LỜI NÓI ĐẦU Từ điện thoại tƣơng tự đến dịch vụ Internet (bao gồm cả thoại và dữ liệu), mỗi quá trình chuyển đổi đã đƣợc khuyến khích bởi sự cần thiết phải đáp ứng các yêu cầu của thế hệ công nghệ di động mới. Hiện nay, công nghệ truyền thông di động hiện đang phải đối mặt với một thách thức mới, tạo ra một xã hội siêu kết nối thông qua sự xuất hiện của các dịch vụ thế hệ thứ năm (5G). Với tiềm năng to lớn cho cả ngƣời tiêu dùng và công nghiệp, hệ thống thông tin di động 5G dự kiến sẽ triển khai vào năm 2020. Công nghệ 5G đòi hỏi hiệu suất phổ cao (10-100 – tức gấp 2 cho tới 10 lần hiệu suất phổ trong 4G), tốc độ dữ liệu ngƣời dùng cao (10 - 20 Gbps tức là 10-20 lần tốc độ dữ liệu đỉnh trong 4G), độ trễ thấp (cỡ 1 mili giây - một phần năm độ trễ trong 4G)., mật độ kết nối dày đặc với khả năng kết nối cao.
Do đó, cần phải có những công nghệ đa truy cập mới đáp ứng đƣợc những yêu cầu đã đề ra ở trên. Đa truy cập phi trực giao (NOMA) là một trong số những công nghệ đó. NOMA là một công nghệ hứa hẹn nhằm tăng cƣờng thông lƣợng và năng lực của hệ thống. NOMA cho phép nhiều ngƣời dùng chia sẻ tài nguyên thời gian và tần số trong cùng một không gian bằng cách đơn giản hóa việc đa truy cập hợp kênh miền công suất hoặc đa truy cập hợp kênh miền mã một cách tuyến tính.
Nhiễu xảy ra do NOMA đƣợc kiểm soát bằng việc phân bổ nguồn tài nguyên phi trực giao, với chi phí tăng độ phức tạp của máy thu khi sử dụng cơ chế loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) hoặc khả năng tối đa ML (Maximum Likelihood). Nội dung luận văn sẽ đƣợc trình bày nhƣ sau: Chƣơng 1 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di đông; tiếp sau đó, chƣơng 2 sẽ trình bày tổng quan, phân loại các công nghệ đƣợc sử dụng trong NOMA; cuối cùng chƣơng 3 sẽ đánh giá hiệu năng của NOMA và so sánh với OMA. Thông qua các vấn đề đƣợc đề cập đến trong luận văn, em mong rằng sẽ có sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ NOMA và những chỉ tiêu, thông số của mạng di động 5G trong tƣơng lai. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Các đặc tính mạng 2G Mạng thông tin di động 2G là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng nhƣ khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên.
Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu tƣơng tự của thế hệ 1G và đƣợc áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991. Mạng 2G mang tới cho ngƣời 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 tin hiệu thoại khi đƣợc thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu số dƣới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại đƣợc lƣu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lƣợng sóng ít hơn và sử dụng các linh kiện thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn… + Đặc điểm: - Dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế cho truyền thông di động đồng nhất - Chuyển vùng quốc tế - Mã hóa số - Các dịch vụ tăng cƣờng (Dữ liệu + Thoại) - Tiêu thụ công suất thấp - Thiết bị đầu cuối có kích thƣớc nhỏ gọn, tiện lợi và nhẹ - Công nghệ truyền dẫn TDMA/CDMA - Dung lƣợng lớn Mạng 2G dựa trên 2 kĩ thuật chính tùy theo từng nƣớc sử dụng.
+ GSM: Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số. Hầu hết thì hoạt động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz. Vài nƣớc ở Châu Mỹ thì sử dụng tần số 850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trƣớc. Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 MHz hay 450 MHz chỉ có 2 ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác.
Các mạng sử dụng tần số 900 MHz thì đƣờng lên (từ thuê bao di động đến trạm truyền dẫn) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đƣờng xuống sử dụng tần số trong dải 935–960 MHz. Các băng tần này đƣợc chia thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz. Trong hệ thống GSM, phƣơng pháp GMSK (Gausian Minimum Shift Keying) đƣợc sử dụng để điều chế tín hiệu. GSM sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (time division multiplexing), cho phép truyền 8 kênh thoại trên 1 kênh vô tuyến.
Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA. Tốc độ dữ liệu cho cả tám kênh là 270. + CDMA 2000: là một tiêu chuẩn công nghệ di động họ 3G[1], tiêu chuẩn này sử dụng kỹ thuật truy cập kênh đa sóng mang CDMA, để gửi thoại, dữ liệu và dữ liệu báo hiệu giữa các điện thoại di động và trạm gốc, hỗ trợ tốc độ dữ liệu gói lên tới 153 kbps với truyền dẫn dữ liệu thực trung bình đạt 60–100 kbps trong hầu hết các ứng dụng thƣơng mại trên thế giới. Tiêu chuẩn CDMA2000 đƣợc thiết kế vận hành với băng thông 1,25MHz.
