Luận văn Đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA trong hệ thống lTE (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA trong hệ thống lTE (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ MAI LAN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG KỸ THUẬT SC-FDMA TRONG HỆ THỐNG LTE NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ – 60520203 S K C0 0 5 0 7 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. LÝ LỊCH CÁ NHÂN I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN THỊ MAI LAN Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1984 Nơi sinh: Thái Bình Quê quán: Xuân Hòa – Vũ Thư – Thái Bình Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Số 86, Dương Đình Hội, Phước Long B, Q.9 E-mail: thimailan_nguyen@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2006 đến 2008 Nơi học: Viện Đại học Mở Hà Nội Ngành học: Điện tử viễn thông Tên đồ án tốt nghiệp: Xây dựng chương trình điều khiển máy trộn bê tông Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 8/2008, Viện Đại học Mở Hà Nội Người hướng dẫn: Th.S. Trần Sĩ Hồng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2012-2013 ĐH Công nghiệp Tp. HCM Giảng dạy 2014 đến nay CĐ Công Thương Tp. HCM Giảng dạy i
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
4. LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô đã giảng dạy trong chương trình Cao học ngành Kỹ thuật điện tử - khóa 2014B, khoa Điện – Điện tử, trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích làm cơ sở cho tôi thực hiện đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Phạm Hồng Liên đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu và chia sẻ kinh nghiệm cho tôi trong thời gian thực hiện đề tài. Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên luận văn vẫn còn thiếu sót, tôi rất mong nhận được ý kiến góp ý của Thầy/Cô và các bạn. Tp.HCM, tháng 4 năm 2016 Học viên thực hiện Nguyễn Thị Mai Lan iii
5. TÓM TẮT Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) lớn là nhược điểm chính của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Mục đích chính của đề tài này là nghiên cứu so sánh PAPR của hệ thống OFDM và hệ thống SC-FDMA. Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của điều chế đa sóng mang, phù hợp cho việc thiết kế một hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao, loại bỏ được nhiễu ISI, ICI Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhược điểm nhất định. Nhược điểm chính của OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) khá lớn. PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy, để không làm méo tín hiệu phát, bộ khuếch đại công suất phải đặt ở chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao. Nội dung luận văn bao gồm 5 chương trình bày các vấn đề sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về công nghệ LTE, các mục tiêu yêu cầu của LTE và các tính năng quan trọng của LTE. Chương 2 trình bày các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong LTE và một số đặc tính của kênh truyền. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA cùng với các kiểu sắp xếp sóng mang khác nhau đem lại độ linh hoạt cao trong truyền dẫn được trình bày trong Chương 3. Chương 4 phân tích đặc tính PAPR của kỹ thuật SC-FDMA, lưu đồ mô phỏng PAPR và SER. Sau đó là kết quả mô phỏng. Các kết luận và hướng phát triển đề tài được trình bày trong Chương 5. iv
6. ABSTRACT High Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) is a major drawback of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique. Objective of this paper is the study of PAPR comparison between OFDM system and SC- FDMA system. OFDM technique is a special case of multi-carrier modulation, suitable for the design of a system with a high transmission speed, eliminating interference ISI, ICI Besides the outstanding points, it still exist certain disadvantages. The main disadvantage of OFDM is the ratio of average peak power rather large PAPR. Large PAPR by using multi-carrier OFDM to transmit information, the maximum value of the characters on a carrier can far exceed the average level over the entire carrier. So, in order not to distort the transmitted signal, power amplifier set to have large storage efficiency is not high. The content of the thesis includes 5 chapters presents the following issues: Chapter 1 presents an overview of LTE technology, the objective of LTE and important features. Chapter 2 presents the radio access techniques in the LTE system and a number of characteristics of the channel. Basic principles of SC-FDMA technique with different arrangement of carrier provide flexibility in the transmission, are presented in Chapter 3. Chapter 4 analyzes the characteristics of the PAPR in SC-FDMA technique, the flow chart for calculating the PAPR and SER. Then the simulation results. The conclusions and development trend themes are presented in Chapter 5. v
7. MỤC LỤC LÝ LỊCH CÁ NHÂN i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC HÌNH xii DANH MỤC BẢNG xiv MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 3 3. Phương pháp nghiên cứu 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ 3GPP LTE 5 1.1. Tổng quan về công nghệ LTE 5 1.1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE 5 1.1.2. Các mục tiêu yêu cầu của LTE 6 1.2. Các tính năng quan trọng của LTE 9 1.2.1. Sơ đồ truyền dẫn 9 1.2.2. Lập biểu phụ thuộc kênh 10 1.2.3. Điều phối nhiễu giữa các ô 11 1.2.4. Hỗ trợ đa anten 12 vi
8. 1.2.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương 12 1.2.6. Thích ứng đường truyền 13 1.3. Điều chế trong LTE 13 Chương 2. CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 15 2.1. Một số đặc tính của kênh truyền 15 2.1.1. Sự suy giảm tín hiệu 16 2.1.2. Hiệu ứng đa đường 16 2.1.3. Các loại fading 17 2.1.4. Dịch tần Doppler 17 2.1.4. Nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI) 18 2.1.5. Nhiễu MAI đối với LTE 18 2.2. Các kỹ thuật truy nhập trong LTE 19 2.2.1. Nguyên lý OFDM 19 2.2.2. Đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA 25 2.2.3. Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA 27 2.2.4. Kỹ thuật đa anten 29 Chương 3. KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA TẦN SỐ ĐƠN SÓNG MANG SC - FDMA 32 3.1. Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 32 3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA 32 3.1.2. SC-FDMA với tạo dạng phổ 37 3.1.3. Các phương pháp sắp xếp sóng mang con 39 3.2. Biểu diễn các kí hiệu SC-FDMA miền thời gian 41 3.2.1. Phương pháp IFDMA 41 3.2.2. Phương pháp LFDMA 42 vii
9. 3.2.3. Phương pháp DFDMA 44 3.3. SC-FDMA và OFDMA 46 Chương 4. MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT SC-FDMA 49 4.1. Phân tích đặc tính PAPR của SC-FDMA 49 4.2. Lưu đồ tính PAPR của SC-FDMA 51 4.3. Kết quả mô phỏng PAPR 53 4.4. Tỉ số lỗi kí hiệu SER trong SC-FDMA 58 4.5. Sơ đồ khối tính SER 59 4.6. Kết quả mô phỏng SER 60 Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 62 5.1. Kết luận 62 5.2. Hướng phát triển đề tài 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 viii
10. DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT 3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ thứ ba A AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng B BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân C Complementary Cumulative Distribution CCDF Hàm phân bố tích lũy bù Function CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoàn D Distributed Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần DFDMA Access số phân tán DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc F FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDE Frequency Domain Equalization Cân bằng trong miền tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số Đa truy nhập phân chia theo tần FDMA Frequency Division Multiple Access số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ix
11. G GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu H HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt HSDPA High Speed Downlink packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao I IBI Inter – Block Interference Nhiễu liên khối ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IEEE Institute of Electrical and Electronic Viện kỹ sư điện, điện tử Engineers IFDMA Interleave Distributed Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần Multiple Access số đan xen ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu L Localized Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần LFDMA Access số cục bộ (tập trung) LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn M Dịch vụ quảng bá/ đa phương MBMS Multimedia Broadcast/Multicast Service tiện MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra Lỗi trung bình quân phương nhỏ MMSE Minimum Mean Squared Error nhất P Tỷ số công suất đỉnh trên công PAPR Peak-to-Average Power Ratio suất trung bình Q QPSK Quaternary Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương x
