BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
PHAN ĐÌNH THẮNG

THIẾT KẾ MÃ HÓA ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG
DI ĐỘNG ĐA TẾ BÀO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN ĐÌNH THẮNG


Phan Đình Thắng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Bố cục đề tài 3
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

2.2.3. Mô hình hệ thống MIMO 34
2.2.4. Kỹ thuật phân tập 35
2.2.5. Các độ lợi của hệ thống MIMO-OFDM 38
2.2.6. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO 40
2.3. KỸ THUẬT MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG 40
2.3.1. Kênh đa người dùng 40
2.3.2. Kỹ thuật đa truy cập 42
2.4. ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN SDMA
TRONG HỆ THỐNG MU-MIMO 46
2.5. KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 48
2.5.1. Giới thiệu về tiền mã hóa 48
2.5.2. Tiền mã hóa Zero-forcing 49
2.5.3. Phân bổ công suất tối ưu 52
2.6. KÊNH SVD MIMO 53
2.7. KỸ THUẬT MÃ HÓA D-SVD VÀ P-SVD 57
2.7.1. Giới thiệu 57
2.7.2. Kỹ thuật D-SVD 58
2.7.3. Kỹ thuật P-SVD 60
2.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 61
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÃ HÓA ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG DI
ĐỘNG ĐA TẾ BÀO 63
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 63
3.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG MẠNG ĐA TẾ BÀO 63
3.3. THIẾT KẾ MA TRẬN ZF-BASED POSTCODING 65
3.4. THIẾT KẾ PRECODING TẠI NGƯỜI SỬ DỤNG 67
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 69
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 70
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 70
4.2. CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 70
4.3. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 71

Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ ba
3GPP
Third Generation Partnership
Project
Tổ chức chuẩn hóa các công
nghệ mạng thông tin di động
tế bào
4G
Fourth Generation Mobile
Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ tư
AMPS
Advanced Mobile Phone
System
Hệ thống điện thoại di động
tiên tiến
AWGN
Additive White Gaussian
Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng
BD Block Diagonalization
BEM Basis Expansion Model Mô hình mở rộng cơ sở
BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit
BS Base Station Trạm gốc
CDMA
Code Division Multiple
Access

hợp
HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
KKT Karush-Kuhn-Tucker
Điều kiện Karush-Kuhn-
Tucker
ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh
IEEE
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện kỹ nghệ Điện và Điện
Tử
IFFT
Inverse Fast Fourier
Transform
Biến đổi Fourier nhanh
ngược
ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự
ITU
International
Telecommunication Union
Liên hiệp Viễn thông Quốc
tế
LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn
MAC Multiple Access Channel Kênh đa truy cập
MIMO
Multiple Input Multiple
Output
Đa anten phát - Đa anten thu

MISO Multiple Input Single Output

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
SC-FDMA Single Carrier Frequency Đa truy nhập phân chia theo
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
Division Multiple Access tần số đơn sóng mang
SINR
Signal to Interference Noise
and interference Ratio
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và
tạp âm
SDMA
Space Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
không gian
SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
SISO Single Input Single Output
Đơn anten phát - đơn anten
thu
SIMO Single Input Multiple Output
Đơn anten phát - đa anten
thu
SVD
Singular Value
Decomposition
Phân tích ma trận thừa số
TACS
Total Access Communication
System
Hệ thống giao tiếp truy cập

Tên hình Trang
1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin di động tế bào 5
1.2 Mô hình mạng 4G 10
1.3 Phổ của sóng mang con OFDM 13
1.4 So sánh các kỹ thuật sóng mang 15
1.5 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM 18
1.6 Cấu trúc khung dữ liệu OFDM 22
1.7 Cấu trúc khung dữ liệu OFDM 22
1.8 Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu 22
1.9 Chùm tín hiệu M-QAM 23
1.10 Các tín hiệu đa đường 27
2.1 Sự khác nhau giữa SISO, SIMO, MISO và MIMO 32
2.2 Mô hình hệ thống MIMO 34
2.3 Kỹ thuật Beamforming 38
2.4 Ghép kênh không gian 39
2.5
Phân tập không gian giúp cải thiện SNR

40
2.6 Kênh đường xuống và kênh đường lên 41
2.7 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA 42
2.8 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 43
2.9
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

44
2.10 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA 45
2.11 Truyền dẫn đa người dùng MU transmission 46
2.12 Hệ thống truyền dẫn đa người dùng đơn giản 47
2.13 Mô hình precoding trong hệ thống SDMA – OFDM 49

cùng sử dụng lại tần số có thể được triển khai nếu nhiễu giữa các tế bào lân
cận (OCI) là đủ nhỏ khi khoảng cách giữa các tế bào là đủ lớn [14], tuy nhiên
điều này gây lãng phí tài nguyên tần số (do tài nguyên tần số là có hạn). Nếu
như khoảng cách giữa các tế bào là nhỏ, thì OCI sẽ tăng và phải chịu tổn thất
đáng kể về dung lượng của hệ thống nhưng sẽ tiết kiệm được tài nguyên tần
số.
Ngoài các nghiên cứu các kênh quảng bá (truyền dẫn đường xuống), thì
đã có một số nghiên cứu về truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập
(truyền dẫn đường lên). Đặt biệt, các kỹ thuật phân tích ma trận thừa số
(SVD) dựa trên các kỹ thuật precoding và postcoding được sử dụng để loại bỏ
nhiễu liên người sử dụng (trong mỗi tế bào) và OCI [12], [18].
Khác với các kỹ thuật SVD [12], [18], đã được nghiên cứu tôi chọn đề
tài “Thiết kế mã hóa đa truy cập trọng mạng di động đa tế bào” thực hiện các
vấn đề của việc thiết kế precoding và postcoding cho truyền dẫn đường lên
2

trong hệ thống đa tế bào cùng sử dụng lại tần số. Bằng việc sử dụng Zero-
forcing-based precoding/postcoding và phân bổ công suất tối ưu, với kỹ thuật
này thì sẽ loại bỏ được nhiễu liên người sử dụng, OCI tốt hơn và làm cho
dung lượng của hệ thống cao hơn so với các kỹ thuật đã được nghiên cứu
trước đây là thật sự cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu thiết kế ma trận Zero-forcing-based postcoding tại các
trạm gốc BS để loại bỏ nhiễu liên người sử dụng và OCI trong hệ thống
truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng lại tần số.
 Nghiên cứu thiết kế precoding tại các người sử dụng để tối đa dung
lượng tổng của mỗi tế bào trong hệ thống truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng
lại tần số.
 Mô phỏng so sánh các kỹ thuật precoding và postcoding đã được
nghiên cứu trước đó (như: P-SVD) với kỹ thuật precoding và postcoding đã

Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo khoa học, các luận
văn thạc sĩ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, các tài
liệu giáo trình, cùng với các trang web tìm hiểu nội dung liên quan đến đề tài.
Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự
góp ý của hội đồng để luận văn trở thành một công trình thực sự có ích.
4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ
BÀO VÀ OFDM
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Với nhu cầu ngày càng cao cho các dịch vụ không dây như thoại, dữ
liệu, video tốc độ cao,… kèm theo đó là đòi hỏi về chất lượng và dung lượng
cần được chú trọng, để đáp ứng những yêu cầu đó thì mạng thông tin di động
tế bào đã có những bước tiến nhảy vọt với nhiều tiêu chuẩn mới. Nội dung
của chương này sẽ giới thiệu khái quát quá trình phát triển của mạng thông tin
di động từ thế hệ đầu tiên đến công nghệ mới nhất 4G. Tiếp đến, sẽ giới thiệu
về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) - một kỹ thuật
được sử dụng phổ biến trong hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng.
1.2. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ
BÀO
Thông tin di động hiện là một lĩnh vực vô cùng quan trọng đời sống văn
hóa của con người trong thế kỷ 21 . Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã
trải qua nhiều giai đoạn phát triển và đã đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao
của con người.
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về
thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di
động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm
tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn

3G LTE

(OFDMA)

3GPP standards

EV
-
DV

CDMA2000

UMB
(OFDMA)

3GPP2 standards802.16m

(OFDMA)

GSM
(TDMA)

GPRS EDGE
UMTS

(WCDMA)


2004

(OFDM)
802.16-2005

(OFDM)
Cellular Technology Evolution
1G 2G 2.5G 2.75G 3G 3.5G pre-4G

Broadband Wireless Technology Evolution
2005 2006 2006-2009 2010+
All-IP
Convergence

6

giới thiệu trên thị trường vào những năm 1980. Một trong những công nghệ
1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước
Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như AMPS
(Advanced Mobile Phone System - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được
sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication System - hệ thống
giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào
Nha và Nam Phi. Điểm yếu của 1G là: dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi
cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém,
không có chế độ bảo mật… Khi số lượng các thuê bao trong mạng ngày càng
tăng lên, các nhà nghiên cứu nhận thấy cần có biện pháp nâng cao dung lượng
của mạng, chất lượng cuộc thoại cũng như thêm các dịch vụ bổ sung cho
mạng. Người ta nghĩ đến việc số hóa các hệ thống điện thoại di động dẫn đến
sự ra đời của hệ thống di động thứ hai.
1.2.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp thích hợp với các nhà khai
thác dịch vụ di động, sử dụng GSM/GPRS để đi lên 3G, tập trung chủ yếu ở
châu Âu và một phần châu Á, trong đó có Việt Nam. UMTS được tiêu chuẩn
hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho
GSM, GPRS và EDGE. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920 kbps (gần 2 Mbps).
Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384 kbps. Để cải tiến tốc độ dữ liệu
của 3G, hai kỹ thuật HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) và
HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) đã được đề nghị. Khi cả 2 kỹ
thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA. HSPA thường được
biết đến như là công nghệ 3.5G.
 HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về
8

người dùng di động). Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực
tế nó chỉ đạt tầm 1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps). Theo một báo cáo
của GSA tháng 7 năm 2008, 207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai,
trong đó 207 đã thương mại hoá ở 89 nước trên thế giới.
 HSUPA: tăng tốc độ uplink và cải tiến QoS. Kỹ thuật này cho
phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps. Cũng trong
cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã
triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch
triển khai mạng HSUPA.
 CDMA2000: là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95
(CDMA One). Các đề xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng
bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc. CDMA2000 được
quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập với 3GPP. Đã có nhiều công nghệ
truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm
CDMA2000 1xRTT, CDMA2000 EV-DO và CDMA2000 EV-DV.
CDMA2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbps tới trên 3 Mbps. Chuẩn này
đã được chấp nhận bởi ITU.

tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động
trên các băng tần khác nhau.
Long Term Evolution (LTE) : công nghệ di động mới đang được phát
triển và chuẩn hóa bởi 3GPP , nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện
đầy đủ các yêu cầu IMT-Advanced. LTE có tốc độ bit net lý thuyết là 100
Mbit/s cho download và 50 Mbit/s cho upload.
WiMax-2 : được phát triển bởi IEEE (IEEE 802.16m) , WiMax cung
10

cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ up và
down cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ
sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình. WiMAX có thể thay đổi
một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách
giảm tốc độ truyền và ngược lại, có tốc độ bit net lý thuyết là 128 Mbit/s cho
download và 64 Mbit/s cho upload.
1.2.5. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) Hình 1.2. Mô hình mạng 4G
Nền tảng 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây
3G. 4G là một giải pháp khắc phục những giới hạn và những điểm yếu của
mạng 3G để đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp
ứng được.
Nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa
phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi
nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng. NTT
DoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G.
11

Mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100

với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không
gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê
bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng
mang con gọi là kênh con hoá.
Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con
thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con
được sử dụng. Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát
một kênh con riêng.
MIMO - Multiple Input Multiple Output :
MIMO là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn
đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều anten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận
dữ liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu…MIMO tận
dụng sự phản xạ lại của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường
truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường
khác nhau. Nói tóm lại, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều
anten thu để truyền và nhận dữ liệu.
Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ
sóng trên cùng một băng thông, giảm chi phí truyền tải. Công nghệ MIMO
cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu đó.
Trong việc truyền thông bằng sóng vô tuyến, những chướng ngại vật
trên đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như các tòa nhà cao ốc, dây điện
và những cấu trúc khác trong khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ
hoặc khúc xạ. Những yếu tố này làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hoặc mất hẳn.
Trong truyền thông kỹ thuật số, những yếu tố trên có thể làm giảm tốc độ
truyền cũng như chất lượng của dữ liệu.
13

Trong công nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền
sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin. Dữ liệu
truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được

sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có
sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm
được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng
phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần
trực giao với nhau.
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. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng
dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ
liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng
mang đó.