Nghiên cứu phương pháp đánh giá chất lượng mạng 4g bằng mô phỏng

  • 82 trang
  • file .pdf
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
KIỀU VĂN PHÚ
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG MẠNG 4G BẰNG MÔ PHỎNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
KIỀU VĂN PHÚ
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG MẠNG 4G BẰNG MÔ PHỎNG
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu & Mạng máy tính
Mã số: 60 48 15
LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S. ĐINH VĂN DŨNG
NỘI DUNG
Lời cam đoan………………………………………………………………. I
Lời cảm ơn…………………………………………………………………II
TÓM TẮT………………………………………………………………... III
NỘI DUNG……………………………………………………………….. V
DANH MỤC HÌNH……………………………………………………...VII
DANH MỤC BẢNG……………………………………………………VIII
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT……………………………………………. IX
CHƢƠNG 1……………………………………………………………….. 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G…………………. 1
1.1 Lịch sử phát triển mạng thông tin di động................................................ 1
1.2 Các hệ thống mạng cận 4G và 4G………………………………………. 2
1.3 Thành phần của mạng 4G……………………………………………….. 5
1.3.1 Phƣơng pháp truy nhập…………………………………………………. 6
1.3.2 Ứng dụng IPv6………………………………………………………….. 7
1.3.3 Anten…………………………………………………………………..... 8
1.3.4 SDR……………………………………………………………………... 9
1.4 Tình hình triển khai mạng 4G…………………………………………. 10
1.5 Kết luận………………………………………………………………... 12
CHƢƠNG 2……………………………………………………………… 13
PHƢƠNG PHÁP TRUY NHẬP VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG…….. 13
2.1 Phƣơng pháp truy nhập mạng 4G……………………………………… 13
2.1.1 Phƣơng pháp truy nhập OFDMA……………………………………… 13
2.1.2 Phƣơng pháp truy nhập SC-FDMA……………………………………. 20
2.1.3 Phƣơng pháp truy nhập MC-MC-CDMA……………………………... 25
2.1.4 Phƣơng pháp truy nhập MIMO SC-FDMA…………………………… 28
2.2 Đánh giá chất lƣợng hệ thống thông tin di động trong kênh…………... 33
nhiễu cộng Gauss………………………………………………………….. 33
2.2.1 Đối với phƣơng pháp truy nhập SC-FDMA .......................................... 33
2.2.2 Đối với phƣơng pháp truy nhập MC-MC-CDMA ................................. 35
2.3 Đánh giá chất lƣợng hệ thống thông tin di động trong kênh…………... 35
có fading và nhiễu cộng Gauss bằng phƣơng pháp truyền thống…………. 35
2.4 Đánh giá chất lƣợng của hệ thống……………………………………... 40
2.5 Kết luận ................................................................................................ 42
CHƢƠNG 3……………………………………………………………… 43
v
ĐÁNH GIÁ PHƢƠNG PHÁP TRUY NHẬP BẰNG MÔ PHỎNG……. 43
3.1 Môi trƣờng mô phỏng…………………………………………………. 43
3.2 Đánh giá theo các trạng thái thuê bao di động………………………… 56
3.3 Đánh giá phƣơng pháp truy nhập với các mức điều chế khác nhau……59
3.4 Đánh giá các phƣơng pháp truy nhập khác nhau với cùng một mức….. 62
điều chế……………………………………………………………………. 62
3.5 Kết luận………………………………………………………………... 64
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ………………………………………. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….. 66
PHỤ LỤC…………………………………………………………………67
vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 - Con đƣờng tiến hóa của công nghệ di động………………………………... 1
Hình 1.2 - Truyền dẫn đa điểm phối hợp……………………………………………… 5
Hình 1.3 - Sơ đồ khối của nhóm SC-FDMA trong tuyến lên LTE-Advanced………… 7
Hình 1.4 - Chƣơng trình chuyển đổi thích ứng MIMO………………………………... 8
Hình 1.5 - Các mô hình MIMO trong LTE-Advanced………………………………… 9
Hình 2.1 - Kết quả thực hiện FFT với các đầu vào khác nhau……………………….. 14
Hình 2.2 - Duy trì tính trực giao của các sóng mang con…………………………….. 14
Hình 2.3 - Hệ thống máy phát và thu của OFDMA………………………………….. 15
Hình 2.4 - Tạo ra khoảng bảo vệ cho ký tự OFDM…………………………………...16
Hình 2.5 - Tham chiếu các ký tự trãi trên các sóng mang con OFDMA……………... 16
Hình 2.6 – Các chòm sao điều chế LTE……………………………………………… 18
Hình 2.7 – Cấu trúc frame loại 1……………………………………………………... 19
Hình 2.8 – Cấu trúc frame loại 2……………………………………………………... 19
Hình 2.9 - Khối nguồn tài nguyên vật lý cho tuyến xuống…………………………... 20
Hình 2.10 - Sơ đồ cơ bản máy phát của SC-FDMA………………………………….. 21
Hình 2.11 - Sơ đồ cơ bản máy thu của SC-FDMA…………………………………... 21
Hình 2.12 – Ánh xạ sóng mang con theo phân bố đều……………………………….. 23
Hình 2.13 – Ánh xạ sóng mang con kế cận nhau…………………………………….. 23
Hình 2.14 - Các phƣơng pháp phân bố sóng mang con cho đa ngƣời dùng…………. 24
Hình 2.15 – Cấu trúc sub-frame cơ bản trong miền thời gian………………………... 24