12. S SC Single Carrier Đơn sóng mang Single Carrier with Frequency Domain Đơn sóng mang / Cân bằng SC/FDE Equalization trong miền tần số SC- Single Carrier Code-Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần CFDMA Multiple Access số mã hóa đơn sóng mang Single Carrier Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần SC-FDMA Access số đơn sóng mang SER Symbol Error Rate Tỷ số lỗi ký hiệu SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu T Song công phân chia theo thời TDD Time Division Duplex gian Ghép kênh phân chia theo thời TDM Time Division Multiplexing gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian U UE User Equipment Thiết bị người dùng Mạng truy nhập vô tuyến mặt UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network đất toàn cầu xi
13. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Điều phối nhiễu giữa các ô 12 Hình 1.2 Giản đồ chòm sao 14 Hình 2.1 Phân loại Fading 15 Hình 2.2 Hiện tượng truyền sóng đa đường 16 Hình 2.3 Các sóng mang con trực giao trong OFDM 20 Hình 2.4 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA 20 Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 21 Hình 2.6 Nhiễu ISI 23 Hình 2.7 Chèn khoảng bảo vệ CP 24 Hình 2.8 Tổng quan hệ thống OFDMA 25 Hình 2.9 Sóng mang con OFDMA 26 Hình 2.10 Cấu trúc bộ thu và phát của SC/FDE và OFDM 28 Hình 2.11 Sự khác nhau giữa hai hệ thống SC/FDE và OFDM trong tiến trình tách sóng và kí hiệu điều chế 29 Hình 2.12 Ba cơ sở của kỹ thuật đa anten: a - Phân tập; b - Tạo búp; c - Ghép kênh 30 Hình 3.1 Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA 32 Hình 3.2 Minh họa việc chèn khoảng CP 35 Hình 3.3 Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA 36 Hình 3.4 Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiêu SC-FDMA 38 Hình 3.5 Đáp ứng của bộ lọc Raised-cosine miền tần số và miền thời gian 39 Hình 3.6 Sắp xếp các sóng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA 40 xii
14. Hình 3.7 Hai phương pháp cấp phát sóng mang cho các đầu cuối 40 Hình 3.8 Tín hiệu SC-FDMA trong miền thời gian 46 Hình 3.9 Cấu trúc bộ thu SC-FDMA và OFDMA 47 Hình 4.1 Lưu đồ tính PAPR của SC-FDMA 52 Hình 4.2 Mô phỏng PAPR với α = 0.4 - điều chế QPSK 53 Hình 4.3 Mô phỏng PAPR với α = 0.4, điều chế 16QAM 53 Hình 4.4 Mô phỏng PAPR với α = 0.4, điều chế 64QAM 54 Hình 4.5 Mô phỏng PAPR với α = 0.15, điều chế QPSK 54 Hình 4.6 Mô phỏng PAPR với α = 0.15, điều chế 16QAM 55 Hình 4.7 Mô phỏng PAPR với α = 0.15, điều chế 64QAM 55 Hình 4.8 Mô phỏng PAPR khi không tạo dạng xung 57 Hình 4.9 Lưu đồ tính SER của SC-FDMA 59 Hình 4.10 SER của SC-FDMA và OFDMA trong mô hình kênh cố định 60 Hình 4.11 SER của SC-FDMA và OFDMA trong hai mô hình kênh khác nhau 61 xiii
15. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường xuống và HSDPA 8 Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường lên và HSUPA 8 Bảng 4.1 So sánh PAPR với xác suất nhỏ hơn 0.1% 57 Bảng 4.2 SER của các tín hiệu với mô hình kênh cố định 60 xiv
16. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thông tin di động ngày nay đã trở thành lĩnh vực không thể thiếu được trong đời sống xã hội với nhu cầu ngày càng tăng của con người không chỉ mục đích thông tin liên lạc mà còn các yêu cầu về dịch vụ đa phương tiện đa dạng như: video, hình ảnh và dữ liệu. Để đáp ứng nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng cao, các hệ thống thông tin di động không ngừng cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới. Cùng với sự phát triển nhanh chóng các thuê bao di động thì nhu cầu về chất lượng, tốc độ truyền tải dữ liệu ngày càng cao, đặc biệt là các thiết bị di chuyển với tốc độ cao đòi hỏi một hệ thống thông tin đi động đáp ứng các nhu cầu cấp thiết này, đó là các hệ thống 3G. Mặc dù 3GPP đã phát triển HSPA để tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps), nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di động Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của các nhà cung cấp dịch vụ băng thông rộng, 3GPP buộc phải phát triển 3G LTE để có thể đứng vững. Mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và xử lý tín hiệu số mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21 này. Điều đầu tiên cần lưu ý khi nói đến LTE là sự thay đổi trong tần số và băng thông sử dụng, LTE có thể sử dụng băng thông linh hoạt từ 1.25 MHz đến 20 MHz. Các băng thông này đặc biệt hữu ích trong những thị trường có độ phủ thưa thớt hoặc những nơi có rất nhiều tần số sử dụng có sẵn. Tất nhiên kênh rộng hơn, cao hơn có nghĩa là tốc độ dữ liệu tốt hơn, tiếp cận với người sử dụng nhiều hơn (nếu tất cả các yếu tố khác được coi là giống nhau). Các nhà mạng lựa chọn băng tần tùy thuộc vào quốc gia và quy định sử dụng băng tần của đất nước đó. Ngoài ra, đối với mạng vô tuyến thì kênh truyền vô tuyến là khía cạnh rất quan trọng trong việc thiết kế mạng hay truyền nhận tín hiệu. Một kỹ thuật khá phổ biến đó là OFDM hay dạng cải biến OFDMA được biết đến bởi sự đơn giản 1
17. và hiệu quả trong việc loại bỏ nhiễu liên ký tự, hỗ trợ truyền dẫn băng rộng, phù hợp với các hệ thống không dây, tốc độ cao, kênh truyền đa đường. Tuy nhiên, OFDM hay OFDMA có tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) khá cao và rất nhạy đối với các tần số offset từ đó dễ mất tính trực giao. Do đó để khắc phục các nhược điểm này, kỹ thuật SC-FDMA ra đời không chỉ giảm tỉ số PAPR mà độ phức tạp trong tính toán cũng thấp gần giống như OFDM. Thực tế, kỹ thuật SC-FDMA đã được triển khai cho kênh đường lên bắt đầu từ chuẩn công nghệ LTE (Long-Term Evolution) của mạng 3G. Trong khi WiMAX, được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE sử dụng công nghệ OFDMA cho truyền dẫn đường lên và đường xuống thì công nghệ LTE được chuẩn hóa bởi tổ chức hợp tác thế hệ thứ 3 (3GPP) lại chỉ sử dụng OFDMA cho truyền dẫn đường xuống, trong khi đường lên sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA). Trong SC-FDMA, các ký hiệu phát đi lần lượt thay vì phát đi song song như trong OFDMA, vì thế cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát. Do đó, các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảm bảo tốc độ và độ phức tạp tương đương như trong hệ thống OFDMA. Khi PAPR thấp làm tăng hiệu suất của bộ khuếch đại công suất dẫn đến tăng vùng phủ sóng và chi phí máy đầu cuối giảm thấp. Trong quyển sách [2] các tác giả mô tả một cách tổng quan về công nghệ 3GPP LTE, có một số tính năng vượt trội so với công nghệ Wimax và các công nghệ khác trong hệ thống di động. Kỹ thuật SC-FDMA trong 3GPP LTE sử dụng bộ cân bằng trong miền tần số ở bộ thu, làm giảm đi lỗi ký hiệu do sự ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số. Hơn nữa SC-FDMA có nhiều kiểu sắp xếp sóng mang con khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyền dẫn khác nhau, những thay đổi về mặt thực thi hệ thống của SC-FDMA so với OFDMA cũng dẫn tới việc phân phối tài nguyên trong hệ thống cũng bị thay đổi. Trong bài báo [10] phân tích thông số PAPR trong hệ thống 3GPP LTE sử dụng mạch lọc Raise cosine để đánh giá được hiệu năng của kỹ thuật SC-FDMA 2
18. so với OFDMA. Đồng thời, SC-FDMA cũng cải thiện hiệu quả công suất trung bình ở thiết bị đầu cuối do PAPR thấp. Mặt khác, bài báo [1] cũng trình bày sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) trong mô hình kênh fading của SC-FDMA và OFDMA để đánh giá hiệu năng của chúng. Ngoài ra, tác giả cũng tham khảo hai luận văn thạc sỹ: - “Giảm PAPR trong hệ thống OFDM bằng phương pháp giãn nén” của tác giả Nguyễn Toàn Văn, trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM. - “Phương thức SC-FDMA của hệ thống di động LTE và ứng dụng thiết kế trên phần cứng FPGA” của tác giả Lê Thị Lan Anh, trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM. Từ đây tác giả thấy rõ hơn ưu điểm của kỹ thuật SC-FDMA trong hệ thống LTE và tầm quan trọng của việc giảm PAPR. Xuất phát từ những vấn đề trên tác giả chọn đề tài nghiên cứu là: “Đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA trong hệ thống LTE”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Khái quát chung về mạng vô tuyến, chuẩn công nghệ truyền thông LTE, đặc điểm kênh truyền vô tuyến, các kĩ thuật đa truy nhập cho kênh truyền. - Khái quát lại kỹ thuật OFDM/ OFDMA, trong đó làm rõ ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật này; từ đó trình bày chi tiết kỹ thuật SC-FDMA, thể hiện rõ những ưu điểm của kỹ thuật SC-FDMA so với OFDMA, đồng thời phân tích và đánh giá chất lượng hệ thống mạng ở kênh đường lên giữa SC- FDMA và OFDMA. - Các phương pháp sắp xếp sóng mang con như: LFDMA, IFDMA, DFDMA trong hệ thống LTE. - Xây dựng mô hình mô phỏng PAPR, SER trong hệ thống LTE. 3. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng các tài liệu đã xuất bản, các bài báo khoa học và một số tài liệu chia sẻ trên website về công nghệ 3GPP LTE để: Tìm hiểu công nghệ 3GPP 3
19. LTE; Phân tích, đánh giá và so sánh các tính năng vượt trội của kỹ thuật SC-FDMA đường lên trong LTE so với kỹ thuật OFDMA. - Kết hợp với mô phỏng để làm sáng tỏ các vấn đề nêu ra. 4
20. 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. 1.1. Tổng quan về công nghệ LTE 1.1.1. 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
21. 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. 1.1.2. 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. 1.1.2.1. 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. b. Trễ mặt phẳng người dùng và trễ mặt phẳng điều khiển 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4