Kỹ thuật đa anten trong thông tin di động 3g+

Mở đầu

Bắt đầu từ những thử nghiệm đầu tiên với truyền dẫn vô tuyến của Guglielmo Marcono trong những năm 1980, con đường cho truyền thông vô tuyến di động đã thực sự trải dài Để hiểu được hệ thống truyền thông di động 3G phức tạp ngày nay, điều quan trọng là phải hiểu được điểm xuất phát cũng như hiểu được hệ thống tế bào đã phát triển thế nào từ một công nghệ đắt đỏ dành cho một số cá nhân đặc biệt tới các hệ thống truyền thông di động toàn cầu với hơn một nửa dân số thế giới sử dụng như ngày nay Sự phát triển các công nghệ di động đã có sự thay đổi, từ một vấn đề mang tính quốc gia hoặc khu vực trở thành một nhiệm vụ phức tạp do tổ chức phát triển các chuẩn quốc tế đảm nhiệm, như là 3GPP và liên quan tới hàng nghìn con người Các công nghệ tế bào mà 3GPP nghiên cứu được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới, với số lượng người sử dụng trên 2 tỷ trong năm 2006 Bước tiến mới nhất của 3GPP là nghiên cứu phát triển 3G lên LTE vàSAE Đi ngược lại thời gian, đồ án sẽ trình bày lịch sử phát triển của hệ thống tế bào khi mới bắt đầu hình thành, ngoài ra đồ án sẽ trình bày tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến của 3G + , đó là HSPA + và LTE.

Sự phát triển của thông tin di động

Sự phát triển của công nghệ thông tin di động tính đến nay được tóm tắt như sau:

Công nghệ thông tin di động 1G

Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối mạng lõi dựa trên TDM Hệ thống truyền dẫn di động đầu tiên trên thế giới là hệ thống NMT tương tự (Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu), được giới thiệu ở các quốc gia Bắc Âu năm 1981 cùng thời điểm với AMPS tương tự (Hệ thống di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ Các công nghệ tế bào khác đã triển khai rộng rãi trên thế giới là TACS và J-TACS Chúng có chung đặc điểm là thiết bị cồng kềnh, chất lượng thoại thường không ổn định, “xuyên âm” giữa các người dùng là vấn đề phổ biến.

Thông thường các công nghệ 1G được triển khai tại một số nước hoặc nhóm các nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế và không có ý định sử dụng cho quốc tế.

Công nghệ thông tin di động 2G

Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế Thiết kế 2G nhấn mạnh đến tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến Tính năng cuối cùng chính là yêu cầu đối với 2G Các thí dụ điển hình về hệ thống 2G là GSM và CDMAone (dựa trên tiêu chuẩn TIA IS95) Ở Châu Âu, CEPT đã đề xướng dự án GSM để phát triển một hệ thống di động toàn Châu Âu Các hoạt động của GSM tiếp tục được thực hiện trong năm 1989 với ETSI Sau khi tính toán các đề xuất dựa trên TDMA, CDMA và FDMA giữa những năm 1980, chuẩn GSM cuối cùng đã được xây dựng trên TDMA Cùng lúc đó, việc phát triển chuẩn tế bào cũng được TIA thực hiện ở Mỹ với chuẩn IS-54 dựa trên TDMA, sau này được gọi đơn giản là US-TDMA Tiếp sau đó, sự phát triển chuẩn CDMA đã được TIA hoàn thành trong năm 1993 với tên gọi là IS-95 Ở Nhật Bản, chuẩn TDMA 2G cũng được phát triển với tên gọi là PDC.

Các chuẩn này có chiều hướng “băng hẹp”, với các dịch vụ “băng thông thấp” như voice Hệ thống 2G cũng mang lại cơ hội để cung cấp các dịch vụ dữ liệu thông qua mạng di động Các dịch vụ dữ liệu đầu tiên được giới thiệu trong 2G là tin nhăn văn bản SMS và dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cho phép truyền e-mail và các ứng dụng dữ liệu khác Tốc độ dữ liệu đỉnh vào thời gian đầu là 9,6 kbps. Các tốc độ cao hơn được đưa ra sau đó bằng cách gán nhiều khe thời gian cho người dùng và thay đổi sơ đồ mã hóa.

Truyền dữ liệu thông qua hệ thống tế bào trở thành sự thật trong suốt nửa sau những năm 1990 với GPRS được đưa ra trong GSM và dữ liệu gói cũng được đưa vào các công nghệ tế bào khác như chuẩn PDC Những công nghệ này thường được gọi là 2,5G Sự thành công của dịch vụ dữ liệu không dây iMode ở Nhật Bản là một dấu hiệu về khả năng của các ứng dụng truyền gói trong hệ thống di động, mặc dù trong thời điểm đó tốc độ dữ liệu còn rất thấp.

Công nghệ thông tin di động 3G

Sự xuất hiện của 3G và các giao diện vô tuyến băng tần cao hơn của UTRA mang lại khả năng cho một loạt các dịch vụ mới chỉ được đề xuất ở 2G và 2,5G. Ngày nay, việc phát triển truy nhập vô tuyến 3G được chuyển giao cho 3GPP Tuy nhiên thì các bước khởi tạo cho 3G đã được thực hiện từ đầu những năm 1990, trước khi 3GPP hình thành một thời gian khá dài. Ở Châu Âu, 3G được đặt tên là UMTS Đầu năm 1998, ETSI đã lựa chọn WCDMA là công nghệ cho UMTS WCDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số và ghép song công phân chia theo thời gian Chuẩn WCDMA được thực hiện song song trong ETSI và ARIB cho đến cuối năm 1998 khi 3GPP được hình thành bởi các tổ chức phát triển chuẩn từ các vùng khác nhau trên thế giới : ARIB (Nhật), CCSA (Trung Quốc), ETSI (Châu Âu), ATIS (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và TTC (Nhật).

Hình 1.1 đã trình bày sự phát triển của thông tin di động và xu hướng tiến vào 4G.

Hình 1.1 Sự phát triển công nghệ thông tin di động

Sự phát triển từ WCDMA lên HSPA và LTE diễn ra theo từng giai đoạn, được gọi là phát hành 3GPP Các nhà cung cấp thiết bị sản xuất ra phần cứng hỗ trợ từng đặc điểm riêng của từng phiên bản Tổng hợp các phát hành của 3GPP được trình bày trong hình 1.2

Phát hành 99: (Đã hoàn chỉnh ) Đây là phiên bản đã triển khai đầu tiên của UMTS, nâng cao tốc độ cho GSM (EDGE) Đa số những triển khai ngày nay đều dựa vào phát hành 99 Phiên bản này hỗ trợ cho mạng truy nhập vô tuyến GSM/ EDGE/ GPRS/ WCDMA

Phát hành 4: (Đã hoàn chỉnh) Phát hành này hỗ trợ tin nhắn đa phương tiện, kết nối hiệu quả với cơ sở hạ tầng mạng lõi thông qua mạng đường trục IP.

Phát hành 5: (Đã hoàn chỉnh): Bổ sung chính vào phát hành 5 là HSDPA và pha đầu tiên của IMS.

Phát hành 6 : (Đã hoàn chỉnh) Phiên bản này bổ sung HSUPA, hỗ trợ đa phương tiện thông qua MBMS, định rõ hiệu suất cho máy thu tiên tiến, tích hợpWLAN, và phiên bản thứ hai của IMS

Phát hành 7:(Chưa hoàn chỉnh) Cung cấp các chức năng dữ liêu GSM nâng cao, đồng thời bao gồm các cải tiến cho các tính năng từ các phiên bản trước Kết quả làm tăng hiệu suất, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng cường dung lượng và chống nhiễu tốt hơn Do đó, nó thường được gọi là 3G + (phát triển 3G ) Ngoài ra trong phát hành 7, HSPA + còn hỗ trợ dịch vụ VoIP.

Bước tiến cuối cùng được nghiên cứu và phát triển trong 3GPP là cải tiến của 3G vào mạng truy nhập vô tuyến LTE và mạng lõi truy nhập gói SAE Đến năm 2009-2010, LTE và SAE được hy vọng sẽ triển khai.

Hình 1.2 Các phát hành của 3GPP

Tổng quan HSPA +

Bước tiến đầu tiên của công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA là đưa ra HSDPA trong phát hành 5 Mặc dù truyền dẫn dữ liệu gói đã từng được hỗ trợ trong phát hành đầu tiên của chuẩn WCDMA nhưng HSDPA đã mang lại những tiến bộ xa hơn trong việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu gói trong WCDMA, cả về mặt hệ thống lẫn hiệu năng người dùng Việc làm tăng dữ liệu gói đường xuống của HSDPA được hoàn chỉnh bởi những cải tiến đường lên (Enhanced Uplink) được giới thiệu trong phát hành 6 của 3GPP/WCDMA HSDPA và Enhanced Uplink thường được gọi là HSPA.

Yêu cầu quan trọng đối với một hệ thống tế bào cung cấp dịch vụ dữ liệu gói là tốc độ dữ liệu cao và trễ thấp, dùy trì vùng phủ tốt và cung cấp dung lượng cao. Để đạt được điều này, HSPA giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản trong phần II của WCDMA như điều chế bậc cao, chế độ lập lịch nhanh (phụ thuộc kênh) và điều khiển tốc độ, ARQ lai nhanh với kết hợp mềm Nhìn chung, HSPA cung cấp tốc độ dữ liệu đường xuống và đường lên xấpxỉ 14 và 5,7 Mbit/s, RTT giảm xuống đồng thời cải thiện dung lượng so với R99 Những nhà khai thác UMTS đã nhanh chóng triển khai các dịch vụ di động băng rộng của HSPA và tăng dung lượng dữ liệu

HSPA + là tên gọi một tập những cải tiến của HSPA được đưa ra trong 3GPP phát hành 7 Sau đây là một số khả năng của HSPA + :

 HSPA + nhân đôi dung lượng dữ liệu so với HSPA, do đó giảm giá thành cho các dịch vụ dữ liệu đồng thời nâng cao mạng băng rộng di động.

 HSPA + cung cấp dung lượng thoại thông qua VoIP gấp 3 lần so với thoại chuyển mạch kênh trong phát hành 99 với cùng chất lượng và mã hóa.

 HSPA + VoIP giúp tăng dung lượng dữ liệu trong mô hình hòa trộn VoIP và dữ liệu, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của dịch vụ dữ liệu.

 HSPA + tăng cường trải nghiệm cho người dùng đầu cuối với tốc độ dữ liệu đỉnh cao, trễ thấp, thiết lập cuộc gọi nhanh, thời gian cuộc gọi dài hơn đáng kể HSPA + hỗ trợ tốc độ đỉnh đường xuống tới 28 Mbps (42 Mbps trong phát hành 8) và đường lên 11 Mbps HSPA + là một cải tiến mang tính kinh tế nhất của HSPA, cho phép các nhà khai thác UMTS sử dụng có hiệu quả nhất cơ sở vật chất của họ cũng như là đầu tư vào mạng, phổ tần và thiết bị Giống HSPA, HSPA + có thể tương thích với cả công nghệ trước và sau nó.

 HSPA + là một giải pháp tối ưu với sóng mang 5 MHz và nó cung cấp dung lượng thoại và dữ liệu xấp xỉ LTE trong cùng dải 5 MHz và cùng số anten.

Bảng 1.1 đưa ra một số đặc tính chủ yếu của HSPA + : Đặc tính HSPA + Lợi ích

MIMO 2x2 đường xuống Nhân đôi tốc độ dữ liệu đỉnh

Tăng dung lượng đường xuống Điều chế bậc cao HOM

Tốc độ dữ liệu đường xuống tăng 50%

Nhân đôi tốc độ dữ liệu đường lên Tăng dung lượng đường lên và xuống Kết nối gói lên tục CPC

DTX/DRX-Hoạt động giảm HS-SCCH

Cải thiện dung lượng VoIP Tăng thời gian đàm thoại lên 50%

Thiết lập cuộc gọi nhanh

MBFSN Tăng dung lượng quảng bá

Bảng 1.1.Các đặc tính chủ yếu của HSPA +

HSPA + hỗ trợ MIMO 2x2 đường xuống, sử dụng hai anten phát ở Node B để truyền luồng dữ liệu trực giao tới hai anten thu ở phía UE Sử dụng hai anten cộng thêm xử lý tín hiệu số ở cả hai phía thu phát, MIMO có thể tăng dung lượng của hệ thống và nhân đôi tốc độ dữ liệu mà không cần tăng công suất ở Node B hoặc băng thông.

Trong những điều kiện nhất định, dữ liệu trong hệ thống MIMO 2x2 có thể được phát trên hai luồng trực giao Để có hiệu quả nhất, MIMO cần SNR cao ở UE và môi trường tán xạ lý tưởng SNR cao đảm bảo cho UE có thể giải mã thành công tín hiệu đến trong khi công suất được phân đều trên hai anten Môi trường tán xạ lý tưởng đảm bảo hai luồng dữ liệu trực giao khi chúng được truyền tới UE.

Mặt khác, trong môi trường LOS, khó có thể hỗ trợ các luồng trực giao, do đó mà độ lợi MIMO có giới hạn MIMO mang lại lợi ích nhất trong môi trường đô thị vì tán xạ tốt và kích thước ô nhỏ Còn với môi trường nông thôn với kích thước ô lớn và tán xạ ít, MIMO không mang lại lợi ích to lớn HSPA + đưa ra sơ đồ D- TxAA cho MIMO 2x2 mà đồ án sẽ trình bày trong chương sau Trong những phát hành sau (phát hành 8 và xa hơn nữa), MIMO bậc cao và UL MIMO sẽ được xem xét

1.3.1.2 Điều chế bậc cao HOM

HSPA R6 hỗ trợ điều chế 16 QAM trên đường xuống và QPSK trên đường lên HSPA + áp dụng 64-QAM trên đường xuống, làm tăng tốc độ dữ liệu lên 50% cho UE mà tỷ số SNR vẫn giữ ở mức cao Trên đường lên, điều chế 16- QAM nhân đôi tốc độ dữ liệu cho UE Tín hiệu được phát đi với điều chế bậc cao hơn thì nhạy với nhiễu hơn và yêu cầu SNR cao hơn ở phía thu để có thể giải điều chế thành công HOM làm tăng đáng kể tốc độ dữ liệu cho người dùng trong những điều kiện tốt Do đó, lưu lượng cho những người dùng có SNR cao sẽ được phục vụ nhanh hơn Trong kịch bản LOS, HOM sẽ bù lại độ lợi mà MIMO bị giới hạn

Tốc độ dữ liệu đỉnh HSPA +

MIMO (2x2 DL MIMO) Không MIMO Đường xuống 28 Mbps (16-QAM) 14 Mbps (16-QAM)

21 Mbps (64-QAM) Đường lên 5,76 Mbps (QPSK)

Bảng 1.2 Tốc độ dữ liệu HSPA+

1.3.1.3 Kết nối gói liên tục CPC

CPC bao gồm một vài đặc tính với mục đích tối ưu hóa sự hỗ trợ cho người dùng dữ liệu gói trong mạng HSPA Với việc gia tăng các dịch vụ dữ liệu gói, một số lượng lớn người sử dụng phải được hỗ trợ trong một ô Họ phải được duy trì kết nối trong một thời gian dài, mặc dù có thể họ chỉ ở trạng thái truyền dữ liệu tích cực trong một thời gian nào đó Do đó, các kết nối phải được duy trì, đồng thời phải tránh bị ngắt kết nối và tái thiết lập kết nối để người sử dụng cảm nhận được trễ là nhỏ nhất.

Việc duy trì các kết nối với số lượng người dùng trong một ô lớn có nghĩa là các kênh điều khiển ở đường xuống và đường lên cần được hỗ trợ Các kênh điều khiển đường lên đặc biệt quan trọng để đảm bảo đồng bộ Tuy nhiên, chúng lại góp phần tăng nhiễu đường lên bao gồm cả kênh DPCCH và HS-DPCCH Vì vậy, mục đích của CPC là giảm thông tin tiêu đề cho kênh điều khiển đường lên của cả DPCCH và HS-DPCCH Ngoài ra, việc giảm thông tin tiêu đề cho kênh điều khiển đường lên cũng rất quan trọng, bởi vì việc giám sát liên tục kênh HS-SCCH làm tiêu tốn công suất của UE Do đó, các đặc tính của CPC đưa ra để giảm cả tiêu đề cho kênh điều khiển đường lên và đường xuống.

Phát không liên tục đường lên DTX.

DTX làm giảm tiêu đề kênh điều khiển đường lên Nó cho phép UE ngừng phát trên kênh DPCCH đường lên trong khi không có hoạt động truyền dẫn trên kênh E-DCH và HS-DPCCH Do đó DTX tăng dung lượng đường lên bằng cách giảm nhiễu đường lên ở Node B.Đồng thời DTX có thể tiết kiệm công suất, vì thế kéo dài tuổi thọ cho pin.

Mặc dù kênh DPCCH đường lên không được phát liên tục, nhưng nó vẫn được phát trong một vài thời điểm theo mẫu đã biết trước Hoạt động này mục đích để duy trì đồng bộ và điều khiển công suất Trong trường hợp E-DCH và HS- DPCCH sử dụng, thì DPCCH đường lên sẽ được phát song song. Để linh hoạt hơn, hai mẫu hoạt động DPCCH đường lên được đưa ra với mỗi một UE:

UE DTX chu kỳ 2 được sử dụng khi không có họat động truyền dữ liệu UE DTX chu kỳ 1 được sử dụng tạm thời phụ thuộc vào khoảng thời gian không hoạt động của E-DCH Sau quá trình truyền dẫn đường lên cuối cùng trên kênh E-DCH,

UE sẽ chờ trong một khoảng thời gian, được gọi là “ngưỡng không họat động của

UE DTX chu kỳ 2”, sau đó nó sẽ chuyển sang DTX chu kỳ 1.

Thu không liên tục đường xuống DRX

Trong HSPA phát hành 5, UE phải duy trì kênh HS-SCCH liên tục để theo dõi dữ liệu đường xuống Trong HSPA + , mạng có thể giới hạn phân khung mà ở đó

Tổng quan công nghệ LTE

Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để có thể triển khai vào năm 2010 Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành,tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận cao và cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ Để đạt đựơc các mục tiêu này cần đưa ra một công nghệ vô tuyến tiềm năng mới cho phép nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ ràng triển khai và khai thác hệ thống.

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ, mục tiêu nghiên của LTE và SAE như sau:

1 Về phần vô tuyến (LTE):

 Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dung, trễ.

 Đơn giản hóa mạng vô tuyến.

 Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS.

Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng.

Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ.

Đơn giản hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ không phải 3GPP.

1.4.1 Các mục tiêu yêu cầu của LTE

Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả đường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác Các mục tiêu LTE được thể hiện dưới các khía cạnh sau.

1.4.1.1 Các khả năng của LTE a Tốc độ số liệu đỉnh

Mục tiêu LTE cho các yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 100Mbps khi băng thông đựơc cấp phát là 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnh đường lên lên đến 50 Mbps khi băng thông được cấp phát là 20MHz (2,5bps/Hz) Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm: (1) khả năng đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả năng đường lên với một anten tại

UE b Trễ mặt bằng điều khiển và mặt bằng người sử dụng

Các mục tiêu giảm trễ được chia thành các yêu cầu cho trễ mặt bằng điều khiển (mặt bằng C) và trễ mặt bằng người sử dụng (mặt bằng U)

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái trong LTE

LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong chế dộ rỗi – Idle của R6) vào trạng thái tich cực (như trong R6 CELL_DCH) Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ (như trong R6 CELL_PCH) sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH).

Yêu cầu trễ mặt bằng người sử dụng đảm bảo trễ nhỏ hơn 10ms Trể mặt bằng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong UE (hoặc node biên của UTRAN) đến lớp IP trong node biên của UTRAN (hoặc UE), node biên của UTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩn đảm bảo trễ măt bằng

U của LTE nhỏ hơn 5ms trong điều kiện không tải (nghĩa là một người sử dụng với một luồng số liệu đơi với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề )

Hình 1.5 Yêu cầu trễ mặt bằng U trong LTE

Hiệu năng hệ thống của LTE đề cập tới thông lượng của người sử dụng, hiệu suất phổ tần, vùng phủ và MBMS tăng cường hơn. a Thông lượng

Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở hai điểm: vùng phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ tần cũng được đặc tả trong đó hiệu

Trạng thái rỗi xuất phổ tần được định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/Hz

HSDPA (R6) LTE Đích LTE/ Đã đạt

Tốc độ đỉnh (Mbps) 14,4 144 100/đã đạt

Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/ s)

Thông lượng người sử dụng biên ô

Bảng 1.3 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường xuống và HSDPA

HSUPA (R6) LTE Đích LTE/ Đã đạt

Tốc độ đỉnh (Mbps) 5,7 57 50/đã đạt

Thông lượng người sử dụng biên ô

Bảng 1.4 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường lên và HSDPA b Hỗ trợ di động

Các yêu cầu về di động tập trung lên tốc độ di chuyển đầu cuối di động Mục tiêu đề ra là đạt được hiệu năng cực đại vơi tốc độ đầu cuối di động khoảng 0- 15km/h, hiệu năng của hệ thống sẽ giảm khi tốc độ đầu cuối cao hơn Đối với tốc độ trên 120km/h LTE đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tế bào Hệ thống LTE có thể quản lí tốc độ lên tới 350km/h thậm chí là 500km/h phụ thuộc vào băng tần LTE đảm bảo các dịch vụ thoại ngang hàng với WCDMA/HSPA c Vùng phủ

Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính ô) tức là khoảng cách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô Hiệu suất, phổ tần và thông lượng yêu cầu cho các ô bán kính 5km với các ô bán kính tới 30 km cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song vẫn đáp ứng tính di động. d MBMS tăng cường

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập tới chế độ quảng bá và chế độ phát đa phương LTE phải đảm bảo các dịch vụ tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp. Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương ứng với 16 kênh TV trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz. Tất nhiên LTE đảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộn lẫn với nhau.

1.4.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai

Các yêu cầu liên quan tới triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linh hoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các mạng tồn tại khác của 3GPP như GSM,WCDMA /HSPA. a Triển khai phổ tần

Yêu cầu LTE làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau đây:

 Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm với GERAN/UTRAN trên các kênh lân cận.

 Đồng tồn tại trên các kênh lân cận hoặc chồng lấn tại biên giới các nước.

 E-UTRA phải có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mang khác).

 Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyên tắc băng tần độc lập.

Cơ sở đối với các yêu cầu về tính linh hoạt phổ là yêu cầu đối với hệ thốngLTE được triển khai trong các băng tần đã có của IMT-2000, có nghĩa là sự đồng tồn tại giữa các hệ thống đã triển khai trong các băng tần này bao gồm GSM,WCDMA/HSPA LTE phải có khả năng triển khai truy nhập vô tuyến dựa trênLTE trong cả ấn định băng tần kép và băng tần đơn, nghĩa là LTE hỗ trợ cả ghép song công phân chia theo tần số FDD và ghép song công phân chia theo thời gianTDD Các hệ thống FDD được triển khai trong các ấn định kép với một băng cho tryền dẫn đường xuống và một băng khác của truyền dẫn đường lên Các hệ thốngTDD được triển khai trong các ấn định băng tần đơn.

Hỗ trợ cả phổ đơn và phổ kép đã có trong đặc tả của 3GPP ngay từ phát hành R3, mặc dù hiện nay mới triển khai FDD cho WCDMA và HSPA LTE hỗ trợ cả FDD và TDD trong cùng một công nghệ truy nhập vô tuyến.

LTE có khả năng định lại cỡ trong miền tần số và hoạt động trong các băng tần khác nhau, yêu cầu tính linh hoạt đưa ra các danh sách ấn định phổ của LTE (1,25MHz; 1,6MHz; 2,5MHz; 5MHz; 15MHz và 20MHz)

HSPA và LTE trong băng 5 MHz

Cung cấp cùng hiệu năng LTE cho các băng tần rộng hơn

Hiệu năng tốt hơn trong các băng tần rộng hơn

Hình 1.6 Băng tần hoạt độngcủa LTE b Các vấn đề tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT

LTE phải hỗ trợ tương tác với các hệ thống 3G hiện có và với các hệ thống không theo chuẩn 3GPP LTE phải đảm bảo khả năng đồng tồn tại giữa các nhà khai thác trong các băng liền kề và trên biên giới.

Tổng kết

Như vậy, chương 1 đã trình bày tổng quan quá trình phát triển của thông tin di động từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G) Có thể nói HSPA là hậu 3G và LTE là tiền 4G với công nghệ LTE sẽ đem lại cho viễn thông di động thế giới tiến gần đến 4G hơn.

Ngoài ra, trong chương 1 đồ án cũng đã giới thiệu khái quát về những đặc tính cải tiến của HSPA + so với những phát hành trước : MIMO, điều chế bậc cao,kết nối gói liên tục CPC, nâng cao CELL_FACH… đồng thời đưa ra những mục tiêu khi thiết kế LTE hướng tới Trong chương tiếp theo, đồ án sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật MIMO, một trong những phát minh lớn trong lĩnh vực vô tuyến,được ứng dụng trong hệ thống 3G và các hệ thống thông tin di động tương lai VớiMIMO, hiệu năng cả mức hệ thống và mức liên kết được nâng cao lên đáng kể.

Mở đầu

Đa anten là tên chung cho cho tập hợp những kỹ thuật dựa trên việc sử dụng nhiều anten ở phía thu/phía phát, và ít nhiều kết hợp với kỹ thuật xử lý tín hiệu,thường được gọi là MIMO Kỹ thuật đa anten có thể được sử dụng để nâng cao hiệu năng hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống (số người dùng trong một ô tăng) và tăng vùng phủ (mở rộng ô) cũng như là làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ, ví dụ, tốc độ dữ liệu người dùng cao hơn Chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về một số kỹ thuật đa anten khác nhau

Cấu hình đa anten

Một trong những đặc tính quan trọng trong cấu hình đa anten là khoảng cách giữa hai phần tử anten do khoảng cách các anten có mối quan hệ với độ tương quan giữa fading kênh vô tuyến (được xác định bởi tín hiệu tại các anten khác nhau) Các anten được đặt xa nhau để độ tương quan fading thấp Ngược lại, các anten được đặt gần nhau để độ tương quan fading cao, bản chất là các anten khác nhau sẽ có fading tức thời tương tự nhau

Khoảng cách thực tế cần thiết giữa các anten để độ tương quan cao/ thấp phụ thuộc vào bước sóng, tương ứng là tần số sóng mang được sử dụng Tuy nhiên, nó cũng phụ thuộc vào kịch bản khi triển khai Trường hợp các anten trạm gốc, môi trường macro-cell (tức là ô lớn và vị trí anten trạm gốc phải cao), khoảng cách anten vào khoảng 10 bước sóng thì mới đảm bảo độ tương quan thấp, trong khi đó thì khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động khoảng nửa bước sóng Lý do khác nhau giữa trạm gốc với máy đầu cuối di động là do trong kịch bản macro, phản xạ đa đường gây ra fading chủ yếu xuất hiện ở những vùng gần xung quanh máy đầu cuối di động Do đó, khi nhìn từ vị trí máy đầu cuối thì ta thấy là những đường khác nhau đi đến trong một góc lớn, độ tương quan vẫn sẽ thấp với khoảng cách anten tương ứng nhỏ Còn nhìn ở vị trí trạm gốc, những đường khác nhau sẽ đến trong một góc nhỏ hơn nhiều, nên khoảng cách anten phải đủ lớn để độ tương quan thấp.

Trong kịch bản triển khai khác, ví dụ triển khai kịch bản micro-cell với các anten trạm gốc thấp hơn nóc nhà và triển khai trong nhà Môi trường trạm gốc lúc này giống với môi trường máy đầu cuối hơn, cho nên khoảng cách giữa các anten trạm gốc sẽ nhỏ hơn vẫn đảm bảo độ tương quan thấp

Các anten giả thiết ở trên có cùng phân cực Một cách khác để đạt được độ tương quan fading thấp là áp dụng phân cực khác nhau đối với anten khác nhau.Khi đó các anten có thể được đặt gần nhau.

Lợi ích của kỹ thuật đa anten

Kỹ thuật đa anten mang lại những lợi ích khác nhau phụ thuộc vào những mục đích khác nhau:

Nhiều anten phát/ thu có thể được sử dụng để phân tập, chống lại fading kênh vô tuyến Trong trường hợp này, kênh khác nhau trên các anten khác nhau sẽ có độ tương quan thấp Để đạt được điều đó thì khoảng cách giữa các anten phải đủ lớn (phân tập không gian) hoặc sử dụng các anten có phân cực khác nhau (phân tập phân cực).

Nhiều anten phát/thu có thể được sử dụng để ‘định hình’ cho búp sóng anten tổng (búp sóng phía phát và búp sóng phía thu) theo một cách nào đó Ví dụ, tối đa hóa độ lợi anten theo một hướng thu/phát nhất định hoặc để triệt nhiễu lấn át tín hiệu Kỹ thuật tạo búp sóng này có thể dựa trên cả độ tương quan cao hoặc thấp giữa các anten. Độ khả dụng của đa anten phát và thu có thể được sử dụng để tạo ra nhiều kênh truyền song song thông qua giao diên vô tuyến Điều này mang lại khả năng tận dụng băng thông mà không cần giảm thông tin với cùng công suất Nói cách khác là khả năng cho tốc độ dữ liệu cao với băng tần hạn chế mà không cần thu hẹp vùng phủ Ta gọi đây là kỹ thuật ghép kênh không gian.

Mô hình MIMO tổng quát

Mô hình kênh MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa trong hình 2.1.

Hình 2.1.Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu

Ma trận kênh H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau:

Trong đó : hnm là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m.

   là tạp âm Gaus trắng phức của Nr máy thu.

T là ký hiệu phép toán chuyển vị.

Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu thức sau:

Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận NrxNt trong phương trình (2.2) như sau: y= Hx+ (2.3)

Kênh SVD MIMO

2.5.1 Mô hình kênh SVD MIMO

Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát và Nr anten thu như trên hình 2.1. Để tiện phân tích ta viết lại phương trình (2.3) y= Hx+ (2.3)

Trong đó  là vector AWGN phức có phân bố Ν c ( 0 ,  ) và E   ηη H    σ 2 I N r ;

  ; N0 là mật độ phổ công suất tạp âm.

H là ma trận kênh Nr x Nt Khi khoảng cách giữa các anten lớn hơn nửa bước sóng và môi trường nhiều tán xạ, ta có thể coi H có các hàng và các cột độc lập với nhau Khi này, phân chia giá trị đơn SVD cho ta:

Với U và V là các ma trận nhất phân có kích thước Nr xNr và Nt xNt

Toán tử (.)H là chuyển vị Hermitian Đối với ma trận nhất phân, ta có :UU H =INr và VV H =INt

D là ma trận có kích thước Nr x Nt, gồm NA giá trị đơn không âm được ký hiệu là 1 1 / 2 , , λ 1 N / A 2 trên đường chéo chính của nó Trong đó NA=min (Nt, Nr), và i với i=1,2, ,N là các giá trị eigen của ma trận HH H Các giá trị eigen của ma trận

HH H được xác định như sau: det (HH H - I )=0 (2.5) hay: det(Q- I )=0 (2.6)

Trong đó Q là ma trận Wirshart được xác định như sau:

Các cột của ma trận U là vector eigen của HH còn các cột của ma trận V là vector eigen của H H H Số các giá trị eigen khác không của HH H chính bằng hạng của ma trận này.

Nếu Nt= Nr thì D là một ma trận đường chéo Nếu Nt >Nr thì D gồm một ma trận đường chéo Nr x Nr và sau đó là Nt –Nr cột bằng không.

Trong trường hợp số anten phát lớn hơn số anten thu, D sẽ được tạo ra từ ma trận vuông bậc Nr và tiếp sau là Nt- Nr cột bằng 0 như sau:

Trong trường hợp này ma trận V chỉ có Nr hàng sử dụng được, còn Nt- Nr hàng còn lại không sử dụng được Khi này Nr phần tử đầu của ma trận x được sử dụng và Nt- Nr phần tử còn lại của nó được đặt vào không Trường hợp đặc biệt có

Nt anten phát nhưng chỉ có một anten thu (Nr = 1) Khi này ma trận U có kích thước 1x1 và chỉ sử dụng được một hàng của ma trận V.

Trường hợp thứ hai tương ứng với khi số anten thu nhiều hơn số anten phát (Nt