Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G

Chia sẻ: Tomjerry001 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận văn bao gồm: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và quá trình phát triển lên mạng 4G; Tính hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến; Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G; Xây dựng chương trình mô phỏng công nghệ trong mạng 4G và đánh giá hiệu năng (BER).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -------- NGUYỄN VĨNH HƢNG TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĨNH HƢNG TÍNH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Ngô Hồng Sơn Hà Nội - 2014
LỜI CAM ĐOAN Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Vĩnh Hƣng
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ i DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. iii MỞ ĐẦU....................................................................................................................1 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G ..............................................................................3 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) ...........................................................3 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) ...........................................................4 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ...........................................................5 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) ...........................................................6 1.4.1 Quá trình phát triển 4G .............................................................................7 1.4.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G ..................................................................11 Chƣơng 2: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN .........13 2.1 Mô hình kênh nhiễu Gauss ...............................................................................13 2.2 Mô hình kênh Fading: .......................................................................................14 2.2.1 Các đặc trưng thống kê:..........................................................................15 2.2.2 Mô hình các kênh vô tuyến di động .......................................................16 2.3 Hiệu năng khi truyền tín hiệu số trên kênh AWGN: ........................................17 2.4 Xác suất lỗi đối với kênh fading phẳng: ...........................................................18 2.5 Xác suất gián đoạn hệ thống ............................................................................20 2.6 Điều chế M-ASK: .............................................................................................21 2.6.1Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh AWGN ...........................21 2.6.2 Hiệu năng hệ thống M-ASK truyền trên kênh fading ............................22 2.7 Hiệu năng của hệ thống điều chế M-QAM .......................................................23 2.7.1 Hiệu năng hệ thống M-QAM truyền trên kênh AWGN ........................23 2.7.2 Hiệu năng của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading Rayleigh:....24 2.7.3 Xác suất gián đoạn hệ thống: .................................................................25 2.8 Hiệu năng của hệ thống M-PSK .......................................................................26 2.8.2 Hiệu năng của hệ thống M-PSK truyền qua kênh fading Rayleigh .......27 2.8.3 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-PSK ...............................................28 Chƣơng 3: HIỆU NĂNG CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G ......30
3.1 Mô hình hệ thống MIMO..................................................................................30 3.2 Hiệu năng của hệ thống phân tập không gian ở đầu thu ...................................32 3.3 Hiệu năng hệ thống đối với phân tập không gian ở đầu phát ...........................35 3.3.1 Trường hợp máy phát biết được thông tin về trạng thái kênh ................35 3.3.2 Trường hợp máy phát không biết thông tin kênh ...................................35 3.4 Hiệu năng của hệ thống MIMO ........................................................................37 3.5 Mô hình hệ thống OFDM .................................................................................38 3.6 Hiệu năng của hệ thống OFDM ........................................................................43 3.7 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM:....................................................................46 3.8 Hiệu năng của hệ thống MIMO-OFDM ..........................................................46 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH HIỆU NĂNG MẠNG 4G ..........................54 4.1 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit trong mô hình OFDM .........................................54 4.2 Xây dựng và tính hiệu năng LTE .....................................................................56 Tỷ số lỗi bit BER: ............................................................................................58 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR: ...............................................................................58 Quan hệ của BER với SNR: ....................................................................................58 Xác suất lỗi .............................................................................................................58 4.3 Kết quả mô phỏng quan hệ BER và SNR .........................................................58 Đối với trường hợp SC-FDMA điều chế thích nghi với BER = 1e-3 ............59 4.4 Kết quả mô phỏng xác suất lỗi đối với hệ thống OFDMA và SC-FDMA điều chế thích nghi ..........................................................................................................59 Trường hợp SC-FDMA Pe=1e-0.5 kết quả được biểu thị trong bảng 4.5 .............60 4.5 Kết quả mô phỏng tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR của OFDMA và FC-FDMA điều chế thích nghi ...........................................................61 4.4 Xây dựng và tính tỉ lệ lỗi bit với mô hình kênh MIMO-OFDM ......................65 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...........................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................68
