia nhỏ khối lượng thông tin nên tốc độ trên mỗi kênh con thấp hơn nhiều so với tốc độ trên đường tổng cộng, do vậy có thể tránh được hiện tượng nhiễu đa đường (multipath fading) trong thực tế.
2.2.1.1 Sơ đồ và chức năng các khối :
Hình 2.2 Mô hình hệ thống OFDMA
Hình 2.3 Chèn CP tại bộ IFT và phát đi
- Khối S/P : Series to parallet sẽ chuyển đổi chuỗi bit vào nối tiếp thành song song, mục đích là để chia nhỏ luồng dữ liệu.
- Khối Modulation : Khối này điều chế dữ liệu vào thành các giá trị phức ở đầu ra. Có thể sử dụng kiểu điều chế QAM hoặc QPSK.
- Bộ IFFT : Chuyển đổi tín hiệu sang miền thời gian.
- Khối chèn khoảng bảo vệ (Add cyclic prefix): Do trong thực tế, tín hiệu truyền đi có thể phản xạ qua nhiều vật cản trong không gian sẽ tạo ra nhiều phiên bản tương tự nhau với độ trê khác nhau. Khối này sẽ tạo ra khoảng bảo vệ bằng cách cắt đoạn cuối của symbol trước dán vào phần đầu của symbol tiếp theo
- Khối P/S : Khối này chuyển các tín hiệu đầu ra bộ IFFT từ song song sang nối tiếp.
- Khối DAC : Khối này chuyển tín hiệu số thành tương tự để tạo thành tín hiệu liên tục với đường bao như hình dưới.
- Bộ khuếch đại : Khuêch đại tín hiệu lên tần số cao để truyền đi trong không gian.
Hình 2.4 Hình bao biễu tín hiệu OFDMA
2.2.1.2 Truyền tín hiệu giữa các khối trong OFDMA
- Đầu tiên chuỗi bit vào sẽ được chia nhỏ ra thành từng đoạn nhỏ nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song. Tiếp theo, bộ điều chế sẽ tiến hành điều chế từng đoạn bit đã cắt bằng QAM hoặc QPSK thành tín hiệu phức có dạng a+bi.
- Như vậy từng tín hiệu phức a1+b1i, a2+b2i, a3+b3i, …., an+bni sẽ được đưa vào khối IFFT chuyển đổi sang miền thời gian theo công thức sau:
Với k = 0, 1, 2, …., N-1 [1]
Hình 2.5 Mô tả truyền dữ liệu giữa các khối trong OFDMA
- Như vậy, đầu ra bộ IFFT sẽ là tín hiệu rời rạc theo thời gian Ak
[1]
- Tín hiệu y(n) này sẽ được chèn khoảng bảo vệ CP để tăng khoảng cách an toàn và đưa vào bộ DAC để lấy biên tín hiệu tạo thành tín hiệu liên tục theo thời gian
[1]
- Tất cả các quá trình trên được thực hiện trên băng gốc (sau khi điều chế QAM hoặc PSK) tuy nhiên khi truyền trong thực tế cần truyền ở tần số cao. Do vậy tín hiệu sẽ được điều chế và khuếch đại trước khi truyền đi.
- Tại đầu thu thực hiện ngược lại, tín hiệu được hạ tầng rồi biến đổi sang tín hiệu số rời rạc nhờ bộ ADC. Sau khi loại bỏ CP tín hiệu tiếp tục đưa vào bộ FFT để chuyển lại sang miền tần số gồm cả thông tin về biên độ và pha để phục vụ cho việc giải điều chế. Sau giải điều chế, chuỗi bit sẽ được chuyển song song sang nối tiếp nhờ bộ P/S tạo thành chuỗi bit ban đầu.
2.2.2 Các đặc trưng của kỹ thuật OFDMA
2.2.2.1 Sử dụng FFT/IFFT
Kỹ thuật OFDMA trong thực tế đã được phát minh từ rất sớm, khoảng thập niên 70 nhưng do giới hạn về phân cứng nên chưa được triển khai. Theo lý thuyết thì kỹ thuật này chia nhỏ luồng dữ liệu thành nhiều chuỗi ngắn hơn và được truyển đi nhờ vô số sóng mang con trực giao. Lúc này, từng chuỗi bit sau khi được điều chế QAM hoặc PSK sẽ được nhân với sóng mang con, các chuỗi bit sau khi được nhân với sóng mang sẽ qua bộ cộng lại thành tín hiệu tổng rồi truyền đi.
Rõ ràng với cách làm này thì số lượng các bộ điều chế sóng sẽ rất lớn không khả thi trong thực tế. Nhờ có sự phát triển của DSP hiện nay, người ta đã áp dụng thuật toán IDFT/DFT đóng vai trò như hàng loạt bộ điều chế và giải điều chế.
Công thức biến đổi DFT
Với k = 0, 1, 2, …., N-1 [1]
Để giảm thiểu thời gian tính toán DFT, thuật toán FFT ra đời nhằm giúp việc tính toán DFT nhanh gọn hơn. Vì thời gian tính toán chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức nên chỉ cần giảm số lượng phép nhân, và giải pháp là sử dụng thuật toán FFT.
Ta có tín hiệu qua bộ điều chế sẽ có dạng phức trong miền tần số, có thể biểu diễn tín hiệu theo đồ thị tần số biên độ. Bộ IFFT biến đổi đầu vào sang miền thời gian và chuyển song song sang nối tiếp. Như vậy, bộ IFFT đã làm công việc nhân từng chuỗi tín hiệu vào sóng mang rồi tổng hợp lại giống như từng phần cứng riêng biệt theo nguyên tắc của OFDMA.
Đầu thu thực hiện tương tự, bộ FFT sẽ chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang tần số, có thể biểu diễn theo biểu đồ tần số biên độ như lúc ở máy phát. Ứng với từng sóng mang con, bộ detect sẽ suy ra được các bit ban đầu.
2.2.2.2 Phương pháp chống nhiễu liên ký hiệu
Tín hiệu được truyền đi trong môi trường có nhiều vật cản nên sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ lên các vật thể tạo ra nhiều phiên bản của tín hiệu với độ trễ khác nhau. Do đó, các tín hiệu đến sau sẽ gây ảnh hưởng lên các tín hiệu đến trước. Hiện tượng này gọi là nhiễu liên ký tự ISI (inter symbol interfere).
Hình 2.6 Tín hiệu bị phản xạ trên đường truyền
Vì sự phản xạ trên đường truyền này nên các tia phản xạ sẽ đi quãng đường dài hơn tia truyền trực tiếp. Tại đầu thu, tín hiệu phản xạ này sẽ đến sau các tín hiệu truyền trực tiếp gây nên hiện tượng chồng lấn trong vùng ISI.
Độ trễ được tính theo công thức: [2]
Vì khoảng thời gian truyền của một mẫu tín hiệu rất nhỏ nên chỉ cần một sự sai lệch nhỏ về khoảng thời gian trễ sẽ gây ra sai lệch thông tin.
Hình 2.7 Ảnh hưởng của ISI
Để hạn chế nhiễu liên ký tự này, người ta chèn thêm một khoảng bảo vệ giữa các mẫu tín hiệu để đảm bảo tín hiệu không bị chồng lấn lên nhau bằng cách dời tín hiệu tiếp theo ra xa tín hiệu trước nó một khoảng trễ . Việc làm này giúp an toàn thông tin tuy nhiên lại làm cho thông tin truyền không được liên tục vì ta không thể chèn một khoảng trống vào đó (để chèn khoảng trống chỉ có thể tắt hệ thống truyền, điều này không tốt cho bộ khuếch đại). Do vậy người ta chèn khoảng bảo vệ bằng cách cắt đi những bit cuối của tín hiệu sau dán vào đầu của nó.
Hình 2.8 Khoảng bảo vệ CP được chèn vào giữa 2 symbol
- Lý do chèn khoảng bảo vệ bằng cách này vì nó đem lại nhiều ưu điểm
+ Giúp hệ thống liên tục, không ảnh hưởng bộ khuếch đại
+ Việc so khớp phần cuối của mẫu với phần đầu của nó (phần đầu là phần CP được thêm) giúp hệ thống dễ dàng nhận biết được điểm bắt đầu và kết thúc của một mẫu tín hiệu.
- Tuy nhiên việc chèn CP cũng có thể gây tốn dung lượng đường truyền, ta cần tính toán chọn độ dài CP cho hợp lý để không làm giảm hiệu suất hệ thống nhưng CP cũng phải đủ dài để loại bỏ được ISI (4,7~16,7)
- Ở phía máy thu, CP sẽ được loại bỏ trước khi giải điều chế.
2.2.2.3 Ưu nhược điểm của điều chế QAM và PSK trong OFDMA
PSK(Phase Shift Keying): Là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần biến đổi theo tín hiệu băng tần gốc
Hình 2.9 Biểu đồ vector
Ưu điểm: Điều chế PSK có độ thay đổi biên độ bằng 0 cho nên khuếch đại trước khi truyền dễ dàng, thích hợp truyền trong môi trường không yêu cầu công suất cao như thông tin di động
Nhược điểm: Khi số lương bit truyền trên mỗi mẫu lớn thì ta cần chia biểu đồ vector thành nhiều điểm làm cho khoảng cách giữa các điểm nhỏ dễ gây nhiễu. Cho nên để đảm bảo an toàn thông tin thì cần áp dụng các thuật toán mã hoá hoặc tăng công suất truyền.
QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Là phương thức điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK. Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc 90 độ. Tín hiệu tổng của 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừa điều pha.
Hình 2.10 Biểu đồ không gian tín hiệu
Ưu điểm: Tuỳ vào số lượng bit điều chế, có nhiều biểu đồ không gian tín hiệu 4 điểm, 16 điểm …. Nên khoảng cách hình học lớn, ít bị can nhiễu so với điều chế PSK
Nhược điểm: Do có biên độ thay đổi nên cần công suất truyền lớn. Mà khi công suất truyền lớn sẽ gây ra PAPR lớn. Thực tế tín hiệu được điểu chế rất nhiều điểm trên mặt phẳng vector nên tốc độ truyền bằng QAM sẽ rất lớn.
2.3 Kỹ thuật đa truy cập đường lên
2.3.1 Giới Thiệu về SC-FDMA
Trong khi tuyến xuống người ta dùng kỹ thuật OFDMA thể hiện được nhiều ưu điểm như tăng băng thông hệ thống, hiệu quả sử dụng phổ tăng, giảm fading lựa chọn tần số… thì nó lại làm cho chỉ số PAPR lớn. Khi chỉ số PAPR lớn thì yêu cầu hệ thống phải phát ở công suất lớn và bộ khuếch đại phải làm việc tuyến tính trên tất cả các vùng khuếch đại. Điều này làm tăng giá cả hệ thống và khó khăn trong thực tế do các thiết bị đầu cuối vốn không dồi dào về năng lượng, nhất là với các thuê bao di động. Do vậy, để hạn chế nhược điểm trên, kỹ thuật SC FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - đa truy cập phân chia tần số sóng mang đơn ) đã được đề xuất dùng cho đa truy cập đường lên.
2.3.2 Phương Thức Truyền SC-FDMA
2.3.2.1 Cấu Trúc Hệ Thống
Kỹ thuật SC FDMA tương tự như kỹ thuật OFDMA, có đều trong SC FDMA dùng sóng mang đơn để điều chế và giai đoạn đính kèm sóng mang được thực hiện trong miền tần số nên sẽ có thêm bộ DFT trước khối ánh xạ sóng mang con.
Hình 2.11 Mô hình hệ thống SC-FDMA sử dụng cho đường lên
2.3.2.1.1 Các khối chức năng trong hệ thống SC-FDMA
- Khối S/P: Chuyển tín hiệu đầu vào thành từng cụm song song đưa vào từng khối để chuẩn bị biến đổ Fourier.
- Khối DFT: Thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu đầu vào sang miền tần số trước khi thực hiện ánh xạ sóng mang con.
- Khối Subcarrier Mapping: Ánh xạ sóng mang con vào các mẫu tại đầu ra của khối DFT để truyền đi. Có 2 kiểu ánh xạ sóng mang con: Kiểu Localized hoặc Distributed.
- Khối IDFT: Thực hiện biến đổi tín hiệu sang miền thời gian.
- Khối Add CP: Thêm vào các khoảng bảo vệ để chống nhiễu liên ký tự ISI.
- Khối DAC/RF: Chuyển tín hiệu rời rạc thành liên tục và khuếch đại để truyền trong không gian.
2.3.2.1.2 Đường đi của tín hiệu qua các khối trong SC-FDMA
...........................
Nhận xét: Nhìn vào đồ thị ta thấy kỹ thuật SC FDMA (LFDMA và IFDMA) trong cả 2 phương pháp điều chế 16-QAM và QPSK đều cho ra PAPR nhỏ hơn kỹ thuật OFDMA. Do vậy sử dụng SC FDMA trong tuyến lên là điều hoàn toàn phù hợp.
4.4. Kết luận chương
Chương này đã trình bày được lý do tại sao lại sử dụng SC FDMA cho tuyến lên để giảm PAPR cũng như tiếc kiệm công suất. Kết quả mô phỏng cũng đúng theo như cơ sơ lý thuyết đã chứng minh ở các chương trước.
LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Kết luận:
Ở đồ án này em đã trình bày lịch sử phát triển mạng di động qua từng thời kỳ và đến nay là kỹ thuật LTE-4G. Đặc biệt quan tâm đến 2 kỹ thuật đó là OFDMA , SC-FDMA. Bằng cách giới thiệu, tìm hiểu, phân tích ưu nhược điểm từng loại kỹ thuật và ứng dụng chúng vào LTE-4G
Về phần mô phỏng đã tìm hiểu về chỉ số PAPR trong hệ thống LTE-4G qua đó đưa kết luận để khẳng định SC-FDMA cho ra chỉ số PAPR thấp hơn so với OFDMA do đó sử dụng SC-FDMA cho đa truy cập đường lên là phù hợp.
Hướng phát triển đề tài:
Với những với những kết quả đã đạt được ở trên thì những hướng phát triển để đề tài này là :
- Tìm hiểu kỹ thêm các kỹ thuật đã được dùng trong công nghệ LTE-4G
- Phần mô phỏng: Mô phỏng nhiều kỹ thuật để giảm PAPR ngoài SC-FDMA
- Tìm hiểu khả năng phát triển mạng 4G với công nghệ LTE-4G trong tương lai tại nước ta.
