Nâng cao chất lượng mạng tính toán di động thế hệ sau.pdf

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LƯƠNG DUY HIẾU
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẠNG TÍNH
TOÁN DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2010

2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LƯƠNG DUY HIẾU
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẠNG
TÍNH TOÁN DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN HỒNG QUÂN
HÀ NỘI - 2010
NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
CHUYÊN NGÀNH TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ 60 48 15

3. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn được hoàn thành do bản thân tự nghiên cứu và
không hề sao chép từ bất kỳ luận văn nào. Nội dung luận văn có trích dẫn, tham
khảo được nêu rõ trong phần “Tài liệu tham khảo”.
Tôi xin cam đoan những lời khai trên là đúng, mọi thông tin sai lệch tôi
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng.
Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2010
Người cam đoan
Lương Duy Hiếu

4. MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
BẢNG THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ
CHƯƠNG 1. LỊCH SỬ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG V À MẠNG 4G.....3
1.1 LỊCH SỬ MẠNG DI ĐỘNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN .........................3
1.2 GIỚI THIỆU MẠNG 4G...................................................................................6
1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G....................................9
CHƯƠNG 2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ....................................................................................13
2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM..................................................................................... 13
2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN OFDM ......................................................................14
2.3 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM.............................................................. 15
2.4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA OFDM .............................................................. 19
2.5 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG OFDM ...............................................19
2.6 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA OFDM ...................................................................22
CHƯƠNG 3. NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG BẰNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP OFDM -MIMO.........................................24
3.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................24
3.2 MÔ HÌNH MÁY PHÁT DI DỘNG OFDM...................................................... 26
3.3 MÔ HÌNH KÊNH. ........................................................................................... 26
3.4 MÔ HÌNH MÁY THU DI DỘNG OFDM........................................................ 28
3.5 CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ANTEN ..................................................29
3.6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG..................................................................................31
3.7 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO .......................................................................33
3.7.1 Khái niệm............................................................................................... 33
3.7.2 Mô hình toán học ...................................................................................33
3.7.3 Dung lượng hệ thống MIMO..................................................................34
3.8 MÔ HÌNH HỆ THỐNG OFDM - MIMO KẾT HỢP........................................35
3.8.1 Đề xuất mô hình hệ thống MIMO-OFDM ..............................................36
3.9 TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG OFDM -MIMO ..................................38
3.10 XÁC SUẤT LỖI ĐỐI VỚI HỆ THỐNG VÔ TUYẾN ĐIỀU CHẾ MPSK .....40
3.11 XÁC SUẤT LỖI ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ MQAM........................ 41
3.12 TÍNH XÁC SUẤT LỖI ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ QPSK ................42

5. CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP
KẾT HỢP OFDM-MIMO....................................................................................... 44
4.1 CÔNG CỤ MÔ PHỎNG ..................................................................................44
4.2 MÔ PHỎNG BỘ PHÁT VÀ BỘ THU OFDM .................................................44
4.3 MÔ PHỎNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP OFDM-MIMO.......................................47
4.3.1 Mô hình giải pháp OFDM-MIMO.......................................................... 47
4.3.2 Lưu đồ phát ký tự trong mô hình OFDM-MIMO....................................47
4.3.3 Lưu đồ thu ký tự trong mô hình OFDM-MIMO .....................................48
4.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER ...................................................49
4.3.5 Số liệu mô phỏng ...................................................................................49
4.3.6 Xác suất lỗi đối với hệ thống vô tuyến điều chế MPSK .......................... 50
4.3.7 Xác suất lỗi đối với hệ thống vô tuyến điều chế MQAM v à MPAM.......51
4.3.8 Xác suất lỗi đối với hệ thống vô tuyến điều chế QPSK ........................... 53
4.4 ĐÁNH GIÁ......................................................................................................54
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 56
PHẦN PHỤ LỤC .....................................................................................................59

6. LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Quân, Viện
khoa học kỹ thuật Bưu điện đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian
nghiên cứu luận văn này.
Xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin - Đại
học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, trang bị những
vốn kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tôi có được kết quả tốt nhất trong học
tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động
viên tôi hoàn thành tốt chương trình học và đề tài nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày 18 tháng 9 năm 2010

7. BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AM Amplitude Modulation
AWGN Additive White Gaussian Noise
B
BER Bit Error Rate
BPSK Binary Phase Shift Keying
BS Base Station
C
CDMA Code Division Multiple Access
CP Cyclic Prefix
D
DC Direct Current (0 Hz)
DFT Discrete Fourier Transform
DPLL Digital Phase Look Loop
DS-CDMA Direct Sequence CDMA
DSP Digital Signal Processor
DVB Digital Video Broadcasting
F
FDM Frequency Division Multiplexing
FEC Forward Error Correcting
FFT Fast Fourier Transform
FIR Finite Impulse Response (digital filter)
FM Frequency Modulation
FOE Frequency Offset Estimation
FSC Frame Synchronization Code
FSK Frequency Shift Keying

8. G
GI Guard Interval
I
ICI InterChannel Interference
ICI InterCarrier Interference
ISI InterSymbol Interference
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers
IFFT Inverse FFT
IMD Inter-Modulation Distortion
ISI InterSymbol Interference
O
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P
P/S Parallel to Serial
PAPR Peak to Average Power Ratio
PM Phase Modulation
PN Pseudo Noise
PSK Phase-Shift Keying
Q
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QPSK Quadrature Phase-Shift Keying
S
S/P Serial to Parallel
SC Single Carrier
SNR Signal to Noise Ratio
W
Wimax Worldwide Interoperability for Microwave Access

9. 2
BẢNG THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ
HÌNH SỐ NỘI DUNG HÌNH VẼ
Hình 1.1 Trục phát triển của hệ thống thông tin di động
Hình 1.2 Các thế hệ di động
Hình 1.3 Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản
Hình 1.4 Lịch sử các thế hệ di động theo công nghệ phát triển
Hình 1.5 Mô hình các dịch vụ trong mạng 4G
Hình 2.1 Truyền dẫn sóng mang đơn
Hình 2.2 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang
Hình 2.3 Các sóng mang trực giao
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống OFDM
Hình 2.5 OFDM với 4 sóng mang con
Hình 3.1 Mô hình máy phát và thu đối với hệ thống OFDM
Hình 3.2
Hình 3.3
Mô hình véc tơ kênh không gian cho ULA trong kênh
AWGN và kênh Rayleigh
Hình 3.4 Phân tích và giả lập kết quả BER cho kênh AWGN và kênh
Rayleigh
Hình 3.5 Mô hình kết hợp giữa MIMO và OFDM
Hình 3.6 N kênh truyền Gauss trắng song song

10. 3
HÌNH SỐ NỘI DUNG HÌNH VẼ
Hình 3.7 Các chuẩn thông tin không dây của IEEE
Hình 3.8 Mô hình hệ thống MIMO
Hình 3.9 Mô hình hệ thống OFDM-MIMO với bộ phát và bộ thu cải
tiến
Hình 3.10 Mô hình thực hiện biến đổi
Hình 4.1 Mô hình hệ thống OFDM-MIMO
Hình 4.2 Lưu đồ mô phỏng phát ký tự trong mô hình OFDM-MIMO
Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM truyền
Hình 4.4 Phổ tín hiệu OFDM nhận
Hình 4.5 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền
Hình 4.6 Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận
Hình 4.7 Mô hình hệ thống OFDM-MIMO
Hình 4.8 Lưu đồ mô phỏng phát ký tự trong mô hình OFDM-MIMO
Hình 4.9 Lưu đồ mô phỏng thu ký tự trong mô hình OFDM-MIMO
Hình 4.10 Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER
Hình 4.11 Đồ thị mô tả xác suất lỗi đối với điều chế MPSK
Hình 4.12 Đồ thị mô tả xác suất lỗi đối với điều chế MQAM
Hình 4.13 Đồ thị mô tả xác suất lỗi đối với điều chế MPAM
Hình 4.14 Đồ thị mô tả xác suất lỗi đối với điều chế QPSK

11. 1
LỜI GIỚI THIỆU
Với việc phát triển mạnh mẽ của hệ thống thông tin di động, nhu cầu
nghiên cứu, ứng dụng và phát triển các thế hệ di động mới không ngừng đ ược
quan tâm và đang trở thành xu thế tất yếu trong kỷ nguyên công nghệ số. Như
một lời hứa cho tương lai, hệ thống thông tin di động 4G đang là mối quan tâm
lớn của giới nghiên cứu và ứng dụng nhằm thỏa mãn những đòi hỏi ngày càng
cao của các dịch vụ mà các thế hệ thông tin di động thế hệ trước chưa thể đáp
ứng một cách hoàn hảo.
Theo trục phát triển của hệ thống thông tin di động, mỗi thế hệ luôn gắn
liền với một cộng nghệ then chốt làm nền tàng cho hệ thống của mình. Với thế
hệ di động 2G thì đó là TMDA và CDMA. Với thế hệ di động 3G thì đó là W-
CDMA và CDMA2000. Với thế hệ 4G thì công nghệ OFDM được xem như là
trái tim của hệ thống. Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng đ ược
nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết
kiệm băng tần và khả năng chống lại fading chọn lọc theo tần số cũng như
xuyên nhiễu băng hẹp. Cùng với sự ra đời của các chip FFT (Fast Fourier
Transformers) có dung lượng lớn, gần đây OFDM được ứng dụng rộng rãi trong
các hệ thống thông tin di động thế hệ mới., ti êu biểu là hệ thống DVB-T (1995),
DVN-T2, chuẩn IEEE 802.11a, HIPERR LANII. MMAC chuẩn IEEE 802.11g
và là một ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống di động 4G.
Trong khuôn khổ của luận văn này, sẽ xem xét ở khía cạnh kỹ thuật các
công nghệ sử dụng trong mạng di động 4G để tìm kiếm giải pháp nhằm nâng
cao hiệu năng của hệ thống. Một trong những giải pháp nhằm nâng cao hiệu
năng là tận dựng ưu điểm hệ thống OFDM kết hợp với ưu điểm của MIMO để
tạo nên một hệ thống có tính kháng fading cao. Điểm chính của luận văn l à tập

12. 2
trung nghiên cứu hệ thống OFDM-MIMO làm việc trong môi trường fading kết
hợp nhiễu cộng. Phân tích ưu nhược điểm của từng loại riêng lẻ, sau đó kết hợp
chúng lại với nhau để loại trừ ảnh hưởng của fading. Nội dung của luận văn
cũng đưa đến bài toán cụ thể sau: Để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin
di động thế hệ sau trên nền điều chế OFDM thì từ chúng ta có thể sử dụng phép
biến đổi kỳ dị để biến đổi kênh từ fading và nhiễu AWGN về kênh chỉ có
AWGN. Đóng góp của luận văn là chứng minh được rằng: “Nếu một kênh vô
tuyến bị tác động đồng thời của nhiễu và fading đa đường bằng cách sử dụng
kết hợp OFDM và MIMO thông qua phép biến đổi kỳ dị ta có thể đưa nó về
một kênh tương đương AWGN và kết quả là cải thiện được chất lượng hệ
thống”.
Bố cục của luận văn bao gồm:
Chương 1. Lịch sử hệ thống thông tin di động và mạng 4G.
Chương 2. Đặc tính và kỹ thuật của OFDM trong hệ thống thông tin di
động 4G.
Chương 3. Nâng cao hiệu năng của hệ thống thông tin bằng giải pháp kết
hợp OFDM-MIMO.
Chương 4. Mô phỏng và kết luận cùng hướng phát triển tiếp theo của đề
tài.

13. 3
CHƯƠNG 1
LỊCH SỬ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG V À MẠNG 4G
1.1 LỊCH SỬ MẠNG DI ĐỘNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Lịch sử ra đời và sự phát triển của dịch vụ di động tính đến hiện tại đ ược
đánh dấu từ thế hệ đầu tiên 1G tới thế hệ 4G trải qua nhiều giai đoạn khác nhau.
Thế hệ đầu tiên ra đời vào đầu những năm 70 (The first generation) của thế kỷ
trước được thực hiện dựa trên công nghệ tương tự và cấu trúc cơ bản của thông
tin di động.
Hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) được xây dựng trong những năm 80 vẫn được
sử dụng chủ yếu cho thoại nhưng đã được thực hiện trên cơ sở công nghệ số,
bao gồm các kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Các hệ thống 2G n ày cung cấp các dịch
vụ thông tin dữ liệu chuyển mạch kênh ở tốc độ thấp. Tính cạnh tranh lại một
lần nữa dẫn tới việc thiết kế và thực hiện các hệ thống bị phân hoá thành các
chuẩn khác nhau không tương thích như GSM (hệ thống di động toàn cầu) chủ
yếu ở châu Âu, TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian) IS -54/IS-136 ở
Mỹ, PDC (hệ thống di động tế bào số cá nhân) ở Nhật và CDMA (đa truy nhập
phân chia theo mã), IS95 một hệ thống khác tại Mỹ. Các hệ thống n ày hoạt động
rộng khắp trên lãnh thổ quốc gia hoặc quốc tế và hiện nay chúng vẫn chiếm vai
trò là các hệ thống chủ đạo, mặc dù tốc độ dữ liệu của các thuê bao trong hệ
thống bị giới hạn nhiều.

14. 4
Hình 1.1 - Trục phát triển của hệ thống thông tin di động
Bước chuyển tiếp giữa 2G và 3G là 2.5G. Thế hệ 2,5G được phát triển từ
2G với dịch vụ dữ liệu và các phương thức chuyển mạch gói, và nó cũng chú
trọng tới các dịch vụ 3G cho các mạng 2G. Về c ơ bản nó là sự phát triển của
công nghệ 2G để tăng dung lượng trên các kênh tần số vô tuyến của 2G và bước
đầu đưa các dịch vụ dữ liệu dung lượng cao hơn vào, có thể nâng tới 384 Kbps.
Một khía cạnh rất quan trọng của 2.5G là các kênh dữ liệu được tối ưu hoá cho
dữ liệu gói truy nhập vào Internet từ các thiết bị di động như điện thoại, PDA
hoặc máy tính xách tay. Trên cùng một mạng lưới với 2G, thế hệ 2.5G đã đưa
internet vào thế giới thông tin di động cá nhân. Đây thực sự đã là một khái niệm
mang tính cách mạng cho hệ thống viễn thông lai ghép hybrid.
Trong thập kỷ 90, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa ra hệ thống di động
thế hệ kế tiếp, thế hệ thứ 3, đã loại trừ được những sự không tương thích của các
hệ thống trước đây và thực sự trở thành hệ thống toàn cầu. Hệ thống 3G có các
kênh thoại chất lượng cao cũng như các khả năng về dữ liệu băng rộng, có thể
đạt tới 2Mbps. Các hệ thống 3G hứa hẹn cung cấp những dịch vụ viễn thông tốc
độ cao hơn, bao gồm thoại, fax và internet ở bất cứ thời gian nào, bất cứ nơi đâu
với sự chuyển vùng roaming toàn cầu không gián đoạn. Chuẩn 3G toàn cầu của
ITU đã mở đường cho các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo. Mạng 3G đầu tiên

15. 5
được thiết lập tại Nhật bản năm 2001. Các mạng 2.5G như là GPRS (dịch vụ vô
tuyến gói chung) đã sẵn sàng ở Châu Âu. Công nghệ 3G hỗ trợ băng thông 144
Kbps với tốc độ di chuyển lớn, 384 Kbps trong một khu vực cố định và 2 Mbps
đối với trường hợp trong nhà.
Hình 1.2 - Các thế hệ di động
Hiện nay tốc độ download ở chế độ dữ liệu đang bị giới hạn ở 9.6 Kbps,
thấp hơn khoảng 6 lần so với 1 đường kết nối cố định ISDN (mạng số tích hợp
dịch vụ). Gần đây, với các thiết bị cầm tay, tốc độ download dữ liệu đã được
tăng lên 3 lần đạt 28.8 Kbps. Tuy nhiên trong thực tế sử dụng tốc độ dữ liệu
thường thấp hơn, đặc biệt là ở những khu vực đông đúc, hoặc là khi mạng bị
“nghẽn”. Tốc độ dữ liệu di động thế hệ 3 là tối đa 384 Kbps download, điển hình
là xấp xỉ 200 kbps và upload đạt 64 kbps từ năm 2001 [2]. Thông tin di động thế
hệ 4 sẽ có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, dự kiến có thể đạt tới 20 Mbps.
3G được các nhà sản xuất đề xuất đầu tiên mà không phải là từ các nhà
khai thác. Năm 1996 nó được triển khai nhờ NTT (hãng điện thoại và điện báo
Nhật bản) cùng Ericsson. Năm 1997 Hiệp hội công nghiệp Viễn thông TIA ở
Mỹ chọn CDMA như là 1 công nghệ cho 3G. Năm 1998 CDMA băng rộng (W-
CDMA) và CDMA2000 được thông qua cho Hệ thống thông tin di động chung
UMTS. Trong đó W-CDMA và CDMA2000 là 2 đề xuất chính của 3G.

16. 6
Hiện nay, các chuẩn mạng LAN không dây tốc độ cao như IEEE802.11a,
chuẩn HIPERLAN/2 cho LAN radio và giao tiếp đa phương tiện đều dựa trên
công nghệ OFDM, cho phép hỗ trợ tốc độ truyền l ên đến 54Bbps trong dải
thông 5GHz.
Hình 1.3 - Bảng so sánh tham số công nghệ cơ bản
Hiện nay có 3 xu hướng phát triển xoay quanh hệ thống thông tin di động.
Xu hướng thứ nhất là hướng tập trung quanh thế hệ 3G, để cải tiến phát tri ên
lên 4G với công nghệ nòng cốt WCDMA. Xu hướng thứ hai là phát triển mạng
LAN vô tuyến tốc độ cao. Sự phát triển rộng khắp của WiFi đ ược bắt đầu từ
năm 2005 cho các PC, máy tính xách tay và PDA đang ngày càng đòi hỏi tốc độ
cao hơn. Xu hướng thứ 3 là phát triển chuẩn IEEE 802.16e và 802.20 thực hiện
đơn giản hơn 3G. Sự phát triển của mạng lõi hướng tới thế hệ NGN băng rộng
sẽ hỗ trợ cho việc áp dụng các công nghệ mạng truy nhập mới thông qua các
gateway truy nhập tiêu chuẩn, dựa trên các chuẩn ETSI-TISPAN, ITU-T, 3GPP
và các chuẩn khác.
1.2 GIỚI THIỆU MẠNG 4G
4G (Fourth Generation) là tên gọi tắt của hệ thống truyền thông di động
thế hệ 4, hiện đang được ITU chuẩn hóa dưới tên gọi là IMT-Advanced. Theo
lịch trình của ITU thì phải đến năm 2011, ITU mới hoàn thành và chính thức

17. 7
đưa ra chuẩn IMT-Advanced. Chính vì vậy, hiện có nhiều ứng cử viên chạy đua
trên con đường tiến lên 4G cũng như là có nhiều công nghệ đề cử cho 4G, trong
đó các công nghệ tâm điểm được nhắc đến nhiều nhất là OFDMA/MIMO/IP.
Tuy nhiên, để đạt được những tính năng then chốt đã nêu ra ở trên, nhất là về tốc
độ truyền thông, một số giao diện vô tuyến vẫn đang được khảo sát.
Hình 1.4 - Lịch sử các thế hệ di động theo công nghệ phát triển
Việc nghiên cứu chuyển hướng sang các hệ thống thông tin di động thế hệ
4 (4G) để giải quyết các vấn đề tồn tại trong hệ thống di động thế hệ 3 (3G). Đó
là việc cung cấp các loại hình dịch vụ ngày càng đa dạng hơn, từ tín hiệu thoại
chất lượng cao sang tín hiệu video độ phân giải cao, các k ênh vô tuyến có tốc độ
dữ liệu cao. Khái niệm 4G được sử dụng rộng rãi không chỉ có các hệ thống điện
thoại tế bào mà còn bao gồm các kiểu hệ thống viễn thông truy nhập vô tuyến
băng thông rộng. Một trong số các thuật ngữ dùng để mô tả 4G là MAGIC:
Mobile multimedia (Đa phương tiện di động), Anytime anywhere (Bất cứ khi
nào, bất cứ nơi đâu), Global mobility support (Hỗ trợ di động toàn cầu),
Integrated wireless solution (Giải pháp vô tuyến tích hợp) và Customized
personal service (Dịch vụ theo yêu cầu cá nhân). Như là một lời hứa cho tương
lai, hệ thống 4G là hệ thống truy nhập vô tuyến tế bào băng thông rộng, đã và
đang là mối quan tâm lớn của lĩnh vực thông tin di động. 4G không chỉ hỗ trợ
cho các dịch vụ thông tin di động thế hệ tiếp theo mà còn hỗ trợ cho cả các

18. 8
mạng vô tuyến cố định. Những tính năng then chốt của thế hệ di động 4G :
- Khả năng tương thích của các dịch vụ IMT với các mạng cố định
- Khả năng liên hoạt động giữa các hệ thống truy nhập vô tuyến khác
- Cung cấp dịch vụ di động chất lượng cao.
- Thiết bị đầu cuối thích hợp cho việc sử dụng khắp tr ên thế giới.
- Thiết bị, dịch vụ và ứng dụng thân thiện với người sử dụng.
- Khả năng roaming toàn thế giới.
- Tốc độ số liệu được tăng cường (100Mb/s cho các ứng dụng với tính di
động cao và 1Gb/s cho các ứng dụng với tính di động thấp).
Thế hệ di động thư 4 được phát triển xoay quanh 2 công nghệ then chốt.
OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM. Tín hiệu
được chia thành các sóng mang nhỏ trực giao, trên mỗi sóng mang đó tín hiệu là
“băng hẹp” (vài KHz) và vì vậy tránh được hiệu ứng đa đường, tạo nên một khoảng
bảo vệ chèn vào giữa mỗi tín hiệu OFDM. OFDM cũng tạo nên một độ lợi về phân
tập tần số, cải thiện hiệu năng của lớp vật lý. Nó cũng tương thích với những công
nghệ mở rộng nâng cao khác, như là các anten thông minh và MIMO.
Điều chế OFDM cũng có thể tận dụng như là một công nghệ đa truy nhập
(đa truy nhập phân chia tần số trực giao, OFDMA). Trong tr ường hợp này mỗi
tín hiệu OFDM có thể truyền thông tin từ / tới một vài thuê bao sử dụng một bộ
các sóng mang nhỏ khác nhau (subcarrier, subchannel). Điều n ày không chỉ
cung cấp thêm độ linh hoạt cho việc cấp nguồn tài nguyên (tăng dung lượng),
mà còn có thể tối ưu hoá các lớp chéo của việc sử dụng link vô tuyến.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) sử dụng ghép kênh tín hiệu
giữa rất nhiều các anten phát (đa thành phần không gian) trên miền thời gian
hoặc miền tần số. Điều này rất phù hợp với OFDM, bởi vì có thể xử lý các tín
hiệu thời gian độc lập ngay khi dạng sóng OFDM đ ược thiết lập chính xác cho
kênh. Đặc điểm này của OFDM giúp cho công đoạn xử lý được đơn giản hoá đi
rất nhiều. Tín hiệu phát đi bởi m anten được n anten thu lại. Việc xử lý các tín
hiệu thu được có thể mang lại một vài cải thiện hiệu năng: phạm vi, chất lượng
của tín hiệu thu và hiệu suất phổ.

19. 9
1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G
Nhìn chung có bốn loại dịch vụ hoặc trình ứng dụng được phát triển và
đưa vào sử dụng ở thông tin vô tuyến thế hệ 4G. Đó l à dịch vụ thông tin cá
nhân/khoanh vùng, các phương tiện liên lạc, tổ chức, giải trí liên quan đến các
mảng Inernet Usage, Income Brackets, và Mobile Professional. Các ứng dụng và
các dịch vụ thông tin này sẽ cung cấp cho người sử dụng các bản tin chung, các
bản tin tài chính, hướng dẫn vị trí, thương mại di động, và các dịch vụ du lịch.
Các dịch vụ thông tin (Communication) bao gồm có dịch vụ nhắn tin ngắn
(SMS), thư điện tử, hội thảo truyền hình, fax, và các bulletin board. Các dịch vụ
Organizational bao gồm các khả năng hỗ trợ số cá nhân (PDA Personal digital
assistant), trao đổi tiền tệ dựa trên cơ sở xác định người sử dụng, và các trình
ứng dụng quản lý cá nhân. Các dịch vụ giải trí (Entertainment) có thể gồm có
đoạn âm thanh, đoạn video, chat, trao đổi h ình ảnh, và chơi game. Trong thị
trường vô tuyến không giây Châu Á 3G đang đ ược phát triển, các dịch vụ giả trí
đang tạo ra lợi nhuận đáng kể. Mảng mà các dịch vụ giải trí hướng tới đó là
mảng Age. Một dịch vụ khác đang tạo ra rất nhiều sự sôi động trong ngh ành
kinh doanh đó là thương mại di động (M-Commerce). Thương mại di động đưa
ra khả năng cho thuê bao đăng ký mua các món hàng ( ví dụ: mua gas, thức ăn
từ các máy bán hàng tự động.v.v) sử dung một thiết bị vô tuyến không dây. Các
dịch vụ dựa trên cơ sở xác định vị trí Push, Pull: Các dịch vụ Push v à Pull đưa ra
độ tin cậy cho mạng về khả năng xác định vị trí các thu ê bao. Trong mạng 4G,
điều đó có thể nhận thấy, mạng có khả năng xác định vị trí chính xác của các
thuê bao ở cả trong nhà và ngoài nhà. Khả năng này được thực hiện từ các chức
năng được thêm vào từ các nhà cung cấp dịch vụ. Các thông tin cá nhân người
dùng được thiết lập và cập nhật bởi các thuê bao, đảm bảo thông tin tới mỗi
người sử dụng đúng yêu cầu.

20. 10
Hình 1.5 - Mô hình các dịch vụ trong mạng 4G
Một số loại hình dịch vụ điển hình cho 4G
- Truyền thông tốc độ cao (High Multimedia): Với khả năng truyền số
liệu tốc độ cao, 4G cho phép truy cập internet với tốc độ rất cao, phục vụ cho
các ứng dụng theo yêu cầu như: video độ phân giải cao, audio chất lượng hoặc
các ứng dụng mua bán trực tuyến với các sản phẩm hữu h ình như âm nhạc, phần
mềm…
- Dịch vụ thoại (Voice telephony): 4G vẫn cung cấp các dị ch vụ thoại
khác, nhau đang tồn tại như chờ cuộc gọi, chuyển cuộc gọi, gọi ba bên, các
thuộc tính AIN khác nhau, Centrex, Class… Tuy nhi ên cần lưu ý là 4G không cố
gắng lặp lại các dịch vụ thoại truyền thống hiện đang cung cấp; dịch vụ th ì vẫn
đảm bảo nhưng công nghệ thì thay đổi, chủ yếu dùng thoại trên nền IP
- Tin nhắn (Messaging): Không giống như dịch vụ tin nhắn thông thường
trong mạng 2G, 3G chỉ đơn thuần là bản tin text. Tin nhắn trong 4G cho phép
email đi kèm và có thể được sử dụng trong việc thanh toán trực tuyến cho các
dịch vụ gia đình như mua vé xem phim, thanh toán hóa đơn điện nước,…
- Dịch vụ dữ liệu (Data Service) cho phép thiết lập kết nối thời gian thực
giữa các đầu cuối, cùng với các đặc tả giá trị giá tăng như tính tin cậy và phục

21. 11
hồi nhanh kết nối, các kết nối chuyển mạch ảo (SVC -Switched Virtual
Connection), và quản lý dải tần, điều khiển cuộc gọi… Tóm lại các dịch vụ dữ
liệu có khả năng thiết lập kết nối theo băng thông v à chất lượng dịch vụ QoS
theo yêu cầu.
- Dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service): cho phép nhiều người
tham gia tương tác với nhau qua thoại, video, dữ liệu. Các dịch vụ n ày cho phép
khách hàng vừa nói chuyện, vừa hiển thị thông tin. Ngo ài ra, các máy tính còn
có thể cộng tác với nhau.
- Tính toán mạng công cộng (PNC - Public Network Computing): Cung
cấp các dịch vụ tính toán dựa trên cơ sở mạng công cộng cho thương mại và các
khách hàng. Như một sự lựa chọn, các nhà cung cấp dịch vụ mạng công cộng có
thể cung cấp các dịch vụ thương mại cụ thể như hoạch định tài nguyên công ty,
dự báo thời gian, hóa đơn chứng thực…) với tất cả hoặc một phần các l ưu trữ và
xử lý thực hiện trên mạng. Nhà cung cấp dịch vụ có thể tính cước theo giờ,
ngày, tuần… hay theo phí bản quyền đối với dịch vụ.
- Bản tin hợp nhất (Unified Messaging): Hỗ trợ c ung cấp các dịch vụ
voice mail, email, fax mail, pages qua các giao di ện chung. Thông qua các giao
diện này, người sử dụng sẽ truy nhập cũng như được thông báo tất cả các loại tin
nhắn trên, không phụ thuộc vào hình thức truy nhập hữu tuyến hay vô tuyến,
máy tính, thiết bị dữ liệu vô tuyến. Đặc biệt kỹ thuật chuyển đổi lời nói sang file
văn bản và ngược lại.
- Môi giới thông tin (Information Brokering): Bao gồm quảng cáo, t ìm
kiếm và cung cấp thông tin đến khách hàng tương ứng với nhà cung cấp. Ví dụ
như khách hàng có thể nhận thông tin trên cơ sở các tiêu chuẩn cụ thể hay trên
các cơ sở tham chiếu thông tin cá nhân.
- Thương mại điện tử (E-Commerce/M-Commerce): Cho phép khách
hàng mua hàng hóa, dịch vụ được xử lý bằng điện tử trên mạng; có thể bao gồm
cả việc xử lý tiến trình, kiểm tra thông tin thanh toán tiền, cung cấp khả năng
bảo mật. Ngân hàng tại nhà và đi chợ tại nhà nằm trong danh mục các dịch vụ
này; bao gồm cả các ứng dụng thương mại, ví dụ như quản lý dây chuyển cung

22. 12
cấp và các ứng dụng quản lý tri thức.
- Trò chơi tương tác trên mạng (Interactive gaming): Cung cấp cho khách
hàng một phương thức gặp nhau trực tuyến và tạo ra các trò chơi tương tác.s
- Thực tế ảo phân tán (Distributed Virtual Reality): tham chiếu đến sự
thay đổi được tạo ra có tính chất kỹ thuật của các sự kiện, con người, địa điểm,
kinh nghiệm của thế giới thực, ở đó những người tham dự và các nhà cung cấp
kinh nghiệm ảo là phân tán về địa lý. Dịch vụ này yêu cầu sự phối hợp rất phức
tạp của các tài nguyên khác nhau.
- Quản lý tại gia (Home Manager): Với sự ra đời của các thiết bị mạng
thông minh, các dịch vụ này có thể giám sát và điều khiển các hệ thống bảo vệ
tại nhà, các hệ thống đang hoạt động, các hệ thống giải trí, v à các công cụ khác
tại nhà. Giả sử như chúng ta đang xem ti vi và có chuông cửa, không vấn đề gì
cả, ta chỉ việc sử dụng điều khiển ti vi từ xa để xem đ ược trên màn hình ai đang
đứng trước cửa nhà mình. Hoặc chẳng hạn như chúng ta có thể quan sát được
ngôi nhà của mình trong khi đang đi xa, hoặc quan sát được người trông trẻ đang
chăm sóc em bé như thế nào khi ta đang làm việc tại cơ quan.
KẾT LUẬN
Chương 1 giới thiệu tổng quan về lịch sử phát triển của công nghệ mạng
thông tin, qua đó thấy được bức tranh tương lai của các mạng di động sẽ
phát triển trong những năm gần đây.

23. 13
CHƯƠNG 2
CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G
2.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM
Đơn sóng mang (Single Carrier): Hệ thống đơn sóng mang là một hệ
thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang.
Hình 2.1 - Truyền dẫn sóng mang đơn.
Đa sóng mang (Multi-Carrier): Là kỹ thuật truyền tín hiệu bằng
nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích v à được
trải đều trên cả băng thông.
Hình 2.2 - Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.

24. 14
Sự trực giao (Orthogonal): là sự biểu diễn một mối quan hệ chính xác giữa
các tần số của các sóng mang. Tính trực giao có nghĩa các tín hiệu đ ược điều
chế sẽ độc lập với nhau.
Hình 2.3 - Các sóng mang trực giao.
2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN OFDM
Kỹ thuật OFDM được đề cập đến từ những năm 1950, nhưng sau 20 năm
mới được đưa vào ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi
Fourier nhanh FFT và IFFT. Những năm gần đầy OFDM đã được sử dụng trong
các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục được nghiên cứu
ứng dụng trong chuẩn di động 4G. Kỹ thuật n ày được phát triển qua các mốc sự
kiện chính sau đây:
1957: Modem tương tự HF Kineplex được thiết kế sư dụng kỹ thuật MC.
1966: Chang Bell Labs đưa ra công trình về OFDM và được cấp bằng
sáng chế [5].
1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ trong OFDM
1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động .
1987: Alard & Lasalle áp dụng OFDM cho phát thanh số.
1980-1990 OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn băng thông rộng
ADSL/ HDSL/ VDSL.
1995: Ban hành chuẩn ETSI DAB, chuẩn đầu tiên dựa trên OFDM.

25. 15
1997: Ban hành chuẩn ETSI DAB-T.
1998: Đưa ra dự án Magic WAND trình diễn modem OFDM cho mạng
WLAN.
1999: OFDM được dùng trong chuẩn IEEE 802.11 chuẩn WLAN (Wi-FI)
2000: OFDM được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM,
Flash-OFDM).
2002: OFDM được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g cho WLAN.
2004: OFDM được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 cho WLAN (
WIMAX).
2004: OFDM được dùng trong chuẩn ETSI DVB-H.
2004: OFDM được để cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a cho mạng WPAn
(MB-OFDM).
2004: OFDM được để cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ mạng kế tiếp
của mạng WPAN.
2005: OFDM được để cử cho chuẩn cho chuẩn di động tế b ào 3.75G
(3GPP & 3GPP2).
2005: OFDM được để cử cho chuẩn 4G (CJK).
2.3 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành
các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang
con trực giao. Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên
các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử
dụng phổ trong OFDM. Về bản chất, OFDM l à một trường hợp đặc biệt
của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ
cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân
bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang
song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian
gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.

26. 16
n
d n
X n
x T
n
x n
s
)
(t
s
n
r )
(t
r
T
n
x
~
n
x
~
n
X
~
n
X̂
n
d̂
)
(t
n
Hình 2.4 - Sơ đồ hệ thống OFDM.
Hình 2.4 mô tả sơ đồ hệ thống OFDM. Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao
được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển
đổi nối tiếp, song song (S/P - Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu song song
sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) v à được sắp xếp
theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của
khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh
nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu
xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau cùng bộ
lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian li ên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để
truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn
nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN.
Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt
được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ
miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT d ùng thuật toán FFT.
Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và
pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh

27. 17
(Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược
trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối
tiếp ban đầu.
Hình 2.5 - OFDM với 4 sóng mang con.
Bộ chuyển đổi nổi tiếp song song: Có chức năng chia luồng dữ liệu thành các
frame nhỏ có chiều dài kxb bit, k ≤N, với b là số bit trong mô hình điều chế, N
là số sóng mang k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc
độ đủ thấp để tăng băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong
khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng.
S
T
S
T
P
T
P
T
P
T
P
T
S
P NT
T 
S
P NT
T 
Hình 2.6 - Bộ S/P và P/S

28. 18
Bộ Mapper và Demapper: Các symbol b bit sẽ được đưa vào bộ mapper mục
đích là nâng cao dung lượng kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tương ứng một
trong M = 2b trạng thái hay một vị trí trong constellation ( giản đồ chòm sao).
0
d
1
d
1

N
d
0
X
1
X
1

N
X
0
X̂
1
X̂
1
ˆ

N
X
0
ˆ
d
1
d̂
1
ˆ

N
d
Hình 2.7 - Bộ Mapper và Demapper
• BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 00
hoặc 1800 , tốc độ baud hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baud = Rb .
• QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dibit) , Baud = Rb/ 2 .
• 8-PSK hay 8-QAM sử dụng symbol 3 bit (Tribit), Baud = Rb/ 3 .
• 16-PSK hay 16-QAM sử dụng symbol 4 bit (Quabit), Baud = Rb/ 4 .
Hình 2.8 cho ta thấy quan hệ giữa tốc độ Baud và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit
trong một chuỗi.
B a u d
R b 
B aud
R b 2

B a u d
R b 3

B aud
R b 4

Hình 2.8 - Bit và Symbol
Bộ IFFT và FFT: Phép biến đổi IDFT ( Inverse Discrete Fourier Transform)
cho phép ta tạo tín hiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song
song lên N tần số trực giao một cách chính xác và đơn giản. Phép biến đổi DFT
(Discrete Fourier Transform) cho phép ta gi ải điều chế lấy lại thông tin từ tín
hiệu OFDM. Nhờ sử dụng phép biến đổi IDFT v à DFT mà ta tinh giản được bộ

29. 19
tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phía thu. Nếu không sử dụng IDFT và
DFT bộ tổng hợp tần số phải tạo ra tập tần số cách đều nhau chính xác v à đồng
pha, nhằm tạo ra tập tần số trực giao hoàn hảo. Nếu ta sử dụng số sóng mang là
lũy thừa của 2 thì ta có thể thay IDFT và DFT bằng IFFT và FFT.
0
X
1
X
1

N
X
0
x
1
x
1

N
x
0
~
x
1
~
x
1
~

N
x
0
~
X
1
~
X
1
~

N
X
Hình 2.9 - Bộ IFFT và FFT
2.4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA OFDM
Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau :
S (t) =
))
(
(
2
1
0
.
1 L
N
lT
t
k
j
N
k
k
l
l
s
e
a
N





 
(2.1)
Trong đó:
al,k là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang thứ k trong
symbol OFDM nhánh thứ l.
N là số sóng mang nhánh
L là chiều dài cặp tiền tố lặp
Khoảng cách sóng mang nhánh là 1/N = 1/NTs
2.5 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG OFDM
Điều chế BPSK
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) đ ược sử
dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau
[1]:
]
)
(
2
cos[
2
)
( 

 

 t
t
f
T
E
t
S c
b
b
i
2
,
1
;
0
;
)
1
(
)
( 



 i
T
t
i
t b

 (2.2)

30. 20
Trong đó, Tb
Tb
: Độ rộng của 1bit
Eb : Năng lượng của 1 bit
θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế
θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và
không
Ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0
i = 1 : tương ứng với symbol 0
i = 2 : tương ứng với symbol 1
Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của
nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN ), xác suất lỗi bit giải điều chế đ ược xác định
theo công thức sau [1]:









o
b
e
N
E
Q
P
2
(2.3)
Trong đó:
Eb là năng lượng bit
N0 là mật độ nhiễu trắng cộng
Điều chế QPSK
Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền
dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau [1]:


 




 )
(
2
cos(
.
2
)
(
0
t
t
T
E
t
Si
T
t
t
T
t




;
0
0
4
)
1
2
(
)
(

 
 i
t (2.4)
Trong đó,
i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"
T = 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
Khai triển s(t) ta được

31. 21
)
2
sin(
.
4
)]
1
2
sin[(
2
)
2
cos(
]
4
).
1
.
2
cos[(
2
)
(
0
t
f
i
T
E
t
f
i
T
E
t
S c
c
i 












0
;
)
0
(




t
t
T
T
t
(2.5)
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK
trong tín hiệu không gian được cho trong bảng sau.
Điều chế QAM
Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp
với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ
loại này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với
nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên
độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc).
Dạng tổng quát của điều chế QAM, (m-QAM) được xác định như sau
)
0
(
);
2
sin(
2
)
2
cos(
2
)
( 0
0
1 T
t
t
f
b
T
E
t
f
a
T
E
t
S c
i
c
i 


 
 (2.6)
Trong đó:
E0: năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất
ai , bi : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin.
Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập
hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc".
Hình dưới vẻ giản đồ chòm sao của 16-QAM và 64-QAM.

32. 22
16-QAM 64-QAM
Hình 2.6 - Giản đồ chòm sao QAM
2.6 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA OFDM
Ưu điểm
- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng
mang con.
- Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng
hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ
thống sóng mang đơn.
- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang
(ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.
- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi
phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.
- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích
ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều
chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM.
- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh
yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh.
- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing
offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang.
- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp.
Nhược điểm

33. 23
- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng rộng lớn. Vì tất cả các hệ
thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao l à một bất lợi
nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền
bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn
hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp
của các bộ biến đổi từ analog sang digital v à từ digital sang analog. Việc rút
ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong
băng lẫn bức xạ ngoài băng.
- OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống
đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp h ơn hệ
thống đơn sóng mang. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng
mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ
giải điều chế một cách trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những
nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM .
KẾT LUẬN:
Chương 2 giới thiệu những nét cơ bản về kỹ thuật OFDM, làm cơ sở cho
nghiên cứu mở rộng ở chương 3. Nội dung của chương 2 đã đề cập đến
một số khái niệm, thuật ngữ nhằm giúp ng ười đọc dễ tiếp cận các công
nghệ phía sau. Tóm tắt lịch sử phát triển OFDM. T ìm hiểu nguyên lý cơ
bản của OFDM. Giới thiệu mô hình toán học OFDM. Phân tích các ưu,
nhược điểm của OFDM.

34. 24
CHƯƠNG 3
NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG BẰNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP OFDM -MIMO
3.1 GIỚI THIỆU
Cùng với việc nghiên cứu phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ
mới, có nhiều công trình nghiên cứu để nâng cao hiệu năng của hệ thống. Một
trong những giải pháp đó là sử dụng các hệ thống OFDM làm nền tảng cho các
hệ thống thông tin di động thế hệ 4 [2], lợi thế cơ bản của hệ thống OFDM là
khả năng loại bỏ được can nhiễu do truyền lan đa đường trong các hệ thống
thông tin di động mặt đất [2]. Các công trình nghiên cứu hiện nay đang cố gắng
nghiên cứu ứng dụng các hệ thống OFDM cho các mạng di động, mạng LAN
vô tuyến. Ngoài ra còn có một công nghệ khác là nâng cấp các mạng thông tin di
động thế hệ 3 hiện nay trên nền công nghệ WCDMA (Wideband Code Direct
Multip Access) lên cho mạng di động thế hệ 4. Với khả năng có độ lợi trải phổ
lớn và nếu điều khiển công suất tốt thì hệ thống WCDMA này có khả năng gạt
can nhiễu rất tốt trong môi trường truyền tin di động có fading đa đường và can
nhiễu đa truy nhập lớn.
Khi tốc độ truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến càng cao, fading lựa chọn tần
số ảnh hưởng càng mạnh làm cho lỗi đầu thu tăng. Để giảm ảnh hưởng của
fading, có nhiều công nghệ mới ra đời: CDMA, OFDM, MIMO, phân tập, mã
chống nhiễu. Đối với thông tin di động 4G phải kể đến CDMA, OFDM, MIMO.
Mặc dầu riêng lẽ từng công nghệ cũng đã chứng minh được khả năng chống
fading của chúng [2] nhưng để tăng cường hơn nữa khả năng đó, các năm gần
đây các nhà nghiên cứu có xu hướng đưa ra các giải pháp công nghệ tổ hợp.

35. 25
Năm 2002 hệ thống tổ hợp MC-CDM/CDMA được nhiều nhà nghiên cứu chú ý
[2] và là một trong những ứng cử viên cho lớp vật lý trong thông tin di động 4G.
Ưu điểm của hệ thống này là có thể trợ giúp tốc độ truyền dẫn từ thấp đến cao
bằng cách sử dụng phép phân kênh theo tần số, thời gian và mã. Khuyết điểm
của nó là không có hiệu quả phân tập đầy đủ [2].
Một hướng nghiên cứu khác đã nở rộ trong những năm gần đây, đó là kết
hợp giữa OFDM và MIMO. Những hệ thống kết hợp này đã tận dụng được ưu
điểm của từng loại riêng lẽ để tạo nên ưu điểm nổi trội, vừa chống được fading
vừa nâng cao được tốc độ truyền dữ liệu. Chỉ trong vòng 30 năm trở lại đây,
nhưng số công trình liên quan được công bố trên các tạp chí lớn [4] trên thế giới
đã lên đến con số 346 bài.
Trong chương này, học viên tập trung nghiên cứu giải pháp gạt ảnh
hưởng của fading bằng cách ứng dụng kết hợp OFDM và MIMO nhằm giảm xác
suất lỗi của hệ thống và tăng dung lượng của hệ thống. Trong các hệ thống
thông tin di động, sóng được truyền qua môi trường vật lý từ máy phát đến máy
thu có thể thông qua đường truyền trực tiếp, không bị che chắn gọi là truyền trực
tiếp (LOS line-of-sight) hoặc truyền không có đường trực tiếp hoặc kết hợp cả
hai, phụ thuộc vào mật độ vật tán xạ trong môi trường truyền dẫn đó. Đối với
truyền sóng chỉ có LOS, kênh vô tuyến được coi là kênh có nhiễu cộng Gauss
trắng (AWGM), trong lúc đó khi truyền sóng không có LOS thì các công trình
nghiên cứu đều coi đó là kênh fading và còn gọi là truyền lan đa đường nguyên
nhân gây xuyên nhiễu giữa các ký hiệu [ICI]. Ở đây luận văn chấp nhận các kết
quả đó của tác giả [1] sau đó mở rộng sang kết hợp OFDM với MIMO để đưa
kênh đồng thời có nhiễu GAUSS và fading về kênh chỉ có nhiễu Gauss.
Để giải quyết bài toán đặt ra, trước hết sẽ mô hình hóa hệ thống, dùng
biến đối kỳ dị để đưa kênh về dạng tựa Gauss. Tiếp đó tính toán hiệu năng hệ
thống và cuối cùng là mô phỏng và so sánh với các kết quả đã có của tác giả.
Nội dung của chương 3 như sau: Mục 3.1- Giới thiệu. Mục 3.2 - Mô hình
máy phát trong hệ thống OFDM. Mục 3.3 - Mô hình kênh. Mục 3.4-Mô hình

36. 26
máy thu di động OFDM. Mục 3.5 - Các thuật toán điều khiển dàn anten. Mục
3.6 - Kết quả mô phỏng. Mục 3.7 - Hệ thống MIMO. Mục 3.8 - Mô hình hệ
thống OFDM kết hợp MIMO. Mục 3.9 - Tính hiệu năng của hệ thống OFDM.
Mục 3.10 - Xác suất lỗi đối với hệ thống vô tuyến điều chế MPSK . Mục 3.11-
Xác suất lỗi đối với hệ thống điều chế MQA M. Mục 3.12 - Xác suất lỗi đối với
hệ thống điều chế QPSK.
3.2 MÔ HÌNH MÁY PHÁT DI DỘNG OFDM
Xét một mô hình gồm một người dùng OFDM thông tin với trạm gốc với
môi trường có can nhiễu rộng. Hình 3.1 biểu thị mô hình hệ thống tuyến lên (từ
máy di động đến trạm gốc) đối với người dùng OFDM. Tín hiệu phát tương
đương băng gốc biểu diễn dưới dạng phức sau bộ điều chế IFFT.
,
2
0
)
( t
n
f
j
e
c
N
n
n
S
t
S



   ,
,
0 T
t  (3.1)
Với:
Nc là tổng số sóng mang con trong một khối OFDM; T = NcTs là chu kỳ
của ký hiệu OFDM, Ts là chu kỳ của ký hiệu QPSk, Si là tín hiệu phát trên sóng
mang thứ i và được biểu thị:
 ,
n
d
P
S t
n  (3.2)
Ở đây d[n] là ký hiệu được điều chế QPSK thứ i và Pt là công suất phát
của tín hiệu. T được chọn sao cho lênh là tựa dừng trong khoảng ký hiệu
OFDM. Can nhiễu chưa biết trước được mô hình bằng nhiễu Gauss trắng theo
thời gian và màu theo không gian hoặc bằng dạng sóng cosin (cw - cosine
waveform).
3.3 MÔ HÌNH KÊNH
Như đã nói ở mục 3.1, luận văn sẽ chia kênh ra làm hai trường hợp.
- Kênh là AWGN
- Kênh là fading Rayleigh

37. 27
Và lấy đó làm mô hình để tính đặc tính BER cho từng trường hợp OFDM
và OFDM kết hợp MIMO khi có sử dụng các thuật toán điều khiển anten khác
nhau. Ngoài ra, chúng ta cũng xét một trường hợp cụ thể khi trạm gốc sử dụng
dàn anten tuyến tính 4 phần tử như nhau ULA (uniform linear array) v ới kênh
AWGN, mặt sóng truyền là sóng phẳng. Do đó, vector đáp ứng kênh đối với
người dùng thứ n kênh có thể được biểu diễn:
),
( k
k v
h 
 (3.3)
Hình 3.1. Mô hình máy phát và thu đối với hệ thống OFDM
  ,
,... ,
.
2
,
1
T
k
M
k
k
k h
h
h
h  (3.4)
Trong đó là đáp ứng dàn của ULA đối với người dùng thứ k. Để đơn giản,
ta coi hệ thống có một người dùng là k = 1 và k =2 là có một nguồn gây nhiễu.
Đối với kênh fading phẳng Rayleigh, vector đáp ứng xung của kênh được biểu
thị bằng biểu thức (3.5) với (3.4).

38. 28
Dựa vào số liệu đo trường hữu hạn, phân bố AOA tại dàn anten trạm gốc
thu được là phân bố AOA Gauss. Hình 3.2 biểu thị mô hình kênh véctor không
gian cho ULA trong kênh AWGN và kênh Rayleigh
Hình 3.2 - Mô hình véc tơ kênh không gian cho ULA trong kênh AWGN và
kênh Rayleigh
3.4 MÔ HÌNH MÁY THU DI DỘNG OFDM
Hình 3.1 chỉ ra mô hình máy thu OFDM trạm gốc, tổng tín hiệu thu được là
xếp chồng các tín hiệu mong muốn, tín hiệu can nhiễu và nhiễu cộng. Sau bộ
giải điều chế FFT, tín hiệu thu được của người dùng mong muốn đối với phân tử
anten thứ m với sóng mang con thứ n là:
     ,
1
, n
u
S
n
H
n
x m
n
m
m 
 (3.5)
Ở đây Um{n} là thành phần tín hiệu không mong muốn có dạng
     ,
n
n
n
I
n
u w
t
m 
 ( 3.6)

39. 29
Ở đây nw{n} là mẫu nhiễu Gaussian trắng. Hm,1{n} là đáp ứng tần số của
kênh đối với người dùng mong muốn tại phần tử anten thứ m. Vì ta coi kênh là
phẳng theo tần số, cho nên Hm,1,le{n} không phụ thuộc vào sóng mang con và
được biểu thị:
.
,
, k
m
k
m h
H  (3.7)
Lưu ý rằng, với kênh tựa tĩnh, hm, le là không đổi trong khoảng ký hiệu
OFDM. Dạng véctơ của (3.5) và (3.6) có thể viết:
       
 
       
  ,.
...
...
,
...
...
1
1
T
M
m
T
M
m
n
u
n
u
n
u
n
u
n
x
n
x
n
x
n
X


(3.8)
3.5. CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ANTEN
Trong luận văn này, sẽ đề cập tới hai thuật toán: Max SNR và MMSE. Các
giá trị ước lượng của ký hiệu sau bộ tạo tịa của anten sẽ là:
   
 n
d
n
z 1

w 
x  ,
n (3.9)
Ở đây w là vector trong số phức được điều khiển theo quy luật thích nghi.
3.5.1. Xác định các tiêu chuẩn tối ưu cho thuật toán điều khiển dàn
anten tích nghi.
Mô hình dàn anten thích nghi được biểu thị ở hình 3.2.
Hình 3.3. Mô hình véc tơ kênh không gian cho ULA trong kênh AWGN và
kênh Rayleigh

40. 30
Trong đó thành phần quan trọng nhất quyết định đến khả năng lựa chọn
hướng của dàn anten là bộ điều khiển tia, ở đây ta gọi là bộ điều khiển dàn
anten, nó sẽ điều khiển các trọng số của bộ này sao cho chọn được tín hiệu đầu
ra mong muốn. Thực chất của bộ điều khiển, đó là một bộ lọc ngang hoạt động
theo thuật toán nào đó, ở đây chúng ta chọn thuật toán thích nghi.
Các thụât toán đó sẽ hoạt động theo những tiêu chuẩn xác định.
- Hợp lý nhất ML (Maximum Likehood)
- Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu - MNSE (Maximum Signal to Noise Ratio)
- Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng với can nhiễu MSNR (Maximum
Signal to Noise Ratio)
- Sai số trung bình phướng tối thiểu MMSE (Minimum Mean Square Error)
- Phương sai đáp ứng không méo bé nhất - MVDR (Mimimum Variance
Distertionless Resfionse.)
Khi sử dụng nhằm mục tiêu max SNR, thì trọng số của bộ tạo tin tại bước
n tương đương với đáp ứng kênh của người dùng mong muốn:
w = h1 . (3.10)
Khi sử dụng hàm mục tiêu MMSE, thì [114] chỉ ra các trọng số của tạo tia w:
w = R 1

xx r xd , (3.11)
Ở đây:
Rxx = F{xx}nxn là ma trận phương sai của tín hiệu tin trong ứng dụng
thực tế, Rxx được ước lượng theo các ký hiệu Pilot và có giá trị.
   ,
1
1
q
x
q
x
N
R
N
q
xx





(3.12)
Ở đây N là số cá ký hiệu pilot, rxa = E {sd*} là hàm tương quan gi ữa tín
hiệu thu và tín hiệu mong muốn và cũng được ước lượng theo các ký hiệu pilot;
   .
1 *
1
1
q
d
q
x
N
r
N
q
xd 



(3.13)
Tải bản FULL (82 trang): https://bit.ly/3SHZtRX
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

41. 31
3.6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Tác giả [2] đã xét một kịch bản mô phỏng với một người dùng OFDM và
một máy gây can nhiễu mạnh, góc phân cách giữa người dùng OFDM mong
muốn và máy gây can nhiễu là:
,
2
1 
 

s (3.14)
Ở đây:  là góc tới của người dùng mong muốn và là góc tới của máy gây can
nhiễu. Tỷ số công suất của máy gây can nhiễu và của người dùng mong muốn
được xác định.
,
r
I
P
P

 (3.15)
Ở đây Pj là công suất thu của máy gây can nhiễu, Pr là công suất thu được của
người dùng mong muốn. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của một bít ký hiệu f. Để tiến
hành mô phỏng, đầu tiên định cỡ các ảnh hưởng của kênh, tác giả đã chỉ ra các
kết quả BER bằng giải thích và bằng mô phỏng đối với kênh AWGN và các
kênh fading Rayleigh
Hình 3.4. Phân tích và giả lập kết quả BER cho kênh AWGN và kênh Rayleigh
Tải bản FULL (82 trang): https://bit.ly/3SHZtRX
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

42. 32
Kết quả trên cho chúng ta nhận xét:
BER trong kênh AWGN bé hơn so với kênh fading Rayleigh. Điều này
cho thấy kênh khi có fading sẽ cho chất lượng xấu hơn so với kênh AWGN.
Để làm rõ hơn những điểm khác nhau trong các nghiên cứu của luận văn.
Sau đây luận văn xin được giới thiệu một mô hình kết hợp của tác giả
ShinsukeHara RamjeePrasad [2]. Mô hình này được biểu thị ở hình 3.5
Hình 3.5. Mô hình kết hợp giữa MIMO và OFDM
Trong mô hình này, máy phát và máy thu có b ộ mã và giải mã kênh thích hợp.
Máy phát có M anten, máy thu có N anten. Trong phương án của tác giả [2], ta
nhận thấy:
- Ý đồ của tác giả là sử dụng đặc tính của các hệ thống MIMO để biến kênh
fading lựa chọn thành kênh fading phẳng.
- Sử dụng ưu điểm của hệ thống OFDM để tăng tốc độ truyền tin.
Tuy vậy vấn đề là ở chổ, tác giả đã phân hệ thống MIMO thành 2 đoạn và chèn
vào giữa hệ thống OFDM làm cho cấu hình hệ thống tổ hợp thêm phức tạp và
phải sử dụng nhiều máy phát, thu OFDM riêng lẻ cho từng anten.
Trong phần này của luận văn, học viên cũng sẽ thực hiện tư tưởng tổ hợp
hệ thống MIMO và OFDM, nhưng giải pháp, cách làm khác với các kết quả
trên.
Trước hết luận văn chứng minh sẽ đưa được kênh fading lựa chọn về kênh
nhiễu Gauss. Đưa toàn bộ hệ thống MIMO về phía sau hệ thống OFDM. Giải
pháp này khác với giải pháp của tác giả ShinsukeHara RamjeePrasad [2]
6815327