Đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC FDMA trong hệ thống LTE - Luận văn thạc sĩ HCMUTE

Luận văn thạc sĩ HCMUTE đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC FDMA trong hệ thống LTE, cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ viễn thông hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Thị Mai Lan
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Hồng Liên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Năng Kỹ Thuật SC-FDMA Trong Hệ Thống LTE
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH CÁ NHÂN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ 3GPP LTE
• 1.1. Tổng quan về công nghệ LTE
• 1.1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE
• 1.1.2. Các mục tiêu yêu cầu của LTE
• 1.1.3. Các tính năng quan trọng của LTE
• 1.1.4. Lập biểu phụ thuộc kênh
• 1.1.5. Điều phối nhiễu giữa các ô
• 1.1.6. Hỗ trợ đa anten
• 1.1.7. Hỗ trợ quảng bá và đa phương
• 1.1.8. Thích ứng đường truyền. Điều chế trong LTE
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE
• 2.1. Một số đặc tính của kênh truyền
• 2.1.1. Sự suy giảm tín hiệu
• 2.1.2. Hiệu ứng đa đường
• 2.1.3. Dịch tần Doppler
• 2.1.4. Nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI)
• 2.1.5. Nhiễu MAI đối với LTE
• 2.2. Các kỹ thuật truy nhập trong LTE
• 2.2.1. Đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA
• 2.2.2. Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA
• 2.2.3. Kỹ thuật đa anten
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA TẦN SỐ ĐƠN SÓNG MANG SC - FDMA
• 3.1. Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA
• 3.2. Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA
• 3.3. SC-FDMA với tạo dạng phổ
• 3.4. Các phương pháp sắp xếp sóng mang con
• 3.4.1. Phương pháp IFDMA
• 3.4.2. Phương pháp LFDMA
• 3.4.3. Phương pháp DFDMA
• 3.5. SC-FDMA và OFDMA
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT SC-FDMA
• 4.1. Phân tích đặc tính PAPR của SC-FDMA
• 4.2. Lưu đồ tính PAPR của SC-FDMA
• 4.3. Kết quả mô phỏng PAPR
• 4.4. Tỉ số lỗi kí hiệu SER trong SC-FDMA
• 4.4.1. Sơ đồ khối tính SER
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng SER
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về SC FDMA

Kỹ thuật SC FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) là một phương pháp truy cập vô tuyến được sử dụng trong hệ thống LTE. Kỹ thuật này được thiết kế để giảm thiểu tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) so với các phương pháp khác như OFDMA. SC FDMA cho phép truyền tải dữ liệu với hiệu suất cao hơn, đặc biệt trong các điều kiện kênh không ổn định. Việc sử dụng SC FDMA trong hệ thống LTE giúp cải thiện hiệu suất sử dụng băng thông và giảm thiểu độ phức tạp trong việc xử lý tín hiệu. Theo nghiên cứu, SC FDMA có khả năng duy trì chất lượng tín hiệu tốt hơn trong môi trường có nhiều nhiễu và suy giảm tín hiệu. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng di động hiện đại, nơi mà tốc độ và độ tin cậy là rất quan trọng.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của SC FDMA

Kỹ thuật SC FDMA có một số đặc điểm nổi bật. Đầu tiên, nó sử dụng một sóng mang duy nhất để truyền tải dữ liệu, điều này giúp giảm thiểu PAPR. Thứ hai, SC FDMA cho phép sắp xếp sóng mang linh hoạt, giúp tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên trong hệ thống. Các phương pháp sắp xếp như LFDMA, IFDMA, và DFDMA đều được áp dụng để cải thiện hiệu suất truyền dẫn. Hơn nữa, SC FDMA cũng hỗ trợ các kỹ thuật đa anten, giúp tăng cường khả năng truyền tải và giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền dẫn. Nhờ vào những đặc điểm này, SC FDMA đã trở thành một phần quan trọng trong thiết kế và triển khai các hệ thống LTE.

II. Phân tích hiệu năng kỹ thuật SC FDMA

Đánh giá hiệu năng của SC FDMA trong hệ thống LTE là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các chỉ số như PAPR, tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER), và hiệu suất sử dụng băng thông được phân tích chi tiết. Nghiên cứu cho thấy rằng SC FDMA có PAPR thấp hơn đáng kể so với OFDMA, điều này dẫn đến việc giảm thiểu công suất cần thiết cho bộ khuếch đại. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng SC FDMA có thể duy trì hiệu suất truyền dẫn cao ngay cả trong các điều kiện kênh khó khăn. Điều này chứng tỏ rằng SC FDMA không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành cho các nhà mạng. Hơn nữa, việc sử dụng SC FDMA trong các ứng dụng di động giúp tăng cường trải nghiệm người dùng thông qua việc cung cấp dịch vụ ổn định và nhanh chóng.

2.1. So sánh với OFDMA

Khi so sánh với OFDMA, SC FDMA cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội. Trong khi OFDMA có PAPR cao, dẫn đến yêu cầu công suất lớn cho bộ khuếch đại, SC FDMA lại cho phép giảm thiểu vấn đề này. Hơn nữa, SC FDMA có khả năng xử lý tín hiệu tốt hơn trong môi trường có nhiều nhiễu, nhờ vào việc sử dụng sóng mang duy nhất. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn mà còn giảm thiểu độ phức tạp trong thiết kế hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng SC FDMA có thể đạt được tỷ lệ lỗi ký hiệu thấp hơn trong các điều kiện kênh khác nhau, từ đó khẳng định vị thế của nó trong các ứng dụng di động hiện đại.

III. Ứng dụng của SC FDMA trong viễn thông

Kỹ thuật SC FDMA đã được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông hiện đại, đặc biệt là trong công nghệ LTE. Việc sử dụng SC FDMA không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn mà còn tạo ra nhiều cơ hội mới cho các dịch vụ di động. Các ứng dụng như video streaming, truyền tải dữ liệu lớn, và các dịch vụ đa phương tiện đều được hưởng lợi từ khả năng truyền tải ổn định và nhanh chóng của SC FDMA. Hơn nữa, với sự phát triển của Internet vạn vật (IoT), SC FDMA có thể đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối hàng triệu thiết bị với nhau, đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

3.1. Tương lai của SC FDMA trong công nghệ di động

Tương lai của SC FDMA trong công nghệ di động rất hứa hẹn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ 5G và các thế hệ tiếp theo, SC FDMA có thể được tối ưu hóa hơn nữa để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ và độ tin cậy. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện khả năng tương thích của SC FDMA với các công nghệ mới, đồng thời phát triển các phương pháp mới để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn. Điều này không chỉ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin di động, nhu cầu về truyền tải dữ liệu tốc độ cao và chất lượng dịch vụ đa phương tiện ngày càng tăng. Theo ước tính, tốc độ dữ liệu đỉnh của các hệ thống LTE có thể đạt tới 100 Mbps cho đường xuống và 50 Mbps cho đường lên với băng thông 20 MHz, vượt trội so với các công nghệ 3G trước đó như HSDPA và HSUPA. Tuy nhiên, kỹ thuật truyền dẫn OFDM, mặc dù có nhiều ưu điểm như khả năng chống nhiễu ISI, ICI và hỗ trợ băng thông rộng, vẫn tồn tại nhược điểm lớn là tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao, gây giảm hiệu suất bộ khuếch đại công suất và tăng chi phí thiết bị đầu cuối.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu và đánh giá hiệu năng kỹ thuật đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) trong hệ thống LTE, nhằm khắc phục nhược điểm PAPR của OFDM. Mục tiêu cụ thể là phân tích, so sánh PAPR và tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) giữa SC-FDMA và OFDM, đồng thời khảo sát các phương pháp sắp xếp sóng mang con như LFDMA, IFDMA và DFDMA trong SC-FDMA. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi công nghệ LTE chuẩn 3GPP, với dữ liệu mô phỏng dựa trên các tham số kỹ thuật thực tế của hệ thống.

Việc đánh giá hiệu năng SC-FDMA có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí thiết bị đầu cuối, từ đó góp phần phát triển các mạng di động thế hệ mới đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang OFDM/OFDMA và kỹ thuật đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA. OFDM là phương pháp điều chế chia luồng dữ liệu thành nhiều sóng mang con trực giao, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI) cũng như nhiễu liên sóng mang (ICI). Tuy nhiên, OFDM có nhược điểm lớn là PAPR cao do tín hiệu được truyền song song trên nhiều sóng mang con.

SC-FDMA là một biến thể của OFDM, sử dụng thêm bước biến đổi Fourier rời rạc (DFT) trước khi truyền, giúp trải phổ tín hiệu và giảm PAPR đáng kể. SC-FDMA còn hỗ trợ các phương pháp sắp xếp sóng mang con như Localized FDMA (LFDMA), Interleaved FDMA (IFDMA) và Distributed FDMA (DFDMA), mang lại độ linh hoạt cao trong truyền dẫn. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm PAPR, SER, fading chọn lọc tần số, hiệu ứng đa đường, dịch tần Doppler, và kỹ thuật cân bằng miền tần số.

Ngoài ra, luận văn cũng áp dụng các mô hình kênh truyền vô tuyến thực tế với hiệu ứng fading Rayleigh, đa đường và dịch tần Doppler để mô phỏng và đánh giá hiệu năng hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu khoa học, báo cáo kỹ thuật và các chuẩn công nghệ 3GPP LTE để xây dựng cơ sở lý thuyết và mô hình phân tích. Dữ liệu mô phỏng được thực hiện trên phần mềm chuyên dụng với cỡ mẫu tín hiệu lớn, sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên để đảm bảo tính đại diện.

Phân tích tập trung vào so sánh PAPR và SER giữa hệ thống OFDM và SC-FDMA với các kiểu điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các hệ số trải rộng băng tần (Q) và các kiểu sắp xếp sóng mang con. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp phân tích sử dụng các chỉ số kỹ thuật như hàm phân bố tích lũy bù (CCDF) của PAPR, tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) trong các mô hình kênh fading khác nhau, và so sánh hiệu suất sử dụng phổ tần.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm PAPR đáng kể của SC-FDMA so với OFDM: Kết quả mô phỏng cho thấy PAPR của SC-FDMA thấp hơn OFDM khoảng 3-5 dB tùy theo kiểu điều chế và hệ số trải rộng băng tần. Ví dụ, với điều chế QPSK và hệ số trải rộng Q=4, PAPR của SC-FDMA đạt khoảng 3 dB, trong khi OFDM có thể lên tới 7-8 dB.

2. Ảnh hưởng của kiểu điều chế đến PAPR và SER: PAPR tăng theo bậc điều chế, với 64-QAM có PAPR cao hơn QPSK và 16-QAM. Tuy nhiên, SC-FDMA vẫn duy trì PAPR thấp hơn OFDM trong mọi trường hợp. Tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) của SC-FDMA và OFDM tương đương trong mô hình kênh cố định, nhưng SC-FDMA có hiệu quả hơn trong môi trường fading chọn lọc tần số.

3. Tác động của các phương pháp sắp xếp sóng mang con: LFDMA cho hiệu suất PAPR tốt nhất trong SC-FDMA, tiếp theo là IFDMA và DFDMA. LFDMA cũng mang lại độ linh hoạt cao trong phân phối tài nguyên và giảm nhiễu giữa các người dùng.

4. Hiệu quả sử dụng bộ khuếch đại công suất: PAPR thấp của SC-FDMA giúp tăng hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công suất thiết bị đầu cuối, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng và mở rộng vùng phủ sóng. Điều này có thể được minh họa qua biểu đồ so sánh hiệu suất công suất của bộ khuếch đại giữa hai kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc SC-FDMA giảm PAPR là do tín hiệu được trải phổ qua biến đổi DFT trước khi truyền, làm giảm sự thăng giáng biên độ tín hiệu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây trong ngành viễn thông, đồng thời khẳng định tính ưu việt của SC-FDMA trong ứng dụng thực tế.

So sánh với các nghiên cứu khác, luận văn đã mở rộng phân tích bằng cách khảo sát đa dạng các kiểu điều chế và sắp xếp sóng mang con, cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về hiệu năng của SC-FDMA trong hệ thống LTE. Ý nghĩa của kết quả là giúp các nhà thiết kế mạng và kỹ sư phát triển các giải pháp tối ưu cho đường lên LTE, giảm chi phí thiết bị và nâng cao chất lượng dịch vụ.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ CCDF của PAPR, biểu đồ SER theo SNR, và bảng so sánh hiệu suất sử dụng phổ tần giữa các kỹ thuật, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và ưu điểm của SC-FDMA.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai SC-FDMA cho đường lên trong các mạng LTE: Khuyến nghị các nhà mạng ưu tiên áp dụng kỹ thuật SC-FDMA cho kênh đường lên nhằm giảm PAPR, tăng hiệu suất bộ khuếch đại công suất và tiết kiệm năng lượng thiết bị đầu cuối trong vòng 1-2 năm tới.

2. Tối ưu hóa phương pháp sắp xếp sóng mang con LFDMA: Đề xuất nghiên cứu và phát triển các thuật toán phân phối tài nguyên dựa trên LFDMA để tận dụng tối đa ưu điểm về PAPR và giảm nhiễu, nâng cao chất lượng dịch vụ trong các điều kiện kênh khác nhau.

3. Phát triển các giải pháp cân bằng miền tần số thích ứng: Khuyến khích ứng dụng các bộ cân bằng miền tần số phức tạp hơn tại trạm gốc để giảm thiểu ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số và dịch tần Doppler, nâng cao độ tin cậy truyền dẫn.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ kỹ sư: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật SC-FDMA và các công nghệ LTE mới nhằm đảm bảo triển khai hiệu quả và vận hành ổn định hệ thống trong vòng 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà thiết kế mạng viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật SC-FDMA và OFDM, giúp họ lựa chọn và tối ưu hóa công nghệ truyền dẫn trong hệ thống LTE.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử viễn thông: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu liên quan đến truyền dẫn đa sóng mang, giảm PAPR và cải thiện hiệu năng mạng di động.

3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông: Hiểu rõ về ưu nhược điểm của các kỹ thuật truyền dẫn giúp đưa ra quyết định đầu tư và phát triển hạ tầng mạng phù hợp với xu hướng công nghệ.

4. Nhà phát triển phần mềm và phần cứng viễn thông: Thông tin về mô hình mô phỏng và các thuật toán xử lý tín hiệu hỗ trợ phát triển các sản phẩm thiết bị đầu cuối và trạm gốc hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. SC-FDMA là gì và khác gì so với OFDM?
   SC-FDMA là kỹ thuật đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang, sử dụng biến đổi DFT để trải phổ tín hiệu trước khi truyền, giúp giảm PAPR so với OFDM truyền tín hiệu đa sóng mang song song. Ví dụ, SC-FDMA được áp dụng cho đường lên trong LTE để tiết kiệm năng lượng thiết bị đầu cuối.

2. Tại sao PAPR lại quan trọng trong hệ thống LTE?
   PAPR cao làm giảm hiệu suất bộ khuếch đại công suất, tăng tiêu thụ năng lượng và chi phí thiết bị. Giảm PAPR giúp tăng vùng phủ sóng và tuổi thọ pin thiết bị di động, điều này rất quan trọng trong mạng LTE với nhiều thiết bị di động.

3. Các phương pháp sắp xếp sóng mang con trong SC-FDMA có tác dụng gì?
   Các phương pháp như LFDMA, IFDMA và DFDMA ảnh hưởng đến phân bố tín hiệu trên sóng mang con, từ đó tác động đến PAPR và khả năng chống nhiễu. LFDMA thường cho PAPR thấp nhất và hiệu quả nhất trong thực tế.

4. SC-FDMA có ảnh hưởng thế nào đến tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER)?
   SC-FDMA duy trì tỷ lệ lỗi ký hiệu tương đương hoặc tốt hơn OFDM trong các mô hình kênh fading, nhờ khả năng cân bằng miền tần số và giảm nhiễu đa đường, giúp cải thiện chất lượng truyền dẫn.

5. Làm thế nào để mô phỏng hiệu năng của SC-FDMA?
   Mô phỏng sử dụng các phần mềm chuyên dụng với mô hình kênh fading Rayleigh, điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM, và tính toán CCDF của PAPR cùng SER theo SNR. Kết quả mô phỏng giúp đánh giá và so sánh hiệu năng kỹ thuật trong các điều kiện khác nhau.

Kết luận

• SC-FDMA giảm đáng kể PAPR so với OFDM, giúp tăng hiệu suất bộ khuếch đại công suất và tiết kiệm năng lượng thiết bị đầu cuối.
• Các phương pháp sắp xếp sóng mang con như LFDMA mang lại hiệu quả cao nhất trong việc giảm PAPR và cải thiện chất lượng truyền dẫn.
• SC-FDMA duy trì tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) tốt trong môi trường kênh fading, phù hợp cho ứng dụng trong hệ thống LTE.
• Việc áp dụng SC-FDMA cho đường lên LTE góp phần nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần và giảm chi phí thiết bị.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển thuật toán phân phối tài nguyên tối ưu, nâng cao bộ cân bằng miền tần số và đào tạo kỹ thuật viên để triển khai hiệu quả công nghệ này.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư tiếp tục khai thác và ứng dụng SC-FDMA trong các hệ thống viễn thông thế hệ mới nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ và chất lượng dịch vụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ 3GPP LTE Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và trở thành chuẩn di động 4G, đó là công nghệ LTE (Long Term Evolution) do 3GPP phát triển. Chương này sẽ giới thiệu về công nghệ LTE và những yêu cầu cho LTE như: tiềm năng công nghệ và hiệu năng hệ thống.

