Đa Truy Nhập Trong Mạng Di Động 4GLTE (có code)

Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G Ngoài LTE của 3GPP thì 3GPP2 cũng đã đề xuất hệ thống UMB (Ultra Mobile Band), WiMAX cũng có kế hoạch tiến lên 4G. Hình 1.7 Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di dộng đến 4G Hình 1.8 Quá trình phát triển lên 4G với tốc độ dữ liệu cụ thể. 1.7 Thực trạng mạng di động 4G với công nghệ LTE trên thế giới hiện nay Theo các cuộc khảo sát gần đây có hơn 80% nhà cung cấp dịch vụ di động (telco) trên thế giới hiện đang sử dụng công nghệ GSM (gồm GSM, GPRS/EDGE, HSPA). Lợi thế về hạ tầng sẵn có và số lượng người sử dụng đông đảo là lý do chính để phát triển thị trường di động băng thông rộng với công nghệ HSPA và tiếp theo sẽ là LTE. Đặc tả kỹ thuật của công nghệ LTE có khả năng tương thích gần như hoàn hảo với công nghệ nền tảng GSM. SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 11 Chương I : Lộ Trình Phát Triển Thông Tin Di Động 3G Lên 4G Không chỉ GSM, các telco sử dụng công nghệ CDMA cũng không bỏ qua cơ hội chuyển tiếp lên 4G với công nghệ LTE đầy hấp đẫn này. Trong cuộc chạy đua để trở thành nhà khai thác mạng đầu tiên đưa vào vận hành thương mại các dịch vụ LTE, TeliaSonera đã về đích sớm nhất. TeliaSonera là telco đầu tiên trên thế giới thương mại hóa công nghệ LTE tại hai thủ đô Stockholm (Thụy Điển) và Oslo (Na Uy) vào cuối năm qua và tiếp tục triển khai sang Phần Lan. Song hành với chiến dịch triển khai mạng 4G LTE, TeliaSonera cũng tiếp tục mở rộng mạng Turbo-3G (công nghệ HSPA) nhằm tăng dung lượng và khu vực phủ sóng. Hãng này sử dụng công nghệ LTE tần số 2,6GHz cùng với băng thông 20MHz, tốc độ tối đa lên đến 100Mbit/s. Hiện nay thế giới có 10-15 mạng LTE đang hoạt động và lên đến 30 mạng vào cuối năm 2012. Mỹ, Nhật, Thụy Điển, Na Uy, Phần Lan, Trung Quốc…đã triển khai mạng 4G với công nghệ LTE và hiện đang mở rộng vùng phục vụ. Tại Việt Nam, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp phép thử nghiệm mạng di động 4G trong vòng 1 năm, cho 5 doanh nghiệp viễn thông: VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC và VTC. Trong đó Viettel đã thử nghiệm thành công (12/5/2011) tại Hà Nội và TP.HCM, tốc độ truyền dữ liệu tối đa đạt được lên tới 75Mbit/s (tải xuống) và 25Mbit/s (tải lên). Băng tần thử nghiệm ở cả Hà Nội và Tp.HCM là 2.6 GHz, độ rộng băng tần 10Mhz. Tải xuống: 2640 MHz – 2650 MHz; tải lên: 2520 MHz – 2530 MHz. 1.8 Tổng kết chƣơng Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA + (3G ) và LTE (E3G/4G-). Các công nghệ truy nhập HSPA vẫn dựa trên công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA và WCDMA. Đến LTE sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Có thể nói HSPA là hậu 3G còn LTE là tiền 4G. Trong chương này ta cũng đã xét đến công nghệ truy nhập vô tuyến cho 4G (IMT-Adv). Nhìn chung mục đích các công nghệ mới này là nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành. - Tăng tốc độ số liệu đỉnh. - Tăng tốc độ bit tại biên ô. - Cải thiện hiệu năng sử dụng phổ tần. - Giảm trễ vòng. - Sử dụng băng thông linh hoạt. - Giảm chi phí đầu tư mạng. - Giảm độ phức tạp, giảm giá thành, giảm tiêu thụ công suất đầu cuối. - Tương thích với các mạng đã triển khai. - Tối ưu hóa tốc độ di động thấp, đồng thời hổ trợ tốc độ di động cao. Với các dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao trở nên phổ biến, nhu cầu của hệ thống 3G cũng như phát triển nó lên 4G ngày càng trở nên cấp thiết với các nước trên thế giới và ở Việt Nam. Trong giai đoạn đầu của 4G tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz. Tiếp sau thời kỳ phát triển của 4G với tốc độ từ 100Mbit/s đến 1Gbit/s và băng thông 100MHz . SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 12 Chương II : OFDMA Trong LTE CHƢƠNG II : OFDMA TRONG LTE 2.1 Mở đầu OFDMA là phương pháp đa truy nhập vô tuyến dựa trên OFDM được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động băng rộng thay thế CDMA.Trong đó OFDM là công nghệ truyền dẫn đa sóng mang tiết kiệm băng tần sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng tốc độ cao. Nội dung chương này ta sẽ xét đến nguyên lý OFDM và ứng dụng nó trong mô hình lớp vật lý OFDMA đường xuống của LTE. 2.2 Nguyên lý OFDM 2.2.1 Khái quát chung Truyền dẫn OFDM là kiểu truyền dẫn đa sóng mang với một số đặc trưng cơ bản sau :  Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp : Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con song song băng hẹp.  Các sóng mang trực giao với nhau : khoảng cách giữa hai sóng mang con liền kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang con để làm cho chúng trực giao với nhau.  Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM (hình 2.1). Đơn sóng mang f Khoảng bảo vệ Đa sóng mang f Tiết kiệm băng thông f Hình 2.1 Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 13 Chương II : OFDMA Trong LTE  Ưu điểm của OFDM - Tiết kiệm băng tần làm tăng hiệu quả sử dụng phổ. - OFDM dể dàng hổ trợ ấn định băng thông linh hoạt. - Loại bỏ nhiễu giữa các ký tự (ISI) và nhiễu giữa các sóng mang (ICI) nhờ sử dụng khoảng bảo vệ. - Giải quyết hiệu quả các ảnh hưởng của fading phẳng đa đường nhờ tốc độ ký tự OFDM là thấp. - Kháng nhiễu băng hẹp rất tốt, vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng đến một tỉ lệ nhỏ các sóng mang con. - OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang. - Cho phép điều chế thích nghi cho mỗi người dùng QPSK,16QAM, 64QAM… 2.2.2 Tính chất trực giao trong OFDM Các tín hiệu được gọi là trực giao nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin (multiple information signal) được truyền một cách hoàn hảo (không bị lỗi) qua một kênh truyền thông thường và được tách mà không gây nhiễu xuyên kênh. Việc mất tính trực giao sẽ tạo ra sự chồng lắp giữa các tín hiệu mang thông tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu. Máy thu Máy phát Hình 2.2 Máy phát và thu các sóng mang con trực giao  Các sóng mang con trực giao lẫn nhau thỏa : 1 Ts  Ts 0 e j 2 f k .e  j 2 fl 1 dt  Ts  Ts 0 e j 2 ( fk  fl )   1 ( k l ) 0( k l ) (2.1) OFDM đạt được tính trực giao trong miền tần số bằng cách chia các tín hiệu mang thông tin riêng biệt vào mỗi sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM bao gồm các hàm SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 14 Chương II : OFDMA Trong LTE sin cơ bản, mỗi hàm tương ứng với một sóng mang con. Tần số ở băng tần gốc của mỗi sóng mang con được chọn bằng số nguyên lần của nghịch đảo thời gian của một ký hiệu. Do đó, tất cả các sóng mang con đều có số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol. Kết quả là các sóng mang con trực giao với nhau. Tập hợp các hàm sẽ trực giao với nhau nếu chúng thỏa điều kiện trong phương trình (2.1). Nếu 2 hàm bất kỳ trong tập hợp các hàm trực giao khi nhân với nhau và lấy tích phân trong khoảng thời gian một ký hiệu, kết quả sẽ bằng không. Một cách khác, nếu chúng ta xem xét bộ thu kết hợp cho một trong các hàm trực giao (dùng để tách hàm trực giao cần thiết), khi đó bộ thu chỉ nhận được kết quả của hàm đó. Kết quả từ tất cả các hàm khác trong tập hợp sau khi lấy tích phân đều bằng không và do đó không gây ảnh hưởng. Trong miền tần số, phổ của các sóng mang con chồng lấn lên nhau nhưng không gây nhiễu giao thoa lẫn nhau là nhờ vào tính trực giao giữa chúng. Theo đó mõi tần số trung tâm của các sóng mang con có sự khác nhau trong miền tần số, mà ở đó các sóng mang con kế cận có giá trị bằng không tại thời điểm lấy mẫu sóng mang con mong muốn. Điểm lấy mẫu cho 1 sóng mang con Δf =15 kHz Giá trị là 0 cho các sóng mang con khác TFFT=1/ Δf Ký hiệu điều chế t Tổng băng thông truyền dẫn của N sóng mang con Hình 2.3 Các sóng mang con trực giao SVTH: Huỳnh Hoàng Anh Lớp: D07VTA1 Trang 15 Chương II : OFDMA Trong LTE 2.2.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Ký hiệu N là tổng số sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và P là số sóng mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng. Sau đây trình bày sơ đồ khối hệ thống OFDM. x0 X0 X0,X1,…,Xp-1 IFFT N điểm S/P x(m) P/S X p-1 Chèn CP x(t) DAC x N-1 0 0 Kênh vô tuyến a)Máy phát y0 X’0 X’0,X’1,…,X’p-1 P/S X’p-1 RF FFT N điểm Loại bỏ CP S/P y(t) RF ADC y(t) yN-1 Không dùng a)Máy thu Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 2.2.3.1 Máy phát  Các khối ký hiệu điều chế (QPSK, 16QAM, 64QAM) gồm P ký hiệu điều chế (X 0, X1,…,Xp-1) được đưa đến bộ nối tiếp vào song song (S/P) để được P luồng song song với độ dài ký hiệu của mỗi luồng bằng TFFT (độ dài hiệu dụng của ký hiệu OFDM).  Mỗi ký hiệu điều chế Xi (i = 0, 1,…,P-1) có giá trị phức thể hiện phổ rời rạc của sóng mang con thứ i trong số N sóng mang con hệ thống. Các sóng mang con được điều chế X 0, X1,…,Xp-1 kết hợp với N-P sóng mang con rỗng (bằng không) tạo nên tập {X i} (i = 0,1,…, N-1) giá trị phức và được đưa lên N đầu vào của bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT)  Bộ IFFT cho ra N sóng mang con trong miền thời gian {x i} (i=0,1,…,N-1). Các sóng mang con trong miền thời gian này được thể hiện ở các mẫu rời rạc với tần số lấy mẫu f s . fs = NΔf = N  Ts = SVTH: Huỳnh Hoàng Anh 1 TFFT 1 TFFT = N fs Lớp: D07VTA1 (2.2) (2.3) Trang 16