Trong kỹ thuật này, nhiều sóng CDMA2000 trải phổ trực tiếp (sóng mang 1,25MHz) đƣợc kết hợp lại để tạo thành tín hiệu CDMA dải rộng hỗn hợp (5MHz). Tốc độ chip của CDMA2000 đƣợc chọn là 1,2288 Mchip/s [1].2 Các đặc tính mạng 3G Mạng 3G (Third-generation technology) là mạng di động thế hệ thứ ba theo chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả thoại số và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh. Mạng thông tin di động 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio không hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay [2].
Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lƣợng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phƣơng tiện, nhƣ âm nhạc 3 chất lƣợng cao; hình ảnh video chất lƣợng và truyền hình số; Các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail; Video streaming; High-ends games;. + Đặc điểm: - Kênh có băng thông rộng hon nhiều so với 2G - Công nghệ truyền dẫn W-CDMA. Hiệu suất phổ cao hơn (~2 b/s/Hz) - Tốc độ bit cao + Các thông số kĩ thuật chính Các tiêu chuẩn chung sau đây tuân thủ tiêu chuẩn IMT2000 / 3G:W- CDMA là triển khai phổ biến nhất, thƣờng hoạt động trên băng tần 2,100 MHz.
Một số khác sử dụng các băng tần 850, 900 và 1,900 MHz.HSPA là một sự pha trộn của một số nâng cấp lên chuẩn W-CDMA ban đầu và cung cấp tốc độ 14,4 Mbit / s và 5,76 Mbit / s. Tốc độ chip của WCDMA đƣợc chọn là 3,84 Mchip/s. WCDMA truyền nhiều kênh cùng một lúc với các mã trực giao khác nhau, những kênh mã này có thể gây nhiễu với nhau khi giao thoa “pha” nhận đƣợc bởi một trạm gốc không đƣợc lý tƣởng.3 Các đặc tính mạng 4G 4G mạng thông tin đi động thế hệ thứ 4. Dự án hợp tác thế hệ 3 (3GPP) chuẩn hoá.
Hệ thống thông tin di động 4G cải thiện các mạng truyền thông hiện hành bằng cách đƣa ra một giải pháp hoàn chỉnh và đáng tin cậy dựa trên IP. Các tiện ích nhƣ thoại, dữ liệu và đa phƣơng tiện sẽ đƣợc truyền tải tới ngƣời đăng ký ở mọi thời điểm và ở mọi nơi với tốc độ dữ liệu khá cao liên quan đến các thế hệ trƣớc đó. Các ứng dụng đang đƣợc thực hiện để sử dụng mạng 4G là: Dịch vụ Nhắn tin Đa phƣơng tiện (MMS), Video kỹ thuật số (DVB) và trò chuyện video, nội dung Tivi có độ nét cao và TV di động. + Đặc điểm: - Kênh có băng thông rất rộng, - Công nghệ truyền dẫn hợp kênh phân chia tần số trực giao.
- Hiệu suất phổ cao hơn nhiều so với 3G (~ 8 b/s/Hz) - Sử dụng các kĩ thuật phân tập (Thời gian, tần số, không gian) - Tốc độ bít rất cao 4 + Các kĩ thuật chính Mạng 4G hiện hoạt động trên băng tần LTE. Tiêu chuẩn LTE có thể đƣợc dùng với nhiều băng tần khác nhau. Ở Bắc Mỹ, dải tần 700/ 800 và 1700/ 1900 MHz đƣợc quy hoạch cho LTE; 800, 1800, 2600 MHz ở châu Âu; 1800 và 2600 MHz ở châu Á; và 1800 MHz ở Australia. Đặc tả kỹ thuật LTE chỉ ra tốc độ tải xuống đỉnh đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên đỉnh đạt 75 Mbit/s và QoS quy định cho phép trễ truyền dẫn tổng thể nhỏ hơn 5 ms trong mạng truy nhập vô tuyến.
LTE có khả năng quản lý các thiết bị di động chuyển động nhanh và hỗ trợ các luồng dữ liệu quảng bá và đa điểm. LTE hỗ trợ băng thông linh hoạt, từ 1,25 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ cả song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD). Phần lớn tiêu chuẩn LTE hƣớng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng có thể thực sự trở thành công nghệ truyền thông di động 4G. Một lƣợng lớn công việc là nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, vì nó chuyển từ mạng UMTE sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh + chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn IP.
E-UTRA là giao diện vô tuyến của LTE. Nó có các tính năng chính sau [3]: + Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị ngƣời dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông là 20 MHz). 5 kiểu thiết bị đầu cuối khác nhau đã đƣợc xác định từ một kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh. Tất cả các thiết bị đầu cuối đều có thể xử lý băng thông rộng 20 MHz.