Hình 2.16 - Mô hình hệ thống máy phát và thu của Multicode CDMA……………... 26
Hình 2.17 - Hệ thống máy phát của MC-CDMA…………………………………….. 28
Hình 2.18 - Hệ thống máy phát tín hiệu của MC-MC-CDMA………………………. 29
Hình 2.19 - Mô tả một kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu……………… 30
Hình 2.20 - Hệ thống máy phát và thu của MIMO SC-FDMA………………………. 32
Hình 2.21 – Đáp ứng tần số của mẫu tín hiệu………………………………………... 36
Hình 2.22 – Kết quả tính xác suất lỗi………………………………………………… 39
Hình 2.23 - Pb trung bình trong kênh fading rayleigh và nhiễu cộng AWGN……….. 42
Hình 3.1- Giao diện MATLAB 7.10.0 (R2010a)…………………………………….. 43
Hình 3.2 - Hệ thống máy phát và thu của SC-FDMA………………………………... 56
Hình 3.3- Đánh giá chất lƣợng SC-FDMA theo các trạng thái thuê bao…………... 58
Hình 3.4 - Đánh giá chất lƣợng SC-FDMA theo các trạng thái thuê bao…………... 58
Hình 3.5 - Đánh giá chất lƣợng SC-FDMA theo các mức điều chế khác nhau……… 60
Hình 3.6 – Hệ thống máy phát tín hiệu của MC-MC-CDMA………………………... 61
Hình 3.7 – Đánh giá chất lƣợng SC-FDMA và MC-MC-CDMA với M = 16……… 62
Hình 3.8 - Đánh giá chất lƣợng SC-FDMA và MC-MC-CDMA với M =64………. 63
vii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 - Tốc độ dữ liệu của LTE……………………………………………………..3
Bảng 1.2 - Tốc độ dữ liệu của WiMAX……………………………………………….. 3
Bảng 1.3 - Tốc độ dữ liệu của LTE-Advanced…………………………………………5
Bảng 1.4 - Thể hiện các phƣơng pháp truy nhập của các hệ thống……………………. 6
Bảng 2.1 - Các tham số điều chế cho OFDMA………………………………………. 17
Bảng 2.2 - Khối nguồn tài nguyên vật lý cho các băng thông khác nhau……………. 20
Bảng 2.3 - Các tham số điều chế cho SC-FDMA……………………………………. 25
Bảng 3.1 - Các tham số mô phỏng theo các trạng thái thuê bao……………………... 57
Bảng 3.2 - Các tham số mô phỏng theo các kiểu điều chế…………………………… 59
Bảng 3.3 – Các tham số mô phỏng MC-MC-CDMA………………………………… 62
viii
DANH MỤC TỪ 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
EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution
FFT Fast Fourier Transform
FDMA Frequency Division Multiple Access
GPRS General Packet Radio Service
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
LFDMA Localized Frequency Division Multiple Access
LTE Long Term Evolution
MC MC CDMA Multicode Multicarrier Code Devision Multiple Access
MIMO Multiple-Input Multiple-Output
NAT Network Address Translation
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
WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
ix
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G
1.1 Lịch sử phát triển mạng thông tin di động
Trong khoảng vài chục năm trở lại đây, với sự phát triển của Internet cũng nhƣ
các công nghệ không dây đã có ảnh hƣởng rất lớn đến cuộc sống của con ngƣời trên
toàn thế giới. Hai nhân tố này đã làm thay đổi cách con ngƣời liên lạc với nhau, cách
họ làm việc, cách họ hƣởng thụ cuộc sống thông qua các loại hình giải trí mới.
Với sự ra đời của mạng thông tin di động, chúng ta đã chứng kiến sự tăng vọt
về nhu cầu dịch vụ không dây và di động. Chúng ta đã và đang chứng kiến sự phát
triển đến chóng mặt của mạng không dây: năm 2002 đánh dấu thời điểm lịch sử của
mạng viễn thông với số thuê bao di động vƣợt số thuê bao cố định. Theo ITU, tháng 9
năm 2005, số thuê bao di động trên thế giới đã vƣợt con số 2 tỷ. Theo thống kê của
GSA (Global mobile Suppliers Association) gần đây, con số này đã vƣợt 3 tỷ. Tuy
nhiên, lịch sử của mạng tế bào còn rất ngắn. Nó mới trải qua 3 thế hệ và ở nhiều quốc
gia nó vẫn còn đang ở thế hệ thứ 2.
Trong mạng thông tin di động, mỗi một thập kỷ chứng kiến một thế hệ mạng
mới. Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm 80. Đó là thế hệ điện thoại di động
tƣơng tự. Thế hệ thứ 2G bắt đầu nổi lên từ những năm đầu của thập kỷ 90. Thế hệ thứ
2G là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ cả thoại và dữ liệu. Thế hệ thứ
3 bắt đầu từ năm 2001 ở Nhật, đặc trƣng bởi dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phƣơng tiện
với tốc độ cao. Hệ thống cận 4G, nền tảng cho thế hệ thứ 4G. Con đƣờng phát triển
của các công nghệ mạng thông tin di động đƣợc thể hiện ở hình 1.1 dƣới đây[16].
Hình 1.1- Con đƣờng tiến hóa của công nghệ di động[7]
1
Thế hệ 1G:
Đây là hệ thống truyền tín hiệu tƣơng tự. Sử dụng phƣơng pháp truy nhập phân
chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:
 Phƣơng pháp truy nhập: FDMA.
 Dịch vụ đơn thuần là thoại.
 Chất lƣợng thấp.
 Bảo mật kém.
AMPS (Advanced Mobile Phone System) là hệ thống thông tin di động thuộc
thế hệ thứ nhất đƣợc triển khai tại Bắc Mỹ vào năm 1978 tại băng tần 800 MHz.
Thế hệ 2G:
 Chuẩn: GSM
 Phƣơng pháp truy nhập: TDMA/FDMA
 Sử dụng trong các băng tần: 890-960 (MHz) và 1710 – 1880 (MHz)
 Tốc độ dữ liệu: 9.6 kbps[10]
Thế hệ 2.5G:
 Chuẩn: GPRS
 Phƣơng pháp truy nhập: TDMA/FDMA
 Sử dụng trong các băng tần: 890-960 (MHz) và 1710-1880 (MHz)
 Tốc độ dữ liệu: 171 kbps
Thế hệ 2.75G:
 Chuẩn: EDGE
 Phƣơng pháp truy nhập: TDMA/FDMA
 Sử dụng trong các băng tần: 890 – 960 (MHz) và 1710 – 1880 (MHz)
 Tốc độ dữ liệu: 384 kbps
Thế hệ 3G:
 Chuẩn: WCDMA (UMTS)
 Phƣơng pháp truy nhập: CDMA
 Sử dụng trong các băng tần: 1885 – 2025 (MHz) và 2110 – 2200 (MHz)
 Tốc độ dữ liệu: 2 Mbps
1.2 Các hệ thống mạng cận 4G và 4G
Các hệ thống mạng cận 4G:
 3GPP Long-Term Evolution (LTE): là công nghệ cận 4G thƣờng mang nhãn
hiệu "4G", nhƣng phiên bản LTE phát hành đầu tiên không thực hiện đầy đủ các yêu
cầu IMT-Advanced. LTE có tốc độ dữ liệu lý thuyết lên đến 100 Mbit/s cho tuyến
2
xuống và 50 Mbit/s cho tuyến lên nếu sử dụng một kênh 20 MHz và nhiều hơn thế nữa
nếu sử dụng MIMO.
Dịch vụ LTE công bố đầu tiên của thế giới đƣợc khai trƣơng ở hai thủ đô
Scandinavian là Stockholm (hệ thống Ericsson) và Oslo ( hệ thống Huawei) vào ngày
14 tháng 12 năm 2009 và mang nhãn hiệu 4G. Các thiết bị đầu cuối ngƣời dùng đƣợc
sản xuất bởi Samsung. Hiện nay, hai dịch vụ LTE công bố ở Mỹ đƣợc cung cấp bởi
MetroPCS và Verizon Wireless. AT & T cũng có dịch vụ LTE trong kế hoạch triển
khai từ giữa năm 2011 đến cuối năm 2013, Sprint Nextel đã bắt đầu xem xét để
chuyển đổi từ WiMax sang LTE trong tƣơng lai gần.
Ở Hàn Quốc, SK Telecom và LG U+ đã cho phép truy nhập dịch vụ LTE kể từ
ngày 1 tháng 7 năm 2011 cho các thiết bị dữ liệu, dự kiến triển khai toàn quốc vào
năm 2012.
LTE
Tốc độ đỉnh cho tuyến xuống 100 Mbit/s
Tốc độ đỉnh cho tuyến lên 50 Mbit/s
Bảng 1.1- Tốc độ dữ liệu của LTE[15]
 Mobile WiMAX (IEEE 802.16e): di động WiMAX (IEEE 802.16e-2005) là
chuẩn truy nhập di động không dây băng thông rộng (còn đƣợc gọi là WiBro tại Hàn
Quốc), đôi khi mang nhãn hiệu 4G và cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh là 128 Mbit/s cho
tuyến xuống và 56 Mbit/s cho tuyến lên trên các kênh rộng 20 MHz. Thƣơng mại dịch
vụ di động WiMAX đầu tiên của thế giới đƣợc mở bởi KT tại Seoul, Hàn Quốc vào
ngày 30 tháng 6 năm 2006. Sprint Nextel đã bắt đầu sử dụng di động WiMAX, tính
đến ngày 29 tháng 9 năm 2008 mang nhãn hiệu nhƣ một mạng "4G", mặc dù phiên
bản hiện tại không đáp ứng các yêu cầu IMT Advance trên các hệ thống 4G. Tại Nga,
Belarus và Nicaragua truy nhập internet băng thông rộng WiMax đƣợc cung cấp bởi
một công ty Scartel của Nga và cũng là thƣơng hiệu 4G.
WiMAX
Tốc độ đỉnh cho tuyến xuống 128 Mbit/s
Tốc độ đỉnh cho tuyến lên 56 Mbit/s
Bảng 1.2 - Tốc độ dữ liệu của WiMAX[15]
3
 UMB (formerly EV-DO Rev. C): là tên thƣơng hiệu cho một dữ án 4G đã dừng
trong nhóm chuẩn 3GPP2 để cải tiến chuẩn điện thoại di động thế hệ thứ ba CDMA
2000 cho các ứng dụng và các yêu cầu thế hệ tiếp theo. Vào tháng 11 năm 2008,
Qualcomm, nhà tài trợ chính thức của UMB, tuyên bố kết thúc sự phát triển của công
nghệ này, thay vì ƣu chuộng LTE. Mục tiêu là để đạt đƣợc tốc độ dữ liệu trên 275
Mbit/s cho luồng xuống và 75 Mbit/s cho luồng lên.
 Flash-OFDM : ở giai đoạn đầu của hệ thống Flash-OFDM đã đƣợc dự kiến sẽ
đƣợc tiếp tục phát triển thành một chuẩn 4G.
 Các hệ thống iBurst và MBWA (IEEE 802.20): hệ thống iBurst (hoặc HC-
SDMA- High Capacity Spatial Division Multiple Access) là giai đoạn đầu xem nhƣ là
một ứng cử tiền 4G. Sau đó nó đƣợc phát triển thêm thành hệ thống di động truy nhập
không dây băng thông rộng (MBWA), còn đƣợc gọi là IEEE 802.20.
Các hệ thống mạng 4G:
 IEEE 802.16m hoặc WirelessMAN-Advanced: là sự tiến hóa của chuẩn
802.16e đang đƣợc phát triển, với mục tiêu thực hiện đầy đủ các tiêu chuẩn IMT-
Advanced với tốc độ 1 Gbit/s cho ngƣời dùng cố định và 100 Mbit/s cho ngƣời dùng
di động.
 LTE-Advanced: là một ứng cử cho chuẩn IMT-Advanced, nó đƣợc chuẩn hóa
bởi tổ chức 3GPP và gửi đến ITU-T vào mùa thu năm 2009, và dự kiến sẽ đƣợc phát
hành vào năm 2012. Mục tiêu của LTE Advanced là để đạt đƣợc và vƣợt các yêu cầu
của ITU. LTE-Advanced là một cải tiến cần thiết cho LTE. Nó không phải là một công
nghệ mới nhƣng có cải tiến hơn mạng LTE hiện có. Điều này làm cải thiện hiệu quả
chi phí cho nhà cung cấp LTE và sau đó nâng cấp lên LTE-Advanced tƣơng tự nhƣ
các nâng cấp từ WCDMA lên HSPA (High Speed Packet Access). LTE và LTE-
Advanced cũng thực hiện bổ sung phổ và ghép kênh để cho phép nó đạt đƣợc tốc độ
dữ liệu cao hơn.
Truyền dẫn đa điểm phối hợp: đa điểm phối hợp truyền nhận là một công nghệ
ứng cử xem xét cho LTE-Advanced nhƣ một công cụ để cải tiến độ che phủ của các
tốc độ dữ liệu cao, thông qua các cell cạnh và tăng thông lƣợng hệ thống. Nó đƣợc
chứng minh hiệu quả quang phổ có thể đƣợc cải thiện với nhiều công nghệ anten (4
hoặc nhiều anten hơn) bằng cách sử dụng các phƣơng pháp phối hợp can nhiễu không
gian.
Do đó, các phƣơng pháp đa truy nhập, tăng cƣờng kênh truyền dẫn bằng kỹ
thuật nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) và sự phối hợp rộng rãi trong các trang
web di động đƣợc gọi là đa điểm phối hợp truyền nhận đƣợc chấp nhận nhƣ là kỹ
thuật chính của LTE-Advanced. Kỹ thuật đa điểm phối hợp cải thiện tín hiệu nhận
đƣợc của thiết bị đầu cuối ngƣời dùng. Cả dịch vụ và các cell lân cận đƣợc sử dụng
bằng cách giảm nhiễu đồng kênh từ các cell lân cận. Điều đó thể hiện đƣợc sự phối
4
hợp năng động giữa các điểm truyền dẫn cách biệt về mặt địa lý ở các điểm tuyến
xuống và tiếp nhận tại các điểm phân cách trong tuyến lên.
Cơ chế này, cải tiến độ che phủ của các tốc độ dữ liệu cao và sẽ tăng tốc độ bit
hệ thống. Ứng dụng của phối hợp truyền tải đa điểm minh họa trong hình 1.2 ở dƣới
(cho một kịch bản truyền dẫn tuyến xuống). Một chƣơng trình ví dụ là để tạo thành
một chùm tia UE dự kiến bằng cách sử dụng các anten truyền của các cell 1, 2 và 3,
trong đó mỗi cell truyền cùng một dữ liệu đến UE dự kiến và tín hiệu tham chiếu UE
cụ thể đƣợc sử dụng để hỗ trợ của giải điều chế tại UE.
Hình 1.2 - Truyền dẫn đa điểm phối hợp[2]
Phát hành 10 của LTE dự kiến sẽ đạt đƣợc tốc độ LTE-Advanced. Phát hành 8
hiện tại hỗ trợ tốc độ download lên đến 300 Mbit/s mà vẫn còn thấp so chuẩn IMT-
Advanced.
LTE-Advanced
Tốc độ đỉnh cho tuyến xuống 1 Gbit/s
Tốc độ đỉnh cho tuyến lên 500 Mbit/s
Bảng 1.3 - Tốc độ dữ liệu của LTE-Advanced[15]
1.3 Thành phần của mạng 4G
Các thành phần công nghệ đƣợc quan tâm trong hệ thống LTE-Advanced nhƣ:
phƣơng pháp truy nhập, ứng dụng IPV6, anten và SDR.
5
1.3.1 Phƣơng pháp truy nhập
Các phƣơng pháp truy nhập của LTE-Advanced/IMT-Advanced đƣợc chỉ ra
trong bảng 1.4 ở dƣới.
HSPA
WCDMA LTE-ADVANCED
HSDPA/ HSPA+ LTE
(UMTS) (IMT-ADVANCED)
HSUPA
Tốc độ tối đa
tuyến xuống 384 k 14 M 28 M 100 M 1G
(bps)
Tốc độ tối đa
tuyến lên 128 k 5.7 M 11 M 50 M 500 M
(bps)
Độ trễ RTT 50 ms
150 ms 100 ms  10 ms Nhỏ hơn 5 ms
xấp xỉ (max)
Các phát
Phát hành Phát hành Phát Phát hành
hành của Phát hành 10
99/4 5/6 hành 7 8
3GPP
6/2005
Khoảng năm
HSDPA
triển khai 4/2003 9/2008 10/2009
8/2007
ban đầu
HSUPA
Phƣơng pháp OFDMA/ OFDMA/
CDMA CDMA CDMA
truy nhập SC-FDMA SC-FDMA
Bảng 1.4 - Thể hiện các phƣơng pháp truy nhập của các hệ thống[17]
Phƣơng pháp truy nhập OFDMA đƣợc sử dụng cho tuyến xuống của các hệ
thống LTE-Advanced. Trong khi đó, phƣơng pháp truy nhập SC-FDMA đƣợc tăng
cƣờng sử dụng cho tuyến lên của hệ thống LTE-Avanced. SC-FDMA là một công
nghệ mạnh mẽ, nó kết hợp nhiều phần OFDM với tốc độ công suất đỉnh trung bình
thấp của một hệ thống đơn sóng mang. Hình 1.3 ở dƣới cho thấy một sơ đồ khối tăng
cƣờng xử lý đa truy nhập tuyến lên (nhóm SC-FDMA). Nó là một khối vận chuyển
cho mỗi dự kiến thành phần sóng mang. Mỗi khối vận chuyển đƣợc ánh xạ đến một
đơn thành phần sóng mang và một UE có thể dự kiến trên nhiều thành phần sóng mang
đồng thời bằng cách sử dụng tập các sóng mang.
6
Hình 1.3 - Sơ đồ khối của nhóm SC-FDMA trong tuyến lên LTE-Advanced[7]
Ngoài các phƣơng pháp truy nhập của LTE-Advanced ở trên, còn có các
phƣơng pháp truy nhập khác nhƣ: MIMO OFDM, MIMO OFDMA và MIMO SC-
FDMA, MC-MC-CDMA . . ..
1.3.2 Ứng dụng IPv6
Không giống nhƣ mạng thông tin di động 3G là dựa trên hai cơ sở hạ tầng bao
gồm các node mạng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tƣơng ứng, thì ở mạng
thông tin di động 4G chỉ dựa trên chuyển mạch gói. Điều này đòi hỏi độ trễ truyền dữ
liệu thấp.
Trƣớc thời điểm mà mạng thông tin di động 4G triển khai, việc xử lý của địa
chỉ IPv4 đã cạn kiệt và đƣợc dự kiến sẽ đến giai đoạn cuối cùng của nó. Vì vậy, trong
bối cảnh mạng thông tin di động 4G đang phát triển, thì việc hỗ trợ IPv6 là điều cần
thiết để cho phép hỗ trợ một số lƣợng lớn các thiết bị không dây. Bằng cách tăng số
lƣợng địa chỉ IP. IPv6 loại bỏ sự cần thiết của dịch địa chỉ mạng (NAT), một phƣơng
pháp chia sẻ giới hạn số lƣợng địa chỉ giữa các nhóm lớn hơn của các thiết bị, mặc dù
NAT vẫn đƣợc yêu cầu để giao tiếp với các thiết bị mà có sẵn trên các mạng IPv4.
Tính đến tháng 6 năm 2009, Verizon đã đƣợc đăng tải chi tiết các thông số kỹ
thuật mà đòi hỏi bất kỳ thiết bị 4G nào trên mạng của nó đều đƣợc hỗ trợ địa chỉ
IPv6[15].
7
1.3.3 Anten
Hiệu suất của truyền thông vô tuyến phụ thuộc vào hệ thống anten, mà đƣợc gọi
là anten thông minh. Gần đây, nhiều công nghệ anten đang nổi lên để đạt đƣợc mục
tiêu của các hệ thống thông tin di động 4G nhƣ tốc độ cao, độ tin cậy cao và các thông
tin liên lạc tầm xa. Trong đó, ghép kênh không gian là một công nghệ liên quan đến
việc triển khai nhiều anten tại máy phát và nhiều anten tại máy thu. Công nghệ này
đƣợc gọi là MIMO (nhƣ là một nhánh của anten thông minh)[15].
MIMO là một kỹ thuật chính cho bất kỳ hệ thống thông tin di động nào mà đề
cập đến việc sử dụng nhiều anten tại các bên phát và thu. Các trạm và các thiết bị đầu
cuối đƣợc trang bị với nhiều thành phần anten dự định đƣợc sử dụng trong việc truyền
và tiếp nhận cho khả năng MIMO có sẵn ở cả tuyến xuống và tuyến lên. Các hệ thống
thông tin di động thế hệ tiếp theo sẽ phải cung cấp một số lƣợng lớn ngƣời dùng với
các tốc độ truyền dữ liệu rất cao và MIMO là một công cụ rất hữu ích đối với việc tăng
hiệu quả phổ của truyền tải không dây.
MIMO cải tiến đƣợc xem là một trong những khía cạnh chính của các hệ thống
LTE-Advanced mà cho phép hệ thống đáp ứng các yêu cầu tốc độ đƣợc thiết lập bởi
ITU-R. Đa số các công nghệ MIMO đã đƣợc giới thiệu trong LTE, dự kiến sẽ tiếp tục
đóng vai trò cơ bản trong LTE-Advanced, cụ thể là chùm tia, ghép kênh không gian và
sự đa dạng không gian. Tuy nhiên, cải thiện hơn nữa về công suất đỉnh, thông lƣợng
cell trung bình, cell cạnh cần đạt đƣợc để tăng chất lƣợng[2].
Khái niệm MIMO cải tiến đƣợc hình thành nhƣ là một khung công việc đa chế
độ thích ứng mà trong đó nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn và phủ sóng rộng hơn
đƣợc cung cấp bằng cách lựa chọn chƣơng trình MIMO phù hợp theo thiết bị hệ thống
hiện tại. Chiến lƣợc thích ứng đƣợc chọn lựa dựa trên các phép đo kênh khác nhau mà
đƣợc tập trung tại trạm cơ sở thông qua một cơ chế phản hồi tốc độ thấp. Ngoài ra,
LTE-Advanced sẽ cho phép các công nghệ MIMO đã đề cập ở trên đƣợc kết hợp với
bất kỳ điều gì đƣợc biết nhƣ là mở rộng hoặc cải tiến. Hình 1.4 ở dƣới thể hiện ý tƣởng
đằng sau khái niệm này.
Hình 1.4 – Chƣơng trình chuyển đổi thích ứng MIMO[2]
8
Hình 1.5 minh họa các chế độ hoạt động chính của MIMO. Hơn nữa, một trong
số chúng là một trong số các mục tiêu cải tiến đang đƣợc theo đuổi bởi LTE-Avanced.
Hình 1.5 - Các mô hình MIMO trong LTE-Advanced[2]
 MIMO một ngƣời dùng (SU-MIMO): các kỹ thuật ghép kênh không gian và sự
đa dạng truyền có thể đƣợc chọn lựa cho truyền kết hợp với chùm tia. Tính năng này
cùng với MIMO bậc cao hơn (ví dụ nhƣ tăng số lƣợng cổng anten) có thể làm tăng tốc
độ dữ liệu đỉnh ngƣời dùng.
 MIMO đa ngƣời dùng (MU-MIMO): nhấn mạnh vị trí MU-MIMO vì nó cung
cấp hiệu suất tốt nhất. Tính linh hoạt của SDMA đƣợc tăng lên bằng cách cho phép
một số lƣợng luồng khác nhau để tiếp cận từng ngƣời dùng để tăng tốc độ dữ liệu cell
trung bình. SU-MIMO và MU-MIMO tạo ra những gì đƣợc gọi là single-site MIMO.
 MIMO phối hợp: thông lƣợng cell cạnh ngƣời dùng là thúc đẩy mạnh mẽ bằng
cách sử dụng phối hợp trong việc truyền và nhận của các tín hiệu giữa các trạm cơ sở
khác nhau, mà còn giúp giảm nhiễu liên cell. Những kỹ thuật này, đƣợc gọi là phối
hợp đa điểm truyền và nhận, là một tập hợp các công nghệ chính.
Vì vậy MIMO có lẽ là tính năng quan trọng nhất của LTE-Advanced để cải
thiện tốc độ bit dữ liệu và hiệu quả quang phổ. LTE-Advanced mở rộng khả năng
MIMO và hiện tại hỗ trợ tám anten tuyến xuống và bốn anten tuyến lên mà trong khi
đó LTE hỗ trợ tối đa bốn anten tuyến xuống và một anten tuyến lên.
1.3.4 SDR
SDR là một trong những hình thức kiến trúc không dây mở (OWA). Vì mạng
thông tin di động 4G là một tập các tiêu chuẩn không dây, nên hình thức cuối cùng của
một thiết bị 4G sẽ tạo thành các tiêu chuẩn khác nhau. Điều này có thể nhận ra đƣợc
một cách hiệu quả bằng cách sử dụng công nghệ SDR, mà đƣợc phân loại theo khu
vực phủ sóng vô tuyến[15].
9
Đặc tính hàng đầu đƣợc kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết
nối ABC (Always Best Connected - Luôn đƣợc kết nối tốt nhất). Để thỏa mãn đƣợc
điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn hợp, bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau, kết
nối, tích hợp trên nền toàn IP. Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công nghệ (multi-
technology), đa chức năng (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy
nhập khác nhau. Do vậy, thiết bị di động sẽ sử dụng giải pháp SDR (Software Defined
Radio) để có thể tự cấu hình nhiều loại thiết bị vô tuyến khác nhau thông qua một phần
cứng duy nhất[19].
1.4 Tình hình triển khai mạng 4G
Tình hình triển khai, thử nghiệm công nghệ 4G trên thế giới:
Tại Mỹ: Ngày 9 tháng 8 năm 2006, Công ty Sprint Nextel đã công bố kế hoạch
phát triển và triển khai mạng 4G đầu tiên, sử dụng tiêu chuẩn công nghệ WiMAX di
động IEEE 802.16e - 2005 và lập kế hoạch phủ sóng tới 100 triệu ngƣời sử dụng trong
năm 2008. Sprint Nextel sẽ hợp tác với Intel, Motorola và Samsung phát triển một cơ
sở hạ tầng mạng trên toàn nƣớc Mỹ cũng nhƣ các chipset hỗ trợ mạng WiMAX di
động dùng cho các thiết bị điện toán, giải trí đa phƣơng tiện cầm tay và các thiết bị
điện tử tiêu dùng mà có thể sử dụng các dịch vụ băng thông rộng không dây tiên tiến.
Một số hãng máy tính nhƣ Acer, Lenovo, Asus, Matsushita đã thông báo kế hoạch
dùng chip Centrino WiMAX của Intel cho các thiết bị.
Trung Quốc: Việc Thƣợng Hải triển khai thử nghiệm 4G có thể coi là một bƣớc
“nhảy cóc” của Trung Quốc, bởi hiện tại nƣớc này vẫn chƣa khai thác mạng 3G vì
nhiều lý do. Dự án triển khai thí điểm 4G tại Thƣợng Hải tốn kém khoảng 150 triệu
NDT (khoảng 19 triệu USD) và đƣợc Chính phủ Trung Quốc tuyên bố là “thành phố
4G đầu tiên trên thế giới”.
Hàn Quốc: Hệ thống truyền phát dữ liệu mạng không dây 4G vừa đƣợc công bố
và biểu diễn tại Triển lãm thƣơng mại quốc tế ở Seoul. Đƣợc phát triển bởi Viện
Nghiên cứu điện tử và viễn thông Hàn Quốc (ETRI), hệ thống này - trong thời gian
triển lãm - cho phép truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 100 Mb/s đối với các thiết bị
đang đứng yên. Kể cả khi bạn đang di chuyển với vận tốc lên tới 120 km/h, hệ thống
vẫn cho phép truyền và nhận dữ liệu một cách liền mạch, không hề bị đứt đoạn. Cuộc
thử nghiệm của ETRI đƣợc tiến hành chỉ 1 ngày sau khi NTT DoCoMo tuyên bố đã
đạt đƣợc tốc độ truyền gói dữ liệu real-time lên tới 1 Gb/s đối với các thiết bị đang di
chuyển ở vận tốc 20 km/h.
Nhật Bản: NTT DoCoMo đã thử nghiệm 4G và đạt đƣợc tốc độ truyền dữ liệu
là 100 Mb/s đối với đƣờng truyền uplink (đƣờng truyền từ trạm thu mặt đất đến vệ
tinh) và 20 Mb/s đối với đƣờng truyền downlink (đƣờng truyền từ vệ tinh xuống một
trong các trạm thu mặt đất). Hãng sẽ tiếp tục tiến hành thử nghiệm thực tế nhằm mục
10
đích phát triển chuẩn toàn cầu 4G. Nhật Bản hy vọng các dịch vụ 4G sẽ đƣợc thƣơng
mại hóa ở nƣớc này vào năm 2010[19].
Tình hình triển khai, thử nghiệm công nghệ 4G tại Việt Nam:
Với sự phát triển không ngừng của mạng thông tin vô tuyến hiện nay, việc
chuyển sang mạng 4G trong thời gian tới là hoàn toàn có thể. Hệ thống di động 4G tập
trung vào việc tích hợp các công nghệ không dây hiện tại nhƣ GSM, LAN vô tuyến và
Bluetooth. Khác hẳn với 3G chỉ tập trung vào việc phát triển các chuẩn mới và phần
cứng, hệ thống 4G sẽ hỗ trợ các dịch vụ thông minh và mang tính chất cá nhân, cung
cấp hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lƣợng cao. Tuy nhiên, việc chuyển từ
các hệ thống hiện nay sang 4G sẽ gặp phải những thách thức rất lớn, liên quan tới các
vấn đề nhƣ trạm di động, hệ thống mạng và dịch vụ[19].
Quý III/2010, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp 5 giấy phép cho thử
nghiệm công nghệ 4G cho các doanh nghiệp VNPT, CMC, FPT, VTC và Viettel
.Theo đó các doanh nghiệp sẽ thử nghiệm công nghệ 4G trong thời hạn một năm và có
thể kéo dài trong thời gian hai năm để đánh giá công nghệ và nhu cầu của ngƣời sử
dụng tại Việt Nam[18].
Mới đây, Viettel đã chính thức công bố chƣơng trình triển khai xây dựng thử
nghiệm mạng 4G theo công nghệ LTE (Long Term Evolution) trên địa bàn Hà Nội.
Ngay sau đó, thị trƣờng cũng nhận đƣợc thông tin từ CMC cho hay, doanh
nghiệp này đã đạt đƣợc thoả thuận với VTC trong việc chia sẻ hạ tầng và sử dụng hiệu
quả tài nguyên tần số 4G. Nhƣ vậy, hai doanh nghiệp CMC và VTC sẽ cùng tiến hành
thử nghiệm công nghệ 4G. Giải pháp vô tuyến và các ứng dụng mà công ty thành viên
của CMC có thể cung cấp cùng sự hợp tác với các doanh nghiệp có thế mạnh về nội
dung nhƣ VTC sẽ là yếu tố đảm bảo thành công của 4G.
Đi đầu trong việc triển khai cung cấp thử nghiệm dịch vụ công nghệ 4G tại Việt
Nam là Tập đoàn VNPT/VDC. Ngay từ giữa tháng 10, những trạm phát sóng công
nghệ LTE đầu tiên tại Việt Nam đã đƣợc lắp đặt. VNPT đã chính thức triển khai giai
đoạn 1 thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE tại khu vực
Hà Nội. Giai đoạn 2 của Dự án dự kiến sẽ đƣợc triển khi tại Tp.Hồ Chí Minh.
Khi cung cấp thử nghiệm LTE, trƣớc mắt, VDC sẽ tận dùng mọi dịch vụ online
hiện có của bản thân doanh nghiệp và của các nhà cung cấp dịch vụ trên cơ sở hợp tác
và đƣợc hỗ trợ từ họ. Thời gian tới, VDC sẽ chủ động phát triển những dịch vụ nội
dung số, các tiện ích mới đáp ứng nhu cầu của khách hàng.
11
1.5 Kết luận
Trãi qua khoảng vài chục năm lại đây mà công nghệ truyền thông không dây
phát triển đến chóng mặt từ thế hệ 1G đến thế hệ 3G, song song với với vấn đề này thì
nhu cầu của con ngƣời sử dụng các dịch vụ của mạng truyền thông không dây cũng
phát triển không ngừng. Mặc dù mạng thông tin di động 3G ra đời đã cung cấp các
dịch vụ sử dụng cho con ngƣời phong phú hơn và cải thiện đƣợc tốc độ truyền dữ liệu
cao hơn so với thế hệ trƣớc đó. Nhƣng nhu cầu thõa mãn của con ngƣời ngày càng cao
và số lƣợng thuê bao cũng tăng lên, thì mạng thông tin khó mà tránh khỏi những hạn
chế. Trƣớc bối cảnh đó, thì có rất nhiều hệ thống mạng thông tin di động phát triển lên
hệ thống thông tin di động 4G nhƣ: 3GPP LTE, mobile WiMAX (IEEE 802.11 e),
UMB (formerly EV-DO Rev. C), Flash-OFDM và Các hệ thống iBurst and MBWA
(IEEE 802.20). Trƣớc tình hình đó, tổ chức ITU cũng đƣa ra hàng loạt các yêu cầu và
tiêu chuẩn 4G để định hƣớng phát triển. Hiện tại, có hai hƣớng chủ yếu mà thế giới
đang chú ý để phát triển lên mạng 4G là 3GPP LTE và WiMAX. Tuy nhiên trƣớc
những lợi thế của 3GPP LTE (dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có của nó,…) thì nhiều nƣớc
chọn lựa theo hƣớng này để phát triển lên mạng thông tin di động 4G. Hiện tại, LTE
đã đƣợc phát triển và triển khai thử nghiệm ở nhiều nơi trên thế giới cũng nhƣ ở Việt
Nam, để đƣa vào ứng dụng rộng rãi trong tƣơng lai gần đây. Mục tiêu của hệ thống
mạng thông tin di động 4G là nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, thoại dựa trên nền IP và
các dịch vụ đa phƣơng tiện. Để thực hiện đƣợc điều này, thì nhiều thành phần mới
đƣợc bổ sung vào mạng thông tin di động 4G nhƣ: phƣơng pháp truy nhập mạng
(OFDMA, SC-FDMA, MIMO OFDM, MIMO SC-FDMA và MC-MC-CDMA …), kỹ
thuật đa anten (hệ thống một ngƣời dùng và hệ thống đa ngƣời dùng), mở rộng từ địa
chỉ IPV4 lên IPV6 và kiến trúc SDR. Trƣớc tình hình phát triển mạng thông tin di
động song song với nhu cầu con ngƣời cũng nhƣ những hạn chế của các hệ thống
mạng trƣớc đó, thì việc nghiên cứu, phát triển và triển khai các hệ thống thông tin di
động 4G là vấn đề cần thiết của thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng hiện nay.
Vậy có thể nói rằng, chƣơng 1 định hƣớng cho việc phân tích các giải pháp truy nhập
và đánh giá chất lƣợng mạng đi theo hƣớng ứng dụng OFDMA, SC-FDMA, MIMO
SC-FDMA, MC-MC-CDMA trình bày chi tiết ở chƣơng 2.
12
CHƢƠNG 2
PHƢƠNG PHÁP TRUY NHẬP VÀ ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƢỢNG MẠNG
2.1. Phƣơng pháp truy nhập mạng 4G
Hiện tại có nhiều phƣơng pháp truy nhập đã và đang nghiên cứu phát triển tạo
điều kiện để hỗ trợ cho việc xây dựng các mô hình mô phỏng cho các hệ thống thông
tin di động 4G nhƣ: OFDMA, SC-FDMA, MIMO SC-FDMA và MC-MC-CDMA….
2.1.1. Phƣơng pháp truy nhập OFDMA
OFDMA là một loại ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) mà trong đó
băng tần số đƣợc chia thành nhiều tần số sóng mang con trực giao. Đầu tiên, dữ liệu
đƣợc chuyển đổi thành các luồng bit song song, sau đó nó đƣợc điều chế trên mỗi sóng
mang con bằng cách sử dụng các chƣơng trình điều chế thông thƣờng. OFDMA cho
phép tốc độ dữ liệu thấp từ nhiều ngƣời dùng, có độ trễ ngắn hơn và không đổi. Nó có
tính linh hoạt trong việc triển khai trên các băng tần số khác nhau bằng cách sửa đổi
một ít cho giao diện không gian. Ảnh hƣởng của fading đa đƣờng đƣợc giảm bằng
cách sử dụng OFDMA bởi vì dữ liệu của ngƣời dùng đƣợc điều chế trên vài tần số trực
giao chứ không phải là tần số cố định cho toàn bộ thời gian kết nối. Ngoài ra, OFDMA
không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chia sẻ dung lƣợng băng thông có sẵn mà
còn làm tăng dung lƣợng cho mỗi ngƣời dùng bởi vì sử dụng vài tần số[6].
Thực tế việc thực hiện của hệ thống OFDMA là dựa trên công nghệ kỹ thuật số
và cụ thể hơn thế nữa là sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và biến đổi ngƣợc
Fourier rời rạc (IDFT) để chuyển đổi qua lại giữa biểu diễn miền tần số và miền thời
gian. Kết quả tín hiệu của các dạng sóng đầu vào khác nhau đến khối biến đổi Fourier
nhanh (FFT) đƣợc thể hiện trong hình 2.1 ở dƣới[6].
13