Tổng quan về công nghệ LTE 1. Giới thiệu về công nghệ LTE LTE (Long Term Evolution) là một chuẩn truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Hệ thống 3GPP LTE là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT-Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp.

3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA. Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA.

Truy cập tuyến lên dựa vào kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division multiple Access) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên 5 Luan van làm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) thấp so với kỹ thuật OFDMA. LTE đã sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh, thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu. Các mục tiêu yêu cầu của LTE Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả đường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác. Các mục tiêu LTE được thể hiện dưới các khía cạnh sau.

Tiềm năng công nghệ a. Tốc độ dữ liệu đỉnh Tốc độ dữ liệu đỉnh có thể được định nghĩa như thông lượng tối đa trên người dùng giả sử toàn bộ băng thông được cấp cho một người dùng với kiểu điều chế và mã hóa cao nhất và số anten lớn nhất được hỗ trợ, mào đầu giao diện vô tuyến đặc trưng đã được ước lượng và tính toán trong những giới hạn đã cho. Với các hệ thống TDD, tốc độ đỉnh thường được tính toán phân biệt cho đường lên và đường xuống, điều này dẫn đến có thể đạt được một tỉ số đường xuống/đường lên tương ứng và đánh giá mức độ tốt của hệ thống khi so với các hệ thống khác trong cùng chế độ song công. Hiệu quả sử dụng phổ tần đơn giản tính được bằng cách chia tốc độ dữ liệu đỉnh cho phổ tần được cấp phát.

Tốc độ dữ liệu đỉnh mà LTE hướng tới là 100Mbps và 50Mbps cho đường xuống và đường lên tương ứng, với băng thông 20MHz, hiệu quả phổ tần tương ứng lần lượt là 5bps/Hz và 2.5 bps/Hz, với giả sử rằng thiết bị đầu cuối có 2 anten thu và 1 anten phát. Số anten được sử dụng tại trạm gốc có thể dễ dàng được nâng cấp bởi các nhà khai thác mạng, phiên bản đầu tiên của LTE đã được thiết kế hỗ trợ đa anten đường xuống lên tới 4 anten phát và thu. Trễ mặt phẳng người dùng và trễ mặt phẳng điều khiển 6 Luan van Trễ mặt phẳng người dùng là một tham số hiệu năng quan trọng cho các dịch vụ tương tác và các dịch vụ thời gian thực. Trên giao diện vô tuyến, trễ mặt phẳng người dùng tối thiểu có thể được tính dựa trên phân tích báo hiệu trong trường hợp hệ thống không tải.

Nó được định nghĩa như thời gian trung bình giữa gói phát và thu đầu tiên của phản hồi lớp vật lý (ACK), bao gồm cả tỉ lệ phát lại HARQ (khoảng 0 – 30%). Định nghĩa này có thể được xem như khả năng của hệ thống mà không bị tác động bởi trễ lập lịch xuất hiện trong trường hợp hệ thống có tải. Trễ vòng (round – trip) có thể được tính đơn giản bằng cách nhân trễ mặt phẳng người dùng một chiều với hệ số 2. LTE yêu cầu trễ chấp nhận được trên một gói dữ liệu lớp IP một chiều qua giao diện vô tuyến tối đa là 5ms trong các điều kiện tối ưu.

Tuy nhiên, thực tế thì điều này cũng còn tùy vào tải hệ thống và điều kiện truyền, ví dụ HARQ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hiệu quả sử dụng phổ tần tuy nhiên lại gây độ trễ khi yêu cầu phát lại, trong khi ở một khía cạnh khác, khi hiệu quả sử dụng phổ tần không quan trọng thì trễ tối thiểu được đặt lên hàng đầu. Cùng với yêu cầu trễ mặt phẳng người dùng, thời gian thiết lập cuộc gọi cũng được yêu cầu phải thấp hơn so với các hệ thống di động tổ ong tồn tại trước đó. Điều này không chỉ mang lại hiệu quả trong cảm nhận của người dùng mà còn góp phần kéo dài thời gian phục vụ của nguồn nuôi trong các thiết bị đầu cuối, do chuyển đổi nhanh từ chế độ rỗi sang chế độ hoạt động sẽ giúp UE tiết kiệm được nhiều thời gian hơn ở trong chế độ rỗi – tiêu thụ công suất thấp. Trễ mặt phẳng điều khiển được tính như thời gian yêu cầu để thực hiện việc chuyển đổi giữa các trạng thái của LTE, mà chỉ gồm 2 trạng thái là RRC_IDLE (ngủ) và RRC_CONNECTED (hoạt động), trong LTE tham số này được yêu cầu là ít hơn 100ms khi chuyển trạng thái (ngoại trừ trễ tìm gọi và trễ các lớp không phải truy nhập).

Hiệu năng hệ thống Hiệu năng hệ thống của LTE đề cập tới thông lượng của người sử dụng, hiệu suất phổ tần, vùng phủ và MBMS tăng cường hơn. Thông lượng Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở hai điểm: vùng phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt hơn). Mục tiêu hiệu suất phổ tần cũng được đặc tả, trong đó hiệu suất phổ tần được định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/Hz.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường xuống và HSDPA HSDPA LTE Đích LTE/ Đã đạt Tốc độ đỉnh (Mbps) 14,4 144 100/đã đạt Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) 0,75 1,84 3-4 lần HSDPA/ đạt 2,5 Thông lượng người sử dụng biên ô 0,006 0,0148 2-3 lần HSDPA/đạt 2,5 Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường lên và HSUPA HSUPA LTE Đích LTE/ Đã đạt Tốc độ đỉnh (Mbps) 5,7 57 50/đã đạt Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) 0,26 0,67 2-3 lần HSUPA/ đạt 2,6 Thông lượng người sử dụng biên ô 0,006 0,015 2-3 lần HSUPA/đạt 2,5 b. Hỗ trợ di động Các yêu cầu về di động tập trung vào tốc độ di chuyển đầu cuối di động.

Mục tiêu đề ra là đạt được hiệu năng cực đại với tốc độ đầu cuối di động khoảng 0 - 15km/h, hiệu năng của hệ thống sẽ giảm khi tốc độ đầu cuối cao hơn. Đối với tốc độ trên 120km/h, LTE đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tế bào. Hệ thống LTE có thể quản lí tốc độ lên tới 350km/h thậm chí là 500km/h phụ thuộc vào băng tần cấp phát. Trường hợp này xuất hiện chủ yếu ở các máy di động trên các tàu cao tốc hiện đang ngày càng phổ biến trên thế giới.

Điều này có nghĩa là chuyển giao (handover) giữa các ô phải được thực hiện mà không có ngắt quãng, 8 Luan van nói cách khác, không thể cảm nhận được trễ và mất gói cho các cuộc gọi, đồng thời với truyền dẫn tin cậy cho các dịch vụ dữ liệu. Vùng phủ Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính ô) tức là khoảng cách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô. Hiệu suất, phổ tần và thông lượng yêu cầu cho các ô bán kính 5km, với các ô bán kính tới 30 km cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song vẫn đáp ứng tính di động. MBMS tăng cường Trong mạng quảng bá, tài nguyên vô tuyến được thiết lập trong từng ô nằm trong vùng quảng bá MBMS và tất cả các đầu cuối khi đăng kí với dịch vụ đều thu được cùng một tín hiệu được phát này.

Mạng không cần theo dõi chuyển động đầu cuối và đầu cuối khi đăng kí có thể thu nội dung mà không cần thông báo cho mạng. Như vậy một trong các lợi ích của dịch vụ MBMS là tiết kiệm được tài nguyên trong mạng vì một luồng dữ liệu có thể cung cấp cho nhiều người sử dụng. Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập tới chế độ quảng bá và chế độ phát đơn phương. LTE phải đảm bảo các dịch vụ tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp.

Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương ứng với 16 kênh TV, trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz. Tất nhiên LTE đảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộn lẫn với nhau. Các tính năng quan trọng của LTE 1. Sơ đồ truyền dẫn Sơ đồ truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM.

OFDM là một sơ đồ truyền dẫn hấp dẫn vì một số lý do, do thời gian ký hiệu OFDM kết hợp với chu trình tiền tố khá dài, OFDM đảm bảo độ bền chắc chống lại chọn lọc tần số của kênh vô tuyến cao hơn.