CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G-5G 1.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ trình bày tổng quan về các mạng thông tin di động 4G-LTE và 5G, cũng như tìm hiểu chi tiết các tham số hệ thống 4G-LTE, từ đó lựa chọn các tham số phù hợp để mô phỏng hệ thống.2 Công nghệ mạng 4G 1.1 Thế hệ mạng di động tiền 4G Hai công nghệ xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 (802.11m) và LTE (Long Term Evolution) vì chưa đáp ứng được chuẩn 4G là cho phép truyền tải ở tốc độ 100MB/s khi di chuyển và tới 1 GB/s khi đứng yên. Về bản chất, Wimax2 là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà cung cấp dịch vụ GSM. Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động trên các băng tần khác nhau. Long term Evolution (LTE): công nghệ di động đã được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP, nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện đầy đủ yêu cầu IMT- Advance.
LTE có tốc độ bit lý thuyết 100 MB/s cho download và 50 MB/s cho upload. Wimax-2: được phát triển bởi IEEE (IEEE 802. Wimax được cung cấp khả năng kết nối internet không dây nhanh hơn với wifi, tốc độ up và down cao hơn sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình. Wimax có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại có tốc độ bit net lý thuyết là 128 MB/s cho download và 64 MB/s cho upload.
Công nghệ không dây thế hệ thứ 4: Được biết sẽ là chuẩn tương lai của thiết bị không dây, các dịch vụ di động 4G với khả năng cung cấp băng thông rộng, dung HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 17 Luận văn tốt nghiệp lượng lớn, truyền dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ họa 3D linh hoạt, các dịch vụ âm thanh số. Với sự xuất hiện của mạng 4G nó sẽ giải quyết được: - Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị, internet không dây. - Băng thông rộng hơn. - Tính di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ.
- Hạ giá thành. - Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần.
Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL: 1885- 2025 MHz; DL: 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu.
Tốc độ DL: 100Mbps( ở BW 20MHz), UL: 50 Mbps với 2 aten thu một ăng-ten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA.3 Công nghệ LTE LTE (Long Term Evolution), là một hệ thống công nghệ được phát triển từ 3GPP, thuộc họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới, hướng đến thế hệ thứ 4 (4G). HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 18 Luận văn tốt nghiệp LTE sử dụng tần số một cách linh động, có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz cho tới 20 MHz.
Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (về lý thuyết) của LTE có thể đạt tới 250 Mb/s khi độ rộng băng tần là 20 MHz. • Quá trình phát triển LTE - Chuẩn LTE đầu tiên là phiên bản Release 8 của 3GPP vào tháng 12 năm 2008 dựa vào nền tảng của công nghệ viễn thông GSM (Global System for Mobile Communications). - Chuẩn LTE: thế hệ thứ 4 của UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. - Chuẩn LTE-Advanced (3/2011): là một bước chuyển lớn của LTE, LTE Advanced tương thích với các thiết bị của LTE phiên bản cũ, và dùng chung băng tần với các LTE phiên bản cũ.
Hình 1-1: Quá trình phát triển lên LTE [3] • Yêu cầu của LTE - Tốc độ tối đa (peak data rate) - 100 Mbps tải xuống, 50 Mbps tải lên trên băng thông kênh truyền 20 MHz - Hỗ trợ lên đến 200 người dùng hoạt động trong một cell (5 MHz) HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 19 Luận văn tốt nghiệp - Tính lưu động - Tối ưu hóa từ 0 ~ 15 km/h. - Hiệu suất cao trong khoảng 15 ~ 120 km/h - Hỗ trợ lên đến 350 km/h hoặc thậm chí lên đến 500 km/h. - Tăng cường dịch vụ phát sóng đa phương tiện (E-MBMS) - Độ trải phổ linh hoạt: 1,25 ~ 20 MHz - Tăng cường hỗ trợ chất lượng dịch vụ đế người dùng đầu cuối • Kỹ thuật sử dụng LTE - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - Frequency domain equalization - SC-FDMA (Single Carrier FDMA) - MIMO (Multi-Input Multi-Output) - Multicarrier channel-dependent resource scheduling - Fractional frequency reuse 1.4 Một số công nghệ quan trọng của mạng 4G-LTE • OFDM OFDM là công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn. Do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang.
OFDMA là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM, là một dạng cải tiền của OFDM. Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hóa.
• MIMO HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 20 Luận văn tốt nghiệp MIMO là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều ăng-ten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu… MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau. Tóm lại, MIMO là k ỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu để truyền và nhận dữ liệu Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên cùng một băng thông, giảm chi phí truyền tải. Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu đó Trong việc truyền thông bằng sóng vô tuyến, những chướng ngại vật trên đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như các tòa nhà cao ốc, dây điện và những cấu trúc khác trong khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ hoặc khúc xạ. Những yếu tố này làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hoặc mất hẳn.
Trong truyền thông kỹ thuật số, những yếu tố trên có thể làm giảm tốc độ truyền cũng như chất lượng của dữ liệu Trong công nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều ăng-ten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin. Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định. Điều này tương tự đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ bên ngoài, sau đó não bộ sẽ lọc, phân loại những âm thanh đó. Các sản phẩm wifi sử dụng công nghệ MIMO được nhiều nhà sản xuất quan tâm vì chúng có khả năng cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, tầm phủ sóng và độ tin cậy.5 Kiến trúc hệ thống 4G-LTE hướng xuống Ở đây ta có một chú ý rằng, 4G-LTE được coi là bước phát triển tiếp theo của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên nền tảng công nghệ di động GSM/UTMS được coi là công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G.
Để chi tiết hơn về LTE đường xuống, ta tìm hiểu mô hình hệ thống dự trên sơ đồ nhiều ăng-ten thu phát và OFDM. Việc kết hợp MIMO-OFDM tạo nên công nghệ HVTH: Nguyễn Văn Khuyến 21 Luận văn tốt nghiệp lớn và then chốt cho LTE. Nó phù hợp cho các hệ thống băng thông rộng, tốc độ dữ liệu cao, hơn nữa OFDM giúp khắc phục ISI trong môi trường fading đa đường hiệu quả phổ cao cho LTE downlink. Dưới đây là mô hình LTE downlink với 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu.
• Phía phát Hình 1-2: Sơ đồ khối phía phát LTE downlink [3] Từ hình vẽ ta thấy trên, ở bước đầu tiên, dữ liệu vào dạng nối tiếp được chuyển thành hai dữ liệu song song nhờ bộ chuyển đổi S/P. Mọi dòng dữ liệu này được điều chế vào các tần số sóng mang con khác nhau sử dụng sơ đồ ánh xạ chòm sao như BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Trong hình 1-2 sơ đồi khối phía phát LTE downlink là trường hợp 64-QAM. Phương pháp điều chế càng cao thì băng thông và tốc độ càng cao trong LTE.
Kết quả phù hợp với cấu trúc khung con trong LTE downlink, các mẫu chòm sao phức của mỗi dòng dữ liệu và pilot ánh xạ lên lưới OFDM. Mẫu sắp xếp các mẫu pilot khác nhau cho mỗi ăng-ten được sử dụng với mục đích ước lượng kênh. Trong khối STC (Space Time Coding) có khối zero padding, bởi vì tốc độ lấy mẫu lớn hơn nhiều so với băng thông truyền của hệ thống. Trong khối zero padding, chiều dài phổ tín hiệu được tăng lên bởi số lượng zero.
Tín hiệu được chèn zero được đưa tới khối IFFT đề điều chế OFDM.