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1G First Generation 2G Second Generation 3G Third Generation 3GPP 3rd Generation Partnership Project AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate CDMA Code Division Multiple Access DFT Discrete Fourier Transform FFT Fast Fourier Transform FDMA Frequency Division Multiple Access GSM Global System for Mobile Communication IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform ITU International Telecommunication Union ITU-R ITU Radiocommunication Sector ISI Inter Symbol Interference IMT-ADVANCED International Mobile Telecommunications- Advanced LTE Long Term Evolution MIMO Multiple-Input Multiple-Output OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PAPR Peak to Average Power Ratio SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SDMA Space-Division Multiple Access SNR Signal to Noise Ratio TDMA Time Division Multiple Access UE User Equipment UMB Ultra Mobile Broadband UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems WCDMA Wireless Code Division Multiple Access i
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Tham số của mô hình kênh MIMO ................................................................32 Bảng 4.1 Thông số mô phỏng OFDM ...........................................................................54 Bảng 4.2 Bảng mô phỏng LTE ......................................................................................57 Bảng 4.3 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA...........................................58 Bảng 4.4 Quan hệ BER với SNR trong trường hợp SC-FDMA ...................................59 Bảng 4.5 Kết quả của Pe với OFDMA ..........................................................................60 Bảng 4.6 Kết quả của Pe với hệ thống SC-FDMA........................................................60 ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Quá trình phát triển của các mạng thông tin di động 3G-4G ...........................8 Hình 1.2 Các khả năng của các mạng sau 3G .................................................................9 Hình 1.3 Các mạng tương lai ...........................................................................................9 Hình 1.4 Cấu trúc lớp của mạng tương lai ....................................................................10 Hình 2.1: Mô hình kênh AWGN ...................................................................................13 Hình 2.2: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng .......................................14 Hình 2.3 Mô hình kênh lựa chọn tần số ........................................................................16 Hình 2.4 Xác suất lỗi đối với hệ thống BPSK truyền qua các kênh AWGN, Rayleigh và Rice fading có hệ số Rice K khác nhau ....................................................................20 Hình 2.5 Xác suất gián đoạn đối với hệ thống BPSK trong kênh fading Rayleigh .....21 Hình 2.7 Xác suất lỗi đối với hệ thống M-ASK trên kênh ............................................22 AWGN và fading Rayleigh ...........................................................................................22 Hình 2.8 Xác suất lỗi kí hiệu đối với hệ thống truyền tin M-QAM ..............................24 Hình 2.9 Xác suất gián đoạn của hệ thống M-QAM truyền trên kênh fading với ngưỡng Pt  103 ...........................................................................................................25 Hình 2.10 Mặt phẳng kí hiệu điều chế M-PSK .............................................................26 Hình 2.11 Xác suất lỗi kí hiệu đối với truyền M-PSK trên kênh AWGN và kênh fading Rayleigh..............................................................................................................28 Hình 2.12 Xác suất gián đoạn đối với truyền M-PSK trên kênh fading Rayleigh với mục tiêu xác suất lỗi .....................................................................................................29 Hình 3.1 Mô hình MIMO ..............................................................................................30 Hình 3.2 Dàn anten ở đầu thu ........................................................................................32 Hình 3.3 Xác suất gián đoạn hệ thống khi sử dụng phân tập không gian trong kênh fading Rayleigh..............................................................................................................34 Hình 3.5 Sơ đồ không gian tín hiệu 8-PSK ...................................................................41 Hình 3.6 Chùm tím hiệu của 16 QAM (M=16) .............................................................43 Hình 4.1 Kết quả mô phỏng OFDM ..............................................................................55 Hình 4.2 Mô hình truyền dẫn OFDMA .........................................................................56 Hình 4.3 Mô hình truyền dẫn SC-FDMA ......................................................................56 Hình 4.4 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống OFDMA điều chế thích nghi ...........58 iii
Hình 4.5 Quan hệ BER với SNR trong hệ thống SFDMA điều chế thích nghi ............59 Hình 4.6 Xác suất lỗi trong hệ thống OFDMA ............................................................60 Hình 4.7 Xác suất lỗi trong hệ thống SC-FDMA .........................................................61 Hình 4.8 PAPR trong hệ thống OFDMA .....................................................................61 Hình 4.9 PAPR trong hệ thống SC-FDMA ..................................................................62 Hình 4.10 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế BPSK ....................................63 Hình 4.11 PAPR của OFDMA và SC-FDMA điều chế QPSK .....................................63 Hình 4.12 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 16 QAM .........................63 Hình 4.13 PAPR của OFDMA và SC-FDMA với điều chế 64 QAM .........................64 Hình 4.14 Mô phỏng MIMO 2x2 và đánh giá phân tập ................................................65 Hình 4.15 MIMO-OFDM với bộ điều chế BPSK .........................................................66 iv
MỞ ĐẦU Ngày nay do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng. Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai.Với xu hướng phát triển mạng viễn thông thế giới cũng như Việt Nam đó thì trong tương lai không xa trên sẽ xuất hiện mạng 4G đầy đủ trên nền công nghệ OFDM. Để đón đầu, tiến tới làm chủ công nghệ 4G vấn đề đầu tiên cần phải nghiên cứu là hiệu năng của hệ thống và đặc trưng nhất là tỷ lệ lỗi bit BER vì vậy học viên chọn cho mình đề tài “ Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G” A. Ý nghĩa thực tiễn và tính khoa học của đề tài - Ý nghĩa khoa học: + Phân tích BER trong một số giải pháp điều chế và môi trường truyền sóng khác nhau + Mô phỏng kiểm chứng - Ý nghĩa thực tế + Phục vụ cho phân tích và thiết kế hệ thống truyền tin 4G và các hệ thống thế hệ sau này B. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu phân tích lý thuyết và mô phỏng kiểm chứng BER của hệ thống 4G C. Phương pháp nghiên cứu + Dùng toán học để phân tích + Dùng mô phỏng kiểm chứng D. Nội dung luận văn: Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận văn bao gồm: Chƣơng 1:Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và quá trình phát triển lên mạng 4G Giới thiệu các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt quá trình của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải 1
thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó. Để từng bước đi sâu vào tính hiệu năng mạng 4G chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu các đặc tính của kênh vô tuyến ở chương 2. Chƣơng 2: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến Trong chương 2 sẽ trình bày các kiến thức cơ sở về lý thuyết liên quan giới thiệu một số mô hình cơ bản của kênh thông tin vô tuyến: Mô hình kênh nhiễu cộng, kênh fading. Trên cơ sở các mô hình đó sẽ tính toán hiệu năng của hệ thống mà chỉ yếu tập trung tính xác suất lỗi bit trong từng trường hợp của mô hình đã có. Chƣơng 3: Tính hiệu năng của hệ thống thông tin di động 4G Trong chương 3 sẽ trình bày các mô hình và công thức tính hiệu năng đã được đưa ra cho hệ thống thông tin di động 4G dựa trên nên công nghệ vô tuyến MIMO, OFDM và MIMO-OFDM, đạt được hiệu quả truyền thông tốc độ cao và cải thiện hiệu năng truyền dẫn trong kênh AWGN và Fading Rayleigh. Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình mô phỏng công nghệ trong mạng 4G và đánh giá hiệu năng (BER) Trong chương 4, Xây dựng mô hình mô phỏng mạng 4G bao gồm Mô hình OFDM, Mô hình MIMO, Mô hình MIMO OFDM, Mô hình vật lý 4G LTE.Tính xác suất lỗi Bit (BER) của các mô hình và đánh giá. Kết luận và hƣớng phát triển 2
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG 4G Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Hơn ba chục năm qua các loại mạng di động khác nhau đã ra đời góp phần vào sự phát triển chung của kinh tế xã hội toàn cầu. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4. Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động. 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) Những hệ thống thông tin di động đầu tiên ra đời vào năm 1980, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập. Đặc điểm: - Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến. - Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể. - Trạm thu phát gốc (BTS) phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cell. - Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS. Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1 Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản và không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dung lượng và tốc độ. Bao gồm các hạn chế sau: - Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ - Nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia - Không đảm bảo tính bảo mật và không tương thích giữa các hệ thống khác nhau - Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp 3
Để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng hệ thống thông tin số với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp trên hệ thống thông tin di động thế hệ 2. 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu vào những năm 1990 đó là GSM (Global System Mobile), PPC (Persolnal Digital Cellular) và IS- GS (Interim Standard) chủ yếu để phục vụ truyền dịch vụ thoại. Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ thống 2G ưu điểm hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác. Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM. Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số và sử dụng 2 phương pháp đa truy cập: - Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA) phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau. - Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau. Đặc điểm: Đối với hệ thống dùng phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA): Phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước và phân phát theo yêu cầu. 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. Các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể 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. Với số lượng kênh ghép tăng nên ảnh hưởng thời gian trễ do truyền dẫn đa đường, cần sự đồng bộ phải tối ưu Đối với hệ thống dùng phương pháp đa truy cập phân chia theo mã 4
Hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn. Các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt. Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 Tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp. Vì thế cần thiết phải chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền số liệu, nâng cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ để đáp ứng nhu cầu của thị trường trong các lĩnh vực như: Dịch vụ dữ liệu máy tính, dịch vụ viễn thông, dịch vụ nội dung số như âm thanh hình ảnh. Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và đã áp dụng trong thực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động: Thông tin di động 3G. 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) Trong những năm gần đây trên thị trường thế giới cũng như Việt Nam đã xuất hiện các hệ thống thông tin di động 3G dựa trên công nghệ số phục vụ truyền dẫn dịch vụ hỗn hợp thoại, số liệu, lưu lượng đa phương tiện trên cơ sở mạng hỗn hợp kênh và gói [4,5]... Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000. 5
Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3. W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136 CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95 Đặc điểm: Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz, đường lên : 1885-2025 MHz, đường xuống: 2110-2200 MHz Hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến: Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông. Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh. Hỗ trợ các dịch vụ như : Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu, đảm bảo chuyển mạng quốc tế, đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói. Hệ thống 3G đầu tiên được nhật bản khai thác triển khai vào tháng 10- 2011; ở Việt Nam được triển khai vào năm 2004 với sự bùng nổ của internet, yêu cầu dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng cao cả về tốc độ lẫn chất lượng, nhu cầu tính toán khắp mọi nơi mọi lúc các hệ thống thông tin di động thế hệ ba chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó, vì vậy một loại công nghệ khác sẽ ra đời trong một tương lai không xa đó là mạng di động 4G. 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác. Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những 6
tần số khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, `do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu. 1.4.1 Quá trình phát triển 4G Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA.HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường. HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS. HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming. 3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz .LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009. Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu... đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE...) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể. LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên. Di động WiMAX (IEEE 802. 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz. UMB (Ultra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel-Lucent, 7
Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA. UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz. Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE. 4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz. Hình 1.1 Quá trình phát triển của các mạng thông tin di động 3G-4G Trên hình vẽ ta thấy, mạng di động IMT-2000 International Mobile Telecommunications, tương ứng với hệ thống 3G, mục đích cung cấp một khoảng dịch vụ rộng đa phương tiện từ thoại đến số liệu lên đến ít nhất 144 Kbps trên xe cộ, 384 Kbps đi từ ngoài vào nhà và 2 Mbps trong nhà và các môi trường picocell. Nó cung cấp liên tục dịch vụ băng tần 2GHz với công nghệ ghép kênh phân theo mã – CDM và đa truy cập phân theo mã CDMA với trợ giúp cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Gần đây xuất hiện các hệ thống theo tiêu chuẩn 3GPP [8] và người ta coi đó là hệ thống 3.5G. Một số mạng 8
LAN vô tuyến, LAN tốc độ cao dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11a [10], LAN vô tuyến hiệu năng cao HIPERLAN/2 [11] và thông tin truy nhập di động đa phương tiện (Multimedia) MMAC[12,13] đều dựa vào kỹ thuật OFDM, cung cấp truyền dẫn số liệu lên đến 54 Mbps trong băng tần 5 GHz chúng chủ yếu cung cấp thông tin giữa các máy tính môi trường trong nhà, truyền audio, video thời gian thực. Xu hướng phát triển của hệ thống trên 3G, tiến tới 3G được biểu thị trên hình 1.2, 1.3, 1.4 Hình 1.2 Các khả năng của các mạng sau 3G Hình 1.3 Các mạng tương lai 9
Hình 1.4 Cấu trúc lớp của mạng tương lai Đặc điểm: 4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại,không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác. Cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và kết nối với hệ thống quảng bá video số Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz. Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm. Kỹ thuật đƣợc sử dụng trong mạng 4G Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý: Sử dụng MIMO để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng. Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SCFDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống : để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp. Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh. Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu. Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian. Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi. 10
1.4.2 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 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 -10 lần Tốc độ tối đa của 3G : 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 anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 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. Ƣu điểm nổi bật của 4G Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA. Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với WCDMA. Các ứng dụng đã tạo nên ƣu điểm của 4G LTE so với 3G Hiệu suất phổ cao sử dụng OFDM ở downlink có khả năng chống nhiễu đa đường , SC-FDMA ở uplink có PAPR thấp và người dùng trực giao trong miền tần số . Sử dụng MIMO Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ làm tăng tốc độ dữ liệu, tần số tái sử dụng linh hoạt, giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1 Dung lượng của hệ thống được nâng cao Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu.. 11