NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO ÁP DỤNG CHO 4G

Nội dung các chương trong luận văn được trình bầy như sau: Chương I: Tổng quan về MIMO, một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO. Chương II: Nghiên cứu xu hướng phát triển và lộ trình tiến tới 3G và 4G của mạng thông tin vô tuyến trên thế giới. Chương III: Nghiên cứu một số mô hình MIMO được đề xuất áp dụng trong việc xây dựng mạng thông tin thế hệ 4G. Chương IV: Phân tích, đánh giá hiệu năng một số mô hình MIMO khả dụng cho 4G dựa trên kết quả mô phỏng. Chương V: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-LÊ XUÂN GIAO

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ

MÔ HÌNH MIMO ÁP DỤNG CHO 4G

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số : 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học :TS NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG

Hà Nội - 2008

MỤC LỤC

Trang IVTHUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU IDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VIDANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIIILỜI NÓI ĐẦU IXCHƯƠNG I XIITỔNG QUAN VỀ MIMO MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HỆ MIMO XII1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO XII 1.1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO XII 1.1.2 Ưu điểm MIMO XIV 1.1.3 Nhược điểm MIMO XV1.2 Một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO XV 1.2.1 Tài nguyên truyền dẫn XV 1.2.2 Trực giao căn bản: Thời gian , tần số, mã XV 1.2.3 Phân tách không gian hay phân cực XV 1.2.4 Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng, Beamfomer- tạo búp sóng XV1.2.4.1 Beamforming XV1.2.4.2 Beamformer XVI1.2.5 Khái niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul XVII 1.2.6 Kỹ thuật đổ dầy nước và chất tải bit XVIII 1.2.7 Các khái niệm về phân tập XVIII1.2.7.1 Phân tập đa đường XIX1.2.7.2 Phân tập vĩ mô XIX1.2.7.3 Phân tập thời gian XX1.2.7.4 Phân tập anten thu XX1.2.7.5 Phân tập anten phát XXCHƯƠNG II XXIINGHIÊN CỨU XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỘ TRÌNH TIẾN TỚI 3G VÀ 4G CỦA MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TRÊN THẾ GIỚI XXII2.1 Tổng quan mạng TT vô tuyến hiện tại XXII2.2 Nghiên cứu lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G của mạng thông tin vô tuyến trên thế giới XXIII2.2.1 Tổng quan kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN của LTE trong3GPP XXIII 2.2.2 Lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G của mạng thông tin vôtuyến trên thế giới XXIV2.2.2.1 Các tính năng chung của E – UTRAN XXIV2.2.2.2 Kiến trúc mô hình E- UTRAN XXVIII

2.2.3 Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN và lộ trình tiến tới 4G XXX2.2.3.1Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN XXX2.2.3.2 Lộ trình tiến tới 4G XXXICHƯƠNG III XXXIINGHIÊN CỨU MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO ĐƯỢC ĐỀ XUẤT ÁP DỤNG TRONG VIỆC XÂY DỰNG MẠNG THÔNG TIN THẾ HỆ 4G XXXII3.1 Mô hình MIMO tổng quát XXXII3.2 Các mô hình hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân chia giá trị đơn

SVD(Singular Value Decomposition) XXXV 3.2.1 Mô hình hệ thống SVD MIMO XXXV3.2.2 Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu XL 3.2.3 Dung lượng kênh SVD MIMO XLI3.3 Các mô hình phân tập thu XLIII 3.3.1 Mô hình phân tập anten thu tổng quát XLIII3.3.2 Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc XLIV3.3.3 Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại XLVI3.3.4 Mô hình phân tập anten thu kết hợp thu tỷ lệ cực đại với tách sóng khảgiống cực đại (MRRC- Maximum Ratio Receive Combining) XLVII3.4 Các mô hình phân tập phát XLIX 3.4.1 Mô hình phân tập anten phát tổng quát XLIX 3.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu LIII 3.4.3 Mã khối không gian thời gian STBC tổng quát LV3.4.3.1 Thiết kế STBC LVI 3.4.3.2 Mã Alamouti LVII3.4.3.3 Các STBC bậc cao LVII 3.4.3.4 Hệ thống phân tập lựa chọn anten thích ứng LX3.4.3.5 Tiền mã hóa phân tập tuyến tính LXI 3.5 Các mô hình MIMO ghép kênh không gian LXIII3.5.1 D-BLAST (Diagonal-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gianthời gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo đường chéo) LXIV3.5.2 V-BLAST (Vertical-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gianthời gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo chiều đứng) LXIV3.5.3 W-STC (Wrapped STC: Mã không gian thời gian quấn nhau) LXVCHƯƠNG IV LXVIPHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO KHẢ DỤNG CHO 4G DỰA TRÊN CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LXVI4.1 Cấu hình và các tiêu chí thực hiện mô phỏng để đánh giá LXVII4.2 Các mô hình và các giả thiết cho việc đánh giá LXVIII4.3 Các giá trị hiệu năng đối với LTE sử dụng các sóng mang 5MHz FDDLXX 4.4 Đánh giá LTE trong 3GPP dựa trên mô phỏng động LXXII4.4.1 Các yêu cầu hiệu năng của LTE LXXII4.4.2 Đánh giá hiệu năng LTE LXXII

4.4.3 Hiệu năng LTE với sóng mang FDD băng thông 20 MHz LXXIII4.5 Đánh giá lợi ích của kỹ thuật MIMO trong WiMAX LXXIV4.6 Kết luận LXXVIICHƯƠNG V LXXVIIIKẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO LXXVIIITÀI LIỆU THAM KHẢO LXXXPHỤ LỤC LXXXITÓM TẮT LUẬN VĂN XCVI

-I-THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

3G Third Generation Mobile

Communications System Hệ thống thông tin di động thế hệ ba3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề án của các đối tác thế hệ ba3GPP2 3rdGeneration Partnership Project 2 Đề án thứ 2 của các đối tác thế hệ ba

4G Fourth Generation Mobile

Communication System

Hệ thống thông tin di động thế hệ bốn

ACI Adjacent - Chanel Interference Nhiễu kênh liền kề

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại DĐ tiên tiếnARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lặp tự động

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BLAST Bell Labs Layered Space-time

architecture

Kiến trúc không gian thời gian phân lớp của phòng thí nghiệm BellBPSK Binary Phase Shift Keying

Modulation

Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái

CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kênh

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãD-BLAST Diagonal-Bell-Labs Layered

Space-Time Mã không gian thời gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo đường

chéoDOA Direction Of Arrival Tạo búp dựa trên phương tới

E-GPRS Enhanced General Packet Radio

Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cườngFEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

GERAN GSM EDGE Radio Access

HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy cập gói đường lên tốc độ caoInter AS Inter Access System mobility Ký hiệu cho quản lý di động giữa

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu và nhiều đầu ra

MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra

MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động

MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi bình phương trung bình cực

tiểuMRC Maximum Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ cực đại

MRRC Maximum Ratio Receive

Combiner

Kết hợp thu tỉ lệ cực đại

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giaoPCRF Polcy and Charging Rules

Function Chức năng các qui tắc tính cước và chính sách

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Modulation

Điều chế khóa dịch pha cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SINR Signal to Interference plus Noise

Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiêu trên tạp âm

SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra

STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gianSTC Space Time Coding Mã hoá thời gian không gian

SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

SSDT Site Selection Diversity

Transmission

Truyền dẫn phân tập lựa chọn trạm

-III-TD-SDMA Time Division-Synchronous Code

Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ - phân chia theo thời gian

ULA Uniform Linear Array Mảng anten tuyến tính đồng nhấtUMTS Universal Mobile

Telecommunications System Hệ thống thông tin di động toàn cầu URA Uniform Rectangular Array Mảng anten chữ nhật đồng nhấtUPE User Plan Entity Thực thể mặt phẳng người sử dụngUTRA UMTS Teresstrial Radio Access Truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN UMTS Teresstrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến UMTS V-BLAST Vertical-Bell-Labs Layered Space-

Time

Mã không gian thời gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo chiều đứng

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộngWiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access Khả năng tương hợp toàn cầu đối với truy nhập vi ba

-IV-KÝ HIỆU

A Biên độ đỉnh của tín hiệu vượt trội

b Các bít thông tin được phát bởi nguồn phát

B d Độ rộng băng tần của số liệu hay thông tin

P average Xác suất lỗi trung bình

R1, R2, R3 Tên của các điểm tham khảo trong mô hình E-UTRAN

T C Thời gian nhất quán

X Ma trận điều chế không gian thời gian

Y Ma trận Nb×L của các tín hiệu thu

Wx+ Ký hiệu của Wx có thêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống

σ Giá trị trung bình quân phương của tín hiệu thu của từng thành

phần Gauss

σ2 Công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng

thành phần Gauss

β Biến ngẫu nhiên của điện áp đường bao tín hiệu thu

∆f Băng thông sóng mang con của hệ thống OFDM

-VI-DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 -Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu XIV Hình 1.2 - Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau XVII Hình 1.3 -Dẫy truyền dẫn đa anten XVII Hình 1.4 -Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit XVIIIHình 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao (O-STBC) 2x2 XXIHình 2.1 -Mô hình phát triển của mạng TTDĐ từ 2G trở đi XXIIIHình 2.2 -Thí dụ về chuyển đổi trạng thái trong kiến trúc E- UTRAN XXVHình 2.3 -Trễ mặt phẳng U XXVIHình 2.4 -Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng XXIXHình 2.5 -Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt XXIXHình 2.6 -Kiến trúc mô hình E-UTRAN theo TR 23.822 XXXHình 2.7 -Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN XXXIHình 2.8 -Lộ trình phát triển 3GPP XXXIHình 2.9 -Lộ trình phát triển các công nghệ TT di động lên 4G XXXIHình 3.1 -Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu XXXIIIHình 3.2 -Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành các kênh phađinh phẳng song song tương đương dưạ trên SVD XXXVIIIHình 3.3 -BER cho các kênh không gian phađinh phẳng điều chế BPSK trong AWGN XLHình 3.4 -Mô hình SVD MIMO tối ưu XLI Hình 3.5 -Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc XLVHình 3.6 -Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại XLVI Hình 3.7 -MRRC hai nhánh XLVIIIHình 3.8 -Sơ đồ phân tập hai nhánh phát với một máy thu của Alamouti L Hình 3.9 -Sơ đồ phân tập phát hai nhánh với hai máy thu Alamouti LIIIHình 3.10 -Cấu trúc mã STBC LVIHình 3.11 -Hệ thống phân tập chọn lọc anten LXHình 3.12 -Sơ đồ hệ thống SM với ba anten phát và ba anten thu LXIIIHình 3.13 -Thí dụ về cấu trúc các mã không gian thời gian phân lớp dử dụng cho phép kênh không gian a) D-BLAST, b) V-BLAST và c)W-STC LXVHình 3.14 -Tách lớp hai trong số bốn lớp của D-BLAST B) Mã hóa V-BLAST LXVHình 4.1 -Thông lượng người sử dụng đường xuống trung bình và biên ô phụ thuộc vào lưu lượng được phục vụ Truyền sóng thành phố điển hình LXXHình 4.2 -Thông lượng người sử dụng đường xuống trung bình và biên ô phụ thuộc lưu lượng được phục vụ T ruyền sóng người đi bộ A LXXIHình 4.3 -Thông lượng người sử dụng đường lên trung bình và biên ô phụ thuộc lưulượng được phục vụ Truyền sóng thành phố điển hình LXXII

-VII-Hình 4.4 -Thông lượng người sử dụng đường lên trung bình và biên ô phụ thuộc lưulượng được phục vụ Truyền sóng người đi bộ A LXXIIHình 4.5 -Thông lượng trung bình người sử dụng phụ thuộc hiệu suất phổ tần đối với các sóng mang băng thông 5MHz và 20 MHz LXXIVHình 4.6 -BER cho AMC QPSK r1/2 trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng (ma trận B) LXXVHình 4.7 -BER cho AMC QPSK r3/4 trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng (ma trận B) LXXVHình 4.8 -BER cho AMC QPSK r1/2 trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng (ma trận B) cho các sơ đồ MIMO vòng kín LXXVIHình 4.9 -BER cho AMC QPSK r3/4 trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng (ma trận B) cho các sơ đồ MIMO vòng kín LXXVI

-VIII-DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TrangBảng 2.1 -So sánh thông số và hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trên đường xuống và HSDPA XXVIBảng 2.2 -So sánh thông số bvà hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trên đường lên và HSDPA XXVI.Bảng 3.1 -Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tạp phát hai anten LIBảng 3.2 -Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu LIIIBảng 3.3 -Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu LIIIBảng 4.1 -Tập các trường hợp tối thiểu mô phỏng WCDMA/HSPA và LTE LXVIIBảng 4.2 -Các thông số tham khảo để mô phỏng hệ thống ô vĩ mô LXVIIIBảng 4.3 -Các mô hình và giả thiết cho đánh giá LXVIIIBảng 4.4 -Mục tiêu hiệu năng LTE trong TR25.913 LXXIIBảng 4.5 -Các giả thiết cho các kết quả trên hình 4.5 LXXIVBảng 4.6 -Độ lợi MIMO vòng hởi so với MIMO mốc vòng hở đối với AMC trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng số liệu (ma trận B) LXXVBảng 4.7 -Độ lợi MIMO vòng kín so với MIMO mốc vòng hở đối với AMC trong kênh 4x2 MIMO người đi bộ B sử dụng hai luồng số liệu (ma trận B) LXXVII

-IX-LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây cùng với sự lớn mạnh về nhu cầu sử dụng thông tin vôtuyến nói chung và thông tin di động nói riêng đã thu hút nhiều sự quan tâm,nghiên cứu nhằm phát triển hoàn thiện các hệ thống mạng không dây tốc độ cao.Một trong những thách thức chủ yếu trong lĩnh vực này là : “ Tốc độ xử lý cao

đồng thời tiêu thụ ít điện năng trong các thiết bị di động có như vậy mới giảm kích thước và tăng thời gian hoạt động của các thiết bị MS trong mạng không dây” Do

đó thúc đẩy hướng nghiên cứu phải cải tiến kỹ thuật điều chế nhằm tăng hiệu suấtgiải mã cũng như chất lượng phổ của hệ thống không dây

Kỹ thuật MIMO trong mạng vô tuyến gần đây thực sự nổi bật và nó là môhình duy nhất về băng rộng đáp ứng được thách thức trên, bởi MIMO đáp ứngđược việc truyền tin trên nhiều kênh khác nhau – việc này sẽ giúp chúng ta biểudiễn, mô phỏng hệ thống dưới dạng ma trận thu gọn và như vậy sẽ hứa hẹn nhiều kỹthuật xử lý tín hiệu mới ra đời

MIMO (Multiple input Multiple output) một cách tổng quát là hệ thốngnhiều đầu vào nhiều đầu ra Trong thông tin vô tuyến nó là hệ đa anten phát đaanten thu và được áp dụng nhằm:

- Tăng dung lượng (capacity) kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu cónghĩa là tách dòng số liệu từ một thiết bị đầu cuối thành N dòng số liệu riêng biệt(còn gọi là phân tập phát) có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát) Mỗi dòng số liệunày sẽ được điều chế ( do đó còn có khái niệm là “ Điều chế MIMO”) vào cácSymbol ( tín hiệu) của các kênh truyền Các dòng số liệu lúc này chỉ bằng 1/N tốc

độ dòng số liệu ban đầu được phát đồng thời, như vậy về mặt lý thuyết , ở một sốđiều kiện nhất định dung lượng tăng tuyến tính với min(N t,N r), trong đó N t là sốanten phát, N r là số anten thu hay hiệu suất phổ tần được tăng lên N lần Các tínhiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi

N anten của hệ thống thu Tóm lại khi tăng số lượng anten sẽ làm tăng hiệu suấtcông suất lẫn phổ tần

- Tăng cường khả năng chống phading thậm chí phần nào khai thác được nó

- Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cảmáy phát và thu)

- Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ sẽ giảm điện năng

tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại công suất

Tín hiệu từ các anten phát hoàn toàn khác biệt nhau tại vị trí của các anten thu Khitruyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mỗianten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian Hệ thống máy thu

có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồngthời từ các anten khác nhau

Khái niệm “phân tập phát/thu” ( như ở trên chính là một trong những dạng của môhình MIMO) đều được sử dụng cho các hệ thống 3G như WCDMA, CDMA2000.Đây cũng là một trong số các lý do tại sao các hệ thống thế hệ 3 như WCDMA lạicung cấp dung lượng, dịch vụ tốt hơn nhiều so với các hệ thống 2G như GSM vàIS-95

Hiện nay các tiêu chuẩn vô tuyến được phát triển liên tục, vì thế có thể tiên đoánrằng các chuẩn lớp vật lý tương lai sẽ chứa đựng nhiều tăng cường trong các giảipháp sử dụng nhiều anten Một giải pháp được tiếp nhận cho hệ thống nhiều antenthực tế là cân nhắc giữa ghép kênh phân tập, nhiễu đa người dùng và lập biểu thôngqua các mô hình MIMO, mỗi mô hình này cũng có những ưu nhược điểm nhất địnhđòi hỏi phải vừa nghiên cứu lý thuyết vừa có triển khai thực tiễn

Tại Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu lý thuyết để nâng cấp mạng từ 2G lên 3G

đã được định hướng theo một lộ trình đúng đắn Ứng dụng triển khai hệ thốngWCDMA và CDMA2000 ở một số Công ty Viễn thông di động mang lại hiệu quả

và lợi ích cho khách hàng rất cao, với các ứng dụng truyền thông hữu ích như điệnthoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệudung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao cùng nhiều ứng dụngdịch vụ viễn thông tiên tiến khác chính là mục tiêu và động lực để người ta cungcấp và sử dụng mạng di động 3G

Trong tương lai rất gần một số mô hình MIMO đã tích hợp trong WiMax sẽ đượctriển khai trên diện rộng toàn quốc Trên thực tế hiện nay công nghệ MIMO là côngnghệ nền tảng của hệ thống 3G, 4G và các mạng không dây khác (WLAN,WiMax…) Hiện nay trên thế giới có rất nhiều sản phẩm của nhiều hãng ứng dụngcho mạng không dây theo chuẩn 802.11a/b/g đã tích hợp MIMO nhằm tăng tốc độ (

có thể lên tới 108Mbps), mở rộng vùng truyền sóng, tăng hiệu suất phổ tần, tạo sựtin cậy cao…

Trong luận văn này, Tôi nghiên cứu một số mô hình MIMO ( Multiple InputMultiple Output ) ứng dụng cho 4G Luận văn tập chung nghiên cứu các mô hình

-XI-MIMO với các khái niệm cơ bản cũng như việc mô phỏng các mô hình này nhằmtính toán các thông số như: Giới hạn dung lượng kênh, BER, SNR, xác suất lỗi bit

….Từ đó đưa nhận xét đánh giá hiệu năng của một số mô hình đã đưa ra

Luận văn đã: Phân tích, đánh giá, hiệu năng một số mô hình MIMO khả dụng cho 4G dựa trên các kết quả mô phỏng sau đó cũng đưa ra bàn luận các kết quả này.Nội dung các chương trong luận văn được trình bầy như sau:

Chương I: Tổng quan về MIMO, một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO Chương II: Nghiên cứu xu hướng phát triển và lộ trình tiến tới 3G và 4G của mạng thông tin vô tuyến trên thế giới.

Chương III: Nghiên cứu một số mô hình MIMO được đề xuất áp dụng trong việc xây dựng mạng thông tin thế hệ 4G.

Chương IV: Phân tích, đánh giá hiệu năng một số mô hình MIMO khả dụng cho 4G dựa trên kết quả mô phỏng.

Chương V: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

Để Tôi có được những kết quả như ngày hôm nay cũng như hòan thành nội dung luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật này, trước hết phải kể đến công lao đào tạo của tất cả các Thầy, Cô giáo trong mái trường Học viện Công nghệ Bưu chính - Viễn thông, sự động viên giúp đỡ của tất cả người thân, bạn bè Đặc biệt là sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng - Người đã gợi

ý cho Tôi hướng nghiên cứu của luận văn, hỗ trợ giúp đỡ Tôi những kiến thức khoa học bổ ích Thầy đã đưa ra những nhận xét quý giá và trực tiếp hướng dẫn Tôi trong qúa trình thực hiện luận văn này.

Tôi xin chân thành cám ơn tất cả các Thầy, Cô giáo trong Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đặc biệt là các Thầy, Cô giáo trong khoa Quốc tế và Đào tạo sau Đại học, các đồng chí Lãnh đạo, các anh chị đồng nghiệp trong Viễn thông Hải Dương nơi Tôi đang công tác.

Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè của Tôi, những người đã động viên, khuyến khích Tôi rất nhiều trong cuộc sống cũng như trong qúa trình công tác và học tập.

Với năng lực và thời gian hạn chế Luận văn này không thể tránh khỏi những khiếm khuyết Tôi mong muốn nhận được sự chỉ bảo, góp ý chân thành của các Thầy Cô giáo cùng các anh chị đồng nghiệp.

-XII-CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MIMO MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HỆ MIMO

1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO

1.1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO

Từ những thập niên 90 của thế kỷ trước người ta đã cảnh báo rằng nhu cầungười dùng mạng vô tuyến sẽ gia tăng rất mạnh trong các thập niên tiếp theo, vấn

đề đặt ra là làm thế nào cải thiện tốc độ số liệu, chất lượng, dung lượng và độ linhhoạt của hệ thống Khi tốc độ truyền số liệu của hệ thống mạng vô tuyến được cảithiện sẽ đồng nghĩa việc thu hút người dùng sử dụng các dịch vụ gia tăng tốc độcao trên mạng khác ngoài thoại thông thường như:

Cũng ngay từ những năm 90, nhóm nghiên cứu gồm Greg Raleigh và VK

Jones đã chỉ ra những đặc tính, ưu điểm của: “truyền sóng vô tuyến đa đường”

(Radio transmission multipath)- đây là một phương thức truyền sóng mà trước đóngười ta thường quan niệm: Khi truyền sóng đa đường sẽ làm suy yếu sóng vô

tuyến tại phía thu Nhưng thực tế hai Ông đã chứng tỏ rằng: “ Khi tín hiệu vô tuyến

được gửi từ phía phát sẽ phản xạ qua rất nhiều vật thể trong môi trường truyền sóng tạo thành nhiều đường riêng biệt rồi mới tới được phía thu và ta có thể tận dụng hiện tượng này làm tăng dung lượng của hệ thống lên nhiều lần”.

Hai Ông còn cho rằng: Nếