1

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Nguyễn Hồng Dương NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GẠT NHIỄU TRONG MẠNG 4G Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011
2 Luận văn được hoàn thành tại:



MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một lĩnh vực phát triển rất nhanh và mang
lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Hiện nay trên thị trường viễn thông đang có sự
phát triển vượt bậc của các công nghệ thông tin di động với 2,5G, 3G.
Mặc dù các hệ thống thông tin di động 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng
các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã tiến hành triển khai thử nghiệm và đã
chuẩn hóa chuẩn di động 4G. Công nghệ 4G mang lại những tiện ích vượt trội cho người
dùng mọi lúc, mọi nơi kể cả khi đang di chuyển với tốc độ cao. Đó chính là điểm khác biệt
giữa mạng di động thế hệ thứ ba (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Tuy vẫn còn khá
mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác
biệt so với các mạng di động 3G hiện nay.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu về nhiễu và các biện pháp gạt nhiễu trong mạng
4G. Nội dung luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan mạng 4G.
Chương 2: Nhiễu trong mạng 4G.
Chương 3: Giải pháp gạt nhiễu trong mạng 4G.
Kết luận: Tóm tắt kết quả nghiên cứu, các đề xuất, kiến nghị.
1.2.3. Hỗ trợ tính di động tốt
Trong các hệ thống 4G, người dùng sẽ di động trong một vùng có kích thước đáng kể
và giao tiếp thông qua các thiết bị đầu cuối vô tuyến. Người dùng phải có khả năng liên lạc
bằng một số nhận dạng duy nhất. Như vậy, mạng 4G sẽ phải có một phương tiện phù hợp để
5

nhận dạng người dùng và cho phép người dùng điều khiển số nhận dạng và thực hiện ánh xạ
một cách hiệu quả đến điểm đích chung.
1.2.4. Không cần liên kết điều khiển
Trong trường hợp của băng tần ISM thì có thể lập mạng Adhoc từ một nhóm nút, cho
phép các nút giao tiếp trực tiếp với nhau, thậm chí các nút có thể cộng tác với nhau, chuyển
tiếp lưu lượng của nhau.
1.2.5. Hỗ trợ bảo mật đầu cuối – đầu cuối
Trong các mạng 4G, yêu cầu về bảo mật lớn hơn rất nhiều so với mạng 3G do mạng
4G có kiến trúc mở. Do đó cần phải có một môđun bảo mật tích hợp để bảo vệ dữ liệu giữa
các mạng khác nhau và hơn nữa là một mô hình bảo mật để bảo vệ nhiều thực thể. Các nút
di động và cố định sẽ tương tác với nhau không cần liên hệ với điều hành mạng. Các giao
thức và thủ tục phải có khả năng cho phép người dùng trong các nút mạng này nhận thực đủ
thông tin để nhận dạng người dùng và có thể kết nối. Đây chính là tính năng bảo mật đầu
cuối – đầu cuối.
1.3. Tiêu chuẩn chất lượng hệ thống mạng 4G
Bảng 1.1 liệt kê các yêu cầu của IMT – Advanced đặt ra bởi ITU:
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn IMT – Advanced [1]
Hạng mục Tiêu chuẩn IMT - Advanced
Peak Data Rate (Downlink) 1 Gbps
Peak Data Rate (Uplink) 500 Mbps
Cấp phát phổ tần > 40 MHz
Độ trễ (User Plane) 10 ms
Độ trễ (Control Plane) 100 ms
Hiệu suất phổ đỉnh (Downlink) 15 bps/Hz (4x4)

Hình 1.1: Hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp
Sự khác nhau rõ ràng nhất là ở hệ MIMO phối hợp, thiết bị phát không đặt gần nhau
về mặt vật lý. Hệ MIMO nhiều người dùng trong đường uplink cũng có các thiết bị phát độc
lập theo các UE khác nhau nhưng không có khả năng chia sẻ dữ liệu giữa các UE để phục
vụ mục đích phối hợp tiền mã hóa. Tình huống này có thể khả thi trong đường downlink vì
không thể chia sẻ dữ liệu băng gốc giữa các UE riêng biệt. Mặc dù hệ MIMO phối hợp
đường downlink là khả thi, nó cũng đặt ra thách thức mới cho việc truyền tin của inter-eNB
7

(giao diện X2). Có thể coi MIMO phối hợp là một dạng nâng cấp của kỹ thuật phân tập vĩ
mô (macro diversity) được dùng để chuyển giao mềm.
1.4.4. Sử dụng Relay
Một phương pháp khác để mở rộng vùng phủ sóng trong các điều kiện khó triển khai
là sử dụng relay [1].

Hình 1.2. Sử dụng Relay
Phương pháp đơn giản nhất là sử dụng một bộ lặp (repeater) làm nhiệm vụ nhận,
khuếch đại và truyền lại tín hiệu downlink và uplink để khắc phục tình trạng phủ sóng yếu.
Bộ lặp có thể đặt ở biên tế bào hoặc ở địa điểm nằm trong vùng phủ sóng yếu, chúng có thể
tăng vùng phủ sóng nhưng không tăng được dung lượng.
Các relay hiện đại hơn có thể giải mã sự truyền trước khi truyền lại chúng, giúp lựa
chọn đường truyền đến và từ UE đến trạm relay do đó giảm được can nhiễu.
Khái niệm trạm relay có thể áp dụng trong triển khai mật độ thấp nếu như sự thiếu
vắng của một đường backhaul thích hợp sẽ dẫn đến mạng di động không hoạt động được.
1.4.5. Mạng tự tối ưu hóa
Ngày nay các hệ thống thông tin di động tế bào ngày càng được tập trung và việc đưa
thêm các node vào mạng sẽ gây tốn kém về tài chính và thời gian. Một tính năng đang được
xem xét của LTE – Advanced là khái niệm “Mạng tự tối ưu hóa” (Self Optimizing Network
– SON). Lợi ích của nó là giúp giảm ảnh hưởng của việc đưa thêm các node mới vào mạng.
Các khái niệm này được đề cập đến ở phiên bản 8 và tiếp tục trong các phiên bản 9 và 10.

ra một số giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống, trong đó có vấn đề gạt nhiễu. Trong
chương 2, chúng ta sẽ phân tích nhiễu trong hệ thống thông tin di động và nhiễu trong mạng
4G.
9

CHƯƠNG 2. NHIỄU TRONG MẠNG 4G
2.1. Giới thiệu chương
Các tín hiệu nhiễu trong mạng không dây có thể chia thành hai loại: nhiễu do hiện
tượng tự nhiên và nhiễu do con người. Trong chương này, chúng ta đi vào phân tích loại tín
hiệu nhiễu do con người gây ra, có thể can thiệp, điều khiển: nhiễu trong hệ thống thông tin
di động và nhiễu trong mạng 4G LTE – Advanced, đưa ra mô hình toán học của nhiễu và
nêu sự khác nhau giữa nhiễu trong mạng 4G và các mạng thế hệ trước.
2.2. Nhiễu trong mạng 4G
2.2.1. Nhiễu trong hệ thống thông tin di động
2.2.1.1.Nhiễu đồng kênh
Nhiễu đồng kênh được định nghĩa là tín hiệu nhiễu có cùng tần số sóng mang với tín
hiệu thông tin hữu ích. Với tổ chức tế bào và một quy luật tái sử dụng tần số được tính toán
nhằm hạn chế việc tín hiệu phát của các thiết bị sử dụng cùng kênh tần số ở các vị trí khác
nhau trong mạng gây can nhiễu lẫn nhau. Tuy nhiên vẫn tồn tại khả năng một BTS/MS thu
được tín hiệu của các MS/BTS ở ô khác trên cùng kênh tần số. Các tín hiệu không mong
muốn đó được gọi là nhiễu đồng kênh (CCI).
Nhiễu đồng kênh là loại nhiễu quan trọng có ảnh hưởng lớn cần quan tâm phòng
tránh để đảm bảo chất lượng của hệ thống thông tin di động tế bào.
2.2.1.2. Nhiễu kênh lân cận (Adjacent Channel Interference: ACI)
Nhiễu kênh lân cận có thể được chia thành: nhiễu trong băng (inband) và nhiễu ngoài
băng (out of band). Nhiễu trong băng là nhiễu có tần số trung tâm của tín hiệu nằm trong
dải thông của tín hiệu thông tin. Nhiễu ngoài băng là nhiễu có tần số trung tâm nằm ngoài
dải thông của tín hiệu thông tin.

Nếu so sánh ACI với CCI ở cùng một mức công suất của tín hiệu nhiễu, bao giờ ảnh

. UE1 bị ảnh hưởng bởi nhiễu giữa các cell, tức là nhiễu từ tế bào bên
cạnh cell 2 phục vụ UE2 với ma trận tiền mã hóa B
2
.
2.2.2.3 Nhiễu đồng kênh trong truyền SC FDMA uplink
Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single – carrier
frequency division multiple access: SC – FDMA) được lựa chọn cho uplink của chuẩn
LTE/LTE – Advanced.
11

Để nâng cao hiệu suất phổ tần, hệ số tái sử dụng tần số của 1 được sử dụng. Điều này
dẫn đến nhiễu đồng kênh mạnh từ các cell bên cạnh như hình 2.5.

Hình 2.5. Nhiễu đồng kênh trong đường uplink
Mô hình hệ thống được cho bởi hệ MIMO (N
r
x N
t
) với J người dùng, trong đó 1
người dùng mong muốn và J – 1 nguồn nhiễu, mỗi người dùng truyền tín hiệu qua N
t
= 1
ăng ten phát và tín hiệu được nhận bởi N
r
ăng ten như hình 2.6.
nhập phù hợp cho mạng băng rộng. Trong khi đó, mạng 4G sử dụng công nghệ OFDM là
công nghệ phù hợp với mạng băng rộng.
2.3.1.4. Về chất lượng dịch vụ
Chất lượng dịch vụ mạng 4G tốt hơn nhiều so với mạng 3G. Điều này có được nhờ
mạng 4G có băng thông rộng hơn, chất lượng của hệ thống IPv6 tốt hơn so với IPv4, quá
trình thu phát được cải thiện nhờ hệ MIMO dựa trên ăng ten thông minh.
2.3.1.5. Về quản lý tài nguyên
Quản lý tài nguyên trong mạng 4G tốt hơn nhiều so với mạng 3G nhờ sử dụng các kỹ
thuật thích nghi thông minh trong quản lý tài nguyên đem lại sự tối ưu hóa từ kỹ thuật điều
chế, mã hóa đến cấp phát băng thông.
2.3.2. Sự khác nhau giữa nhiễu trong mạng 4G và nhiễu trong mạng 3G
Trong mạng 3G UMTS giao diện vô tuyến dựa trên kỹ thuật CDMA sử dụng các hệ
số trải phổ biến đổi. Các chuỗi trải phổ có đặc tính tự tương quan kém do sự giảm hiệu năng
máy thu Rake gây ra bởi ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự. Trong khi đó, mạng 4G sử dụng
13

công nghệ OFDM do đó khắc phục được nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) nhờ khoảng bảo vệ
giữa các ký hiệu.
Khi triển khai mạng 4G có khả năng xảy ra nhiễu với mạng dịch vụ FWA (Fixed
Wireless Access: Truy nhập cố định không dây), hệ thống truyền hình kỹ thuật số, hệ thống
định vị toàn cầu.
Ngoài ra, trong hệ thống LTE – A còn có các loại nhiễu đặc thù do triển khai mạng
không đồng nhất.
2.4. Kết luận chương
Chương 2 tập trung nghiên cứu các loại nhiễu trong hệ thống thông tin di động nói
chung và nhiễu trong hệ thống 4G LTE – Advanced nói riêng, đưa ra mô hình toán học của
nhiễu theo mô hình ồn lớp A trong đó đi sâu vào nhiễu đồng kênh đường truyền SC –
FDMA uplink, là cơ sở để xây dựng giải pháp gạt nhiễu.
Hình 3.1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống
3.2.1.1.Kênh vật lý và tạo tín hiệu
Nguồn nhận các ký hiệu nhị phân được tạo ra từ các lớp cao hơn, bao gồm các ký hiệu
không nhớ với giá trị 0 hoặc 1.

Hình 3.2. Tạo ký hiệu thông tin
3.2.1.2. Cấu trúc SC – FDMA theo thời gian và tần số
15

SC – FDMA được lựa chọn cho đa truy nhập uplink trong LTE/LTE – A. Tín hiệu
được truyền trong 6 kênh băng tần từ 1,4 đến 20 MHz. Mỗi kênh được chia thành các băng
tần 15 kHz.
Mỗi khung có 20 khe, được đánh số từ 0 đến 19, mỗi khung kéo dài 0,5 ms cho
truyền song công truy nhập phân chia theo tần số (FDD). Hai khe liên tiếp tạo thành một
khung con. Thời gian của một khung là 1 ms gọi là thời gian truyền (TTI). Với truyền FDD,
tất cả các khe có thể mang tín hiệu kênh vật lý hoặc tín hiệu hoa tiêu. Với truyền song công
truy nhập phân chia theo thời gian (TDD) tình huống phức tạp hơn vì đường truyền uplink
và downlink sử dụng chung băng tần. Để đơn giản ở đây chỉ xét truyền FDD.
Khối tài nguyên (RB) là đơn vị được gán trong quá trình truyền tài nguyên đến các
kênh vật lý trong miền thời gian – tần số. Tất cả các khối tài nguyên trên băng tần khả dụng
của hệ thống tạo ra lưới tài nguyên. Số khối trong lưới tài nguyên có phạm vi từ 6 (với các
kênh 1,4 MHz) đến 100 (với các kênh 20 MHz). Trong miền thời gian, mỗi khe uplink mang
6 đến 7 ký hiệu SC – FDMA.
Một ký hiệu SC – FDMA gồm hai phần: các mẫu phức đầu ra của IDFT và một tiền
tố vòng CP. Trong một kênh vật lý chia sẻ đường uplink (PUSCH), tín hiệu tham chiếu giải
điều chế (DMRS) (được sử dụng để ước lượng kênh cho giải điều chế nhất quán) được chèn
vào phần tử tài nguyên thứ 4 của mỗi sóng mang con truyền trong một khối tài nguyên.
Trong trường hợp cell lớn, người ta sử dụng các khe với 6 ký hiệu để giảm nhiễu liên
ký tự ISI do quá trình trải trễ đa đường. Các cell này cần tiền tố lặp tương đối dài, gọi là một
tiền tố lặp mở rộng. Các cell nhỏ hơn sử dụng các khe với 7 ký hiệu và yêu cầu tiền tố bình


 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
H
     
 
 
    
 

16

Quá trình truyền có thể được mô tả trong dạng ma trận và vec tơ như sau:
, , ,
1
(3.2)
J

3.2.1.4. Cấu trúc bộ phát SC – FDMA

Hình 3.8. Cấu trúc bộ phát SC – FDMA
Trước hết, ký hiệu đầu vào


j
a k
được xử lý bằng phép biến đổi DFT, chuyển các ký
hiệu từ miền thời gian sang miền tần số bằng cách thực hiện phép nhân với ma trận DFT N x
N . Sau biến đổi DFT các ký hiệu


j
a k
từ miền thời gian sang miền tần số, các sóng mang
phụ sẽ được sắp xếp cho vec tơ
j
D
. Quá trình biến đổi IDFT thu được tín hiệu
j
d
, trước khi
truyền đi được chèn tiền tố lặp.
3.2.1.5. Cấu trúc bộ thu SC – FDMA
Bộ thu SC – FDMA có cấu trúc như hình 3.14:

Hình 3.14. Bộ thu SC – FDMA
Các khối của bộ thu thực hiện các quá trình ngược so với phía phát. Toàn bộ chuỗi quá
trình xử lý SC – FDMA của hệ thống có thể mô tả bằng phương trình:

equ j
H

.
Quá trình xử lý tín hiệu SC – FDMA có thể xem là:
, , ,
1
(3.34)
J
equ j j equ
j
  

 

u H a n

3.2.2. Tín hiệu tham chiếu đường uplink
Trong đường uplink, với quá trình truyền SC – FDMA, tín hiệu tham chiếu được chèn
để giải điều chế dữ liệu và dò kênh. Trong đường uplink cần hai loại tín hiệu tham chiếu:
- Tín hiệu tham chiếu giải điều chế
- Tín hiệu tham chiếu dò kênh
Ở đây chúng ta chỉ xem xét tín hiệu tham chiếu giải điều chế, liên quan đến quá trình
truyền trên PUSCH.
3.2.2.1.Tạo chuỗi tín hiệu tham chiếu
Các tín hiệu tham chiếu uplink phần lớn dựa trên chuỗi Zadoff – Chu[1]. Chuỗi tín
hiệu tham chiếu




chuỗi hoặc nhảy nhóm.
3.2.2.2. Giải điều chế tín hiệu tham chiếu cho PUSCH
Chuỗi tín hiệu tham chiếu giải điều chế r
PUSCH
(.) cho PUSCH được cho bởi:






,
. (3.46)
PUSCH R S
sc u v
r m M n r n

 

trong đó m = 0,1, n = 0,1, ,
RS
sc
M
- 1 và
RS PUSCH
sc sc
M M .
Các tham số u và v đã biết,  là độ dịch vòng (CyclicShift).
18


equ equ equ
  


  

u H a H a n

Nghiệm MMSE cho gạt nhiễu đồng kênh:


1 1 2 2 1 1
1
, ,1 , ,1 , ,2 , ,2 , ,1
(3.60)
H H
tu equ a a equ equ a a equ nn equ a a
    


  f H Φ H H Φ H Φ H

trong đó:
, ,1
equ

H là ma trận kênh vòng tương đương của người dung,
1 1
a a
Φ

Nghiệm bình phương nhỏ nhất của gạt nhiễu đồng kênh là:


 
1
1 1 2 2 1 1 2 2
(3.70)
H H

  f Ω Ω Ω Ω Ω p Ω p

*
(3.71)
tu
f f

trong đó (.)
*
là ký hiệu số phức liên hợp,
1
Ω
,
2
Ω
là các ma trận hoa tiêu,
1
p
,
2
p

d. Lọc thích nghi JLS (Joint Least Square) với bộ lọc không nhân quả
20

Sự kết hợp của thuật toán lọc thích nghi dựa trên hoa tiêu và kỹ thuật cân bằng mù
thích nghi được gọi là cân bằng “Joint Least Square” (JLS).
Để có dữ liệu trong thiết kế bộ lọc cần phải có dữ liệu phản hồi.
Với các ký hiệu phản hồi


1
ˆ
a k
, ta có ma trận dữ liệu nhận và sử dụng chúng cùng
với ma trận hoa tiêu nhận để xác định hệ số bộ lọc và hệ số của bộ lọc JLS được cho bởi:
1
2 1 2 1
, , , 1
1 1 1 1
ˆ
(3.76)
H H
x x d d x x d
x d x d
a

 
  
   
   
  





1 2 1 2
1 1
1 1
1 1
1 1 2 2
(3.84)
H H H H H
ktc
 
 
 
   
         R Ω Ω Ω Ω V V V V V V

trong đó
1


là ma trận đường chéo với các giá trị riêng của
1

nằm trên đường chéo chính
và
2



3.2.5. So sánh các bộ lọc
Hình 3.30 thể hiện sự so sánh hiệu năng các bộ lọc không nhân quả MMSE, LS và
JLS theo độ dài bộ lọc.
21 Hình 3.30. Hiệu năng các bộ lọc không nhân quả MMSE, LS và JLS
theo độ dài bộ lọc
Các thông số: tỉ số năng lượng mỗi bit/ mật độ phổ công suất tạp âm E
b
/N
0
= 15dB;
tỉ số tín hiệu/nhiễu CIR = 0dB; tỉ lệ mã hóa cơ sở R = 2/3; điều chế QPSK; 2 ăng ten thu; 1
nguồn nhiễu.
Với độ dài bộ lọc nhỏ, hiệu năng các bộ lọc tương đối bằng nhau. Khi độ dài lớn hơn,
bộ lọc MMSE tốt hơn bộ lọc JLS và bộ lọc JLS tốt hơn bộ lọc LS. Sự khác nhau về hiệu
năng giữa chúng tăng theo độ dài bộ lọc.
Hình 3.31 thể hiện sự so sánh các bộ lọc không nhân quả MMSE, LS và JLS với các
thông số: E
b
/N
0
= 15dB; tỉ số công suất giữa nguồn nhiễu vượt trội/nguồn nhiễu còn lại DIR
= 8dB; độ dài bộ lọc q
f
= 30; tỉ lệ mã hóa cơ sở R = 2/3; điều chế QPSK; 4 ăng ten thu; 5
nguồn nhiễu.

Hình 3.31. So sánh hiệu năng các bộ lọc không nhân quả


23

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Kết luận
Sau quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài tốt nghiệp, với sự nỗ lực của bản thân,
cùng với sự giúp đỡ của các giáo viên và các đồng nghiệp đến nay đề tài của tôi đã được
hoàn thành về cơ bản đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.
Kết quả đạt được của luận văn
- Chỉ ra những đặc điểm vượt trội của mạng 4G về tốc độ dữ liệu, khả năng đáp ứng
các dịch vụ thời gian thực chất lượng cao mọi nơi, mọi lúc.
- Phân tích các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống mạng 4G: kết hợp băng thông,
hệ MIMO bậc cao, hệ MIMO phối hợp, sử dụng relay, sử dụng femtocell, mạng tự tối ưu
hóa, điều phối và gạt nhiễu.
- Phân tích các loại nhiễu trong hệ thống thông tin di động, các loại nhiễu trong mạng
4G, đưa ra mô hình toán học của nhiễu, sự khác biệt về nhiễu ISI và nhiễu trong cell của
mạng 4G so với mạng 3G.
- Phân tích giải pháp gạt nhiễu đồng kênh đường uplink trong mạng 4G, xây dựng,
đánh giá, so sánh các bộ lọc MMSE, LS và JLS trong gạt nhiễu đồng kênh đường uplink
trong mạng 4G.
Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu, ứng dụng các giải pháp gạt nhiễu trong quá trình triển khai mạng 4G tại
Việt Nam.
- Nghiên cứu các giải pháp khắc phục ảnh hưởng của nhiễu trong mạng 4G bên cạnh
giải pháp gạt nhiễu như tái sử dụng tần số, điều khiển công suất