Luận văn thạc sĩ về kỹ thuật OFDMA và đa truy nhập trong mạng LTE

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao cho hướng xuống ofdma, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Đức Thắng
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Ngọc Nam
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Đa Truy Nhập Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao Cho Hướng Xuống OFDMA Trong Mạng LTE
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• 1.2. Giới thiệu về hệ thống điện thoại di động
• 1.3. Các kỹ thuật cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin di động
• 1.4. Mạng tổ ong và vấn đề tái sử dụng tần số
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG LTE VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG MẠNG LTE
• 2.1. CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN ĐẾN MẠNG LTE
• 2.2. Trễ và Fading
• 2.3. Dịch tần Doppler
• 2.4. CẤU TRÚC MẠNG LTE
• 2.5. Lớp vật lý mạng LTE
• 2.6. Cấu trúc của mạng LTE
• 2.7. CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG MẠNG LTE
• 2.8. Kỹ thuật đa truy nhập cho hướng lên trong LTE
• 2.9. Kỹ thuật đa truy nhập cho hướng xuống OFDMA trong LTE
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OFDMA TRONG MẠNG LTE
• 3.1. NỀN TẢNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO
• 3.2. Điều chế tín hiệu và các phương pháp điều chế
• 3.3. Các phương pháp điều chế đơn sóng mang, đa sóng mang. Giới thiệu kỹ thuật OFDM
• 3.4. Trực giao trong OFDM
• 3.5. Các kỹ thuật điều chế băng tần cơ sở
• 3.6. ĐA TRUY NHẬP DỰA TRÊN KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO
• 3.7. Sơ đồ hệ thống OFDM
• 3.8. Phương pháp điều chế OFDM
• 3.9. Phương pháp giải điều chế OFDM
• 3.10. Cân bằng kênh cho hệ thống OFDM
• 3.11. KỸ THUẬT OFDMA CHO HƯỚNG XUỐNG TRONG MẠNG LTE
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHÁT VÀ THU TÍN HIỆU DỰA TRÊN KỸ THUẬT OFDM
• 4.1. SƠ ĐỒ THU PHÁT TÍN HIỆU OFDM
• 4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.3. Mô phỏng bộ phát OFDM
• 4.4. Mô phỏng bộ thu OFDM
• 4.5. Tín hiệu OFDM và phổ tín hiệu OFDM
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng LTE

Mạng LTE (Long Term Evolution) là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực thông tin di động, được thiết kế để thay thế các công nghệ 2G và 3G. Mạng này cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và chất lượng dịch vụ tốt hơn. Đặc điểm nổi bật của mạng LTE là khả năng hỗ trợ nhiều người dùng đồng thời thông qua kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). Kỹ thuật này cho phép chia nhỏ băng tần thành nhiều kênh con, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tần số. Mạng LTE sử dụng dải tần số rộng, giúp tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu và giảm thiểu độ trễ. Việc áp dụng OFDMA trong mạng LTE không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao khả năng phục vụ cho các ứng dụng đa phương tiện hiện đại.

1.1. Đặc điểm của mạng LTE

Mạng LTE có nhiều đặc điểm nổi bật, bao gồm khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao, độ trễ thấp và khả năng hỗ trợ nhiều người dùng cùng lúc. Kỹ thuật OFDMA cho phép phân chia băng tần thành nhiều kênh con, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tần số. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu sử dụng dịch vụ di động ngày càng tăng cao. Mạng LTE cũng hỗ trợ các công nghệ như MIMO (Multiple Input Multiple Output), giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn và tăng cường độ tin cậy của kết nối. Nhờ vào những đặc điểm này, LTE đã trở thành nền tảng cho các công nghệ di động thế hệ tiếp theo.

II. Kỹ thuật OFDMA trong mạng LTE

Kỹ thuật OFDMA là một trong những công nghệ chủ chốt trong mạng LTE, cho phép nhiều người dùng truy cập vào tài nguyên tần số một cách hiệu quả. OFDMA hoạt động dựa trên nguyên lý phân chia tần số trực giao, trong đó các sóng mang con được phân bổ cho từng người dùng mà không gây ra nhiễu lẫn nhau. Điều này giúp tối ưu hóa băng thông và nâng cao hiệu suất mạng. Kỹ thuật này cũng cho phép điều chỉnh linh hoạt tài nguyên theo nhu cầu của từng người dùng, từ đó cải thiện trải nghiệm người dùng. Việc áp dụng OFDMA trong mạng LTE không chỉ giúp tăng cường khả năng phục vụ mà còn giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền tải dữ liệu.

2.1. Nguyên lý hoạt động của OFDMA

Nguyên lý hoạt động của OFDMA dựa trên việc chia nhỏ băng tần thành nhiều kênh con, mỗi kênh con có thể được cấp phát cho một người dùng cụ thể. Điều này cho phép nhiều người dùng truy cập vào cùng một băng tần mà không gây ra nhiễu lẫn nhau. Kỹ thuật này sử dụng các sóng mang trực giao, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tần số. Nhờ vào khả năng phân chia tần số linh hoạt, OFDMA có thể điều chỉnh tài nguyên theo nhu cầu của từng người dùng, từ đó nâng cao hiệu suất mạng và cải thiện trải nghiệm người dùng.

III. Mô phỏng phát và thu tín hiệu dựa trên kỹ thuật OFDM

Mô phỏng phát và thu tín hiệu là một phần quan trọng trong nghiên cứu kỹ thuật OFDMA. Sử dụng phần mềm mô phỏng như Matlab, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng mô hình hệ thống phát và thu tín hiệu OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Mô phỏng này giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc triển khai mạng LTE. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng OFDMA trong mạng LTE không chỉ cải thiện tốc độ truyền tải mà còn nâng cao độ tin cậy của kết nối.

3.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống sử dụng OFDMA có khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn so với các hệ thống truyền thống. Mô phỏng cũng chỉ ra rằng việc áp dụng kỹ thuật này giúp giảm thiểu độ trễ và tăng cường độ tin cậy của kết nối. Các thông số như tỷ lệ lỗi bit (BER) và hiệu suất sử dụng băng thông được cải thiện đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng OFDMA là một giải pháp tối ưu cho mạng LTE, đáp ứng tốt nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng LTE (Long Term Evolution) được xem là bước tiến quan trọng trong lĩnh vực thông tin di động, thay thế dần các công nghệ 2G và 3G trước đây. Tính đến năm 2012, đã có khoảng 98 quốc gia triển khai công nghệ LTE với hơn 300 nhà cung cấp dịch vụ, cho thấy sự phổ biến và tầm quan trọng của mạng này trong việc đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng cao của con người. Mạng LTE cung cấp tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao, ổn định và chất lượng dịch vụ ưu việt, đặc biệt trong bối cảnh phát triển các ứng dụng đa phương tiện và truyền thông di động hiện đại.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho hướng xuống trong mạng LTE, nhằm tối ưu hóa hiệu suất sử dụng phổ tần và nâng cao chất lượng truyền dẫn. Mục tiêu cụ thể là phân tích, đánh giá và mô phỏng kỹ thuật OFDMA áp dụng cho hướng xuống trong mạng LTE, từ đó đề xuất giải pháp tối ưu cho kỹ thuật đa truy nhập trong hệ thống này. Phạm vi nghiên cứu bao gồm cấu trúc hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (LTE), các kỹ thuật điều chế và giải điều chế, cũng như mô phỏng bộ thu phát tín hiệu OFDM trên phần mềm Matlab.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên phổ tần, giảm thiểu nhiễu và cải thiện chất lượng dịch vụ trong mạng LTE, góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông di động hiện đại. Các chỉ số hiệu suất như tốc độ dữ liệu, độ trễ truyền dẫn và hiệu suất phổ được xem xét làm thước đo đánh giá hiệu quả của kỹ thuật OFDMA trong mạng LTE.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên nền tảng lý thuyết kỹ thuật thông tin số và các mô hình truyền thông vô tuyến hiện đại. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM): Đây là phương pháp điều chế tín hiệu số sử dụng nhiều sóng mang phụ trực giao, cho phép chồng lấn phổ tần mà không gây nhiễu lẫn nhau. OFDM giúp tăng hiệu suất sử dụng phổ và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đa đường (multipath fading).

• Kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA): Phát triển dựa trên OFDM, OFDMA phân chia phổ tần thành các kênh con (sub-channel) không nhất thiết liền kề, cấp phát cho nhiều người dùng đồng thời theo nhu cầu lưu lượng. Kỹ thuật này tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên phổ và nâng cao hiệu suất mạng.

Các khái niệm chính bao gồm: trực giao trong OFDM, điều chế và giải điều chế tín hiệu số, hiệu suất sử dụng phổ, trễ truyền dẫn, fading đa đường, và cấu trúc mạng LTE.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp mô phỏng thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn 3GPP về mạng LTE, cùng các nghiên cứu trước đây về OFDM và OFDMA. Phần mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab, xây dựng mô hình bộ thu phát tín hiệu OFDM đơn giản để đánh giá hiệu quả kỹ thuật OFDMA trong mạng LTE.

Cỡ mẫu mô phỏng được thiết kế phù hợp với các tham số kỹ thuật của mạng LTE, bao gồm băng thông, số lượng sóng mang phụ, và các thông số điều chế. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các kịch bản phổ biến trong mạng LTE để đảm bảo tính đại diện. Phân tích kết quả mô phỏng tập trung vào các chỉ số như phổ tín hiệu, hiệu suất sử dụng phổ, và khả năng khôi phục tín hiệu tại bộ thu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến 2014, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. OFDMA là giải pháp tối ưu cho đa truy nhập hướng xuống trong mạng LTE: Kỹ thuật OFDMA cho phép phân chia phổ tần linh hoạt thành các kênh con không liền kề, giúp cấp phát tài nguyên hiệu quả cho nhiều người dùng đồng thời. Mô phỏng cho thấy hiệu suất sử dụng phổ của OFDMA cao hơn đáng kể so với các kỹ thuật truyền thống, với mức tăng hiệu quả phổ lên đến khoảng 4 lần so với kỹ thuật điều chế đơn sóng mang.

2. Hiệu quả sử dụng phổ tần được cải thiện rõ rệt: Nhờ tính trực giao của sóng mang phụ trong OFDM, phổ tín hiệu có thể chồng lấn mà không gây nhiễu, giúp tăng mật độ phổ năng lượng và giảm thiểu nhiễu giao thoa. Kết quả mô phỏng phổ tín hiệu OFDM cho thấy mật độ phổ năng lượng tập trung và ổn định hơn so với các kỹ thuật FDMA hay TDMA.

3. Giảm thiểu ảnh hưởng của trễ đa đường và fading: Kỹ thuật OFDM với chuỗi bảo vệ (guard interval) giúp giảm thiểu nhiễu xuyên ký tự (ISI) do trễ đa đường. Mạng LTE sử dụng OFDMA cho hướng xuống tận dụng ưu điểm này để duy trì chất lượng tín hiệu ổn định trong môi trường truyền dẫn đa đường phức tạp.

4. Tốc độ dữ liệu và độ trễ truyền dẫn được cải thiện: Mạng LTE với OFDMA hỗ trợ tốc độ tải xuống lý thuyết lên đến 299.6 Mbps và độ trễ truyền dẫn dưới 5 ms trong điều kiện tối ưu. So với mạng 3G, đây là sự cải tiến vượt bậc, đáp ứng tốt các yêu cầu dịch vụ đa phương tiện và truyền thông thời gian thực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do tính trực giao của sóng mang phụ trong OFDM, cho phép chồng lấn phổ mà không gây nhiễu, đồng thời chuỗi bảo vệ giúp giảm thiểu ảnh hưởng của trễ đa đường. So với các kỹ thuật đa truy nhập truyền thống như FDMA, TDMA hay CDMA, OFDMA cung cấp khả năng phân bổ tài nguyên phổ linh hoạt và hiệu quả hơn, đặc biệt phù hợp với môi trường mạng LTE có băng thông rộng và số lượng người dùng lớn.

Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, khẳng định OFDMA là kỹ thuật đa truy nhập ưu việt cho hướng xuống trong mạng LTE. Việc sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng bộ thu phát OFDM giúp minh họa rõ ràng các đặc tính phổ tín hiệu và hiệu suất truyền dẫn, có thể trình bày qua các biểu đồ phổ năng lượng và tín hiệu thu được.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp cơ sở khoa học và thực nghiệm cho việc triển khai kỹ thuật OFDMA trong mạng LTE, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng trong thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai kỹ thuật OFDMA cho hướng xuống trong mạng LTE: Các nhà mạng cần ưu tiên áp dụng OFDMA để tận dụng hiệu quả phổ tần và nâng cao chất lượng dịch vụ, đặc biệt trong các khu vực có mật độ người dùng cao. Thời gian thực hiện có thể bắt đầu ngay trong giai đoạn nâng cấp hạ tầng mạng.

2. Tăng cường đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về OFDMA: Các tổ chức đào tạo và nghiên cứu cần tập trung phát triển nguồn nhân lực có chuyên môn về kỹ thuật OFDMA và mạng LTE, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ trong nước và quốc tế. Kế hoạch đào tạo nên được triển khai trong vòng 1-2 năm.

3. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ đánh giá hiệu suất: Để hỗ trợ việc thiết kế và tối ưu mạng LTE, cần đầu tư phát triển các công cụ mô phỏng chuyên sâu dựa trên Matlab hoặc các nền tảng tương tự, giúp đánh giá chính xác hiệu suất của OFDMA trong các điều kiện thực tế. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

4. Nâng cấp hạ tầng mạng LTE với băng thông linh hoạt: Khuyến nghị các nhà khai thác mạng sử dụng các băng tần từ 1.4 MHz đến 20 MHz, phù hợp với tiêu chuẩn LTE, để đảm bảo khả năng mở rộng và đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu ngày càng cao. Thời gian thực hiện nên gắn liền với kế hoạch phát triển mạng 4G và chuẩn bị cho 5G.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật OFDMA và mạng LTE, hỗ trợ nghiên cứu phát triển công nghệ truyền thông không dây hiện đại.

2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông: Thông tin về hiệu quả kỹ thuật và khả năng ứng dụng của OFDMA giúp định hướng chiến lược phát triển mạng di động thế hệ mới.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật truyền thông: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho việc học tập và nghiên cứu chuyên sâu về mạng LTE và kỹ thuật đa truy nhập.

4. Doanh nghiệp cung cấp thiết bị và dịch vụ viễn thông: Hiểu rõ về kỹ thuật OFDMA giúp cải tiến sản phẩm, tối ưu hóa thiết bị và nâng cao chất lượng dịch vụ mạng LTE.

Câu hỏi thường gặp

1. OFDMA là gì và tại sao nó quan trọng trong mạng LTE?
   OFDMA là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, cho phép nhiều người dùng truy cập đồng thời trên các kênh con không liền kề. Nó quan trọng vì tối ưu hóa hiệu suất sử dụng phổ và giảm nhiễu trong mạng LTE, giúp tăng tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ.

2. Làm thế nào OFDM giúp giảm ảnh hưởng của trễ đa đường?
   OFDM sử dụng chuỗi bảo vệ (guard interval) giữa các symbol, giúp tránh nhiễu xuyên ký tự do tín hiệu phản xạ đa đường gây ra. Điều này làm cho tín hiệu thu ổn định hơn trong môi trường truyền dẫn phức tạp.

3. Tốc độ dữ liệu của mạng LTE sử dụng OFDMA đạt được bao nhiêu?
   Mạng LTE với OFDMA có thể đạt tốc độ tải xuống lý thuyết lên đến khoảng 299.6 Mbps và tốc độ tải lên khoảng 75.4 Mbps, đáp ứng tốt các yêu cầu truyền thông đa phương tiện hiện đại.

4. Phần mềm Matlab được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Matlab được dùng để mô phỏng bộ thu phát tín hiệu OFDM, giúp đánh giá hiệu suất phổ tín hiệu và khả năng khôi phục tín hiệu trong mạng LTE, từ đó chứng minh ưu điểm của kỹ thuật OFDMA.

5. Làm sao để triển khai OFDMA hiệu quả trong mạng LTE thực tế?
   Cần kết hợp nâng cấp hạ tầng mạng, đào tạo nhân lực chuyên môn, phát triển công cụ mô phỏng và lựa chọn băng tần phù hợp. Việc này giúp tận dụng tối đa ưu điểm của OFDMA, nâng cao chất lượng dịch vụ và hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Kết luận

• Mạng LTE là hệ thống thông tin di động thế hệ 4 với tốc độ truyền dẫn cao và chất lượng dịch vụ ưu việt, đang được triển khai rộng rãi trên thế giới.
• Kỹ thuật OFDM với tính trực giao của sóng mang phụ giúp tăng hiệu suất sử dụng phổ và giảm thiểu nhiễu đa đường trong mạng LTE.
• OFDMA là giải pháp đa truy nhập tối ưu cho hướng xuống trong mạng LTE, cho phép phân bổ tài nguyên phổ linh hoạt và nâng cao hiệu quả mạng.
• Mô phỏng trên Matlab chứng minh hiệu quả của OFDMA trong việc cải thiện tốc độ dữ liệu và giảm độ trễ truyền dẫn.
• Đề xuất triển khai OFDMA trong mạng LTE, kết hợp đào tạo, phát triển công cụ mô phỏng và nâng cấp hạ tầng để đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ truyền thông hiện đại.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên tập trung vào việc ứng dụng và tối ưu kỹ thuật OFDMA trong thực tế, đồng thời chuẩn bị cho các công nghệ mạng di động thế hệ tiếp theo như 5G. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ triển khai, độc giả có thể liên hệ với các viện nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật truyền thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về mạng LTE Trình bày sự hình thành và phát triển của hệ thống thông tin di động. Giới thiệu về đặc điểm và các dải tần hoạt động của mạng LTE. Chương 2: Cấu trúc mạng LTE và các kỹ thuật sử dụng trong mạng LTE Trình bày về cấu trúc mạng LTE, các vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến khả năng triển khai và hoạt động của mạng LTE. Đặt ra giải pháp kỹ thuật truy nhập cho hướng lên và hướng xuống.

2 Luan van Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong mạng LTE Trình bày nền tảng kỹ thuật điều chế và giải điều chế thông tin số, nghiên cứu vấn đề trực giao, và kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA, áp dụng OFDMA cho hướng xuống trong kỹ thuật LTE Chương 4: Mô phỏng phát và thu tín hiệu dựa trên kỹ thuật OFDM Mô phỏng mô hình đơn giả của một hệ thống phát và thu tín hiệu OFDM thông qua phần mềm mô phỏng Matlab. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu dựa trên nền tảng cơ bản của kỹ thuật thông tin số, nguyên lý kỹ thuật OFDMA và thực hiện mô phỏng thông qua trên phần mềm Matlab. 3 Luan van CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE Chương này trình bày sự hình thành và phát triển của hệ thống thông tin di động. Giới thiệu về đặc điểm và các dải tần hoạt động của mạng LTE.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Giới thiệu về hệ thống điện thoại di động. Hệ thống điện thoại di động đầu thương mại đầu tiên được triển khai năm 1946; sử dụng băng tần 150 MHz; được đưa vào áp dụng tại Saint Louis – Hoa Kỳ. Hệ thống này có khoảng cách kênh 60 KHz, với số lượng kênh bị hạn chế, chỉ đến 3 kênh.

Đây là hệ thống bán song công, người đàm thoại ở mỗi đầu dây không nói được khi người đàm thoại đầu dây còn lại đang nói. Việc kết nối đàm thoại phụ thuộc vào nhân công (điện thoại viên). Sau đó hệ thống này được cải tiến thành hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh ở tần số 150 MHz, và hệ thống IMTS MK bao gồm 12 kênh ở tần số 450 MHz. Các hệ thống này được đưa vào sử dụng từ năm 1969.

Đây là hệ thống song công đầu tiên, mỗi BS có thể phục vụ một vùng bán kính rộng tới 80 Km. Đó là những hệ thống di động đầu tiên được đưa vào phục vụ cho mục đích thông tin liên lạc của con người. Từ những hệ thống di động ban đầu với chất lượng dịch vụ chất lượng thấp, cung cấp dịch vụ đơn thuần là thoại, tính bảo mật thông tin kém. Trải qua gần 70 năm, đến nay hệ thống thông tin di động đã có những bước tiến đáng kể và không ngừng phát triển nhằm gia tăng các phương thức cung cấp và chất lượng dịch vụ.

Ngày nay với sự phát triển hệ thống thông tin di động, chúng ta có thể gửi nhận dữ liệu dung lượng lớn với tốc độ cao. Đàm thoại video chất lượng tốt và dễ dàng truy cập các ứng dụng giải trí trên internet. Các kỹ thuật cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin di động a. Truyền sóng trong thông tin di động [17] Các phương thức truyền sóng cơ bản giữa máy phát và máy thu gồm có truyền song công phân chia theo tần số (FDD) và truyền song công phân chia theo thời gian (TDD).

Trong khi phương thức FDD sử dụng kênh tần số ở hai băng tần khác nhau để mang thông tin giữa MS và BS. Thì TDD sử dụng cùng môt kênh tần số để mang thông tin theo hai hướng tại các khe thơi gian luân phiên. FDD sử dụng 2 tần số khác nhau để truyền thông tin giữa BS và MS - Hướng xuống: Thông tin được truyền từ BS đến MS (Downlink ~ Forward Channel). - Hướng lên: Thông tin được truyền từ MS đến BS (Uplink ~ Reverse Channel).

TDD sử dụng chung 1 tần số để truyền thông tin giữa BS và MS Trong thông tin di động, mỗi hệ thống được cấp phát một hoặc nhiều băng tần, mỗi băng tần được chia thành nhiều kênh vô tuyến xác định. Ngoài ra tín hiệu được truyền giữa BS và MS còn chịu ảnh hưởng của suy hao, fading và nhiễu do đó hệ thống thông tin di động cần được thiết kế kỹ lưỡng tín hiệu được truyền đi và nhận được với chất lượng tốt nhất. Mạng tổ ong và vấn đề tái sử dụng tần số Để có thể tăng dung lượng thuê bao phục vụ người ta xây dựng hệ thống điện thoại di dộng theo cấu trúc mạng tố ong và nghiên cứu việc tái sử dụng tần số. Theo đó toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống điện thoại được chia thành các vùng phục vụ nhỏ, gọi là các ô, mỗi ô có một trạm gốc phụ trách và được tổng đài điểu khiển nhằm đảm bảo thuê bao có thể duy trì liên lạc khi di chuyển liên tục giữa các ô.

Tần số mỗi máy di động sử dụng không cố định ở một kênh mà kênh đàm thoại xác định nhờ kênh báo hiệu và máy di động được đồng bộ về tần số một cách tự động. Vì vậy các ô kề nhau nên sử dụng tần số khác nhau, và các ô ở xa có thể tái sử dụng lại tần số đã được sử 5 Luan van dụng. Để cho phép các máy di động có thể duy trì cuộc gọi liên tục trong khi di chuyển giữa các ô thì tổng đài sẽ điều khiển các kênh báo hiệu hoặc kênh lưu lượng theo sự di chuyển của máy di động để chuyển đổi tần số một cách tự động. Hệ thống điện thoại tổ ong bao gồm các máy điện thoại di động, BS và MSC ( Trung tâm chuyển mạch điện thoại di động).

Trên điện thoại di động có các bộ thu phát RF, anten và bộ điều khiển. BS bao gồm các bộ thu/phát RF để kết nối máy di động với MSC, anten, bộ điều khiển, đầu cuối số liệu và nguồn. MSC xử lý các cuộc gọi đi và đến từ mỗi BS và cung cấp chức năng điều khiển trung tâm cho hoạt động của tất cả các BS một cách hiệu quả và để truy cập vào tổng đài cảu mạng điện thoại công cộng. MSC bao gồm bộ phận điều khiển, bộ phận kết nối cuộc gọi, các thiết bị ngoại vi và cung cấp chức năng thu thập số liệu cước đối với các cuộc gọi đã hoàn thành.

Các máy di động, BS và MSC được liên kết với nhau thông qua các đường kết nối thoại và số liệu. Mỗi máy di động sử dụng một cặp kênh thu/phát RF. Vì các kênh lưu lượng không cố định ở một kênh RF nào mà thay đổi thành các tần số RF khác nhau phụ thuộc vào sự di chuyển của máy di động trong suốt quá trình cuộc gọi nên cuộc gọi có thể được thiết lập thông qua bất cứ một kênh nào đã được xác định trong vùng đó. Điều đó có nghĩa sẽ có trường hợp tất các các kênh đều bận do đã được kết nối với các máy di động.

Các thông tin thoại và báo hiệu giữa máy và BS được truyền qua kênh RF, các đường kết nối thoại và số liệu cố định được sử dụng để truyền thông tin thoại và dùng cho báo hiệu giữa BS và MSC. Để thuận tiện cho mô phỏng và tính toán, người ta sử dụng các ô lục giác để đại diện cho các cell, trên thực tế Trên thực tế, hình dạng cell là không xác định, việc quy hoạch vùng phủ sóng (coverage area) cần quan tâm đến các yếu tố địa hình và mật độ thuê bao, từ đó sẽ xác định số lượng trạm gốc BTS, kích thước cell và phương thức phủ sóng thích hợp. Số lượng Cell trong một vùng địa lý phụ thuộc vào mật độ thuê bao và các yếu tố địa hình (Các toàn nhà, cây cối, đồi núi, ao hồ…) 6 Luan van c. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Ở kỹ thuật TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung.

Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và các bit dữ liệu. Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số. TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian.

Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch. Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể. TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu.

Hệ thống CDMA a. Giới thiệu mạng CDMA Thiết bị di động được nghiên cứu sớm nhất gần như chỉ sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access). Theo phương thức đa truy nhập này, mỗi đôi thiết bị cùng thu phát sóng đồng thời, sử dụng phương pháp truyền sóng FDD Lý thuyết về mạng CDMA được xây dựng từ những năm 1950 và được ứng dụng trong thông tin quân sự từa những năm 1960. Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hóa từ 7 Luan van phương pháp thu GPS và Ommi-TRAC, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm – Mỹ vào năm 1990.

Trong CDMA nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (Mã tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được. Nguyên lý phát/thu tín hiệu CDMA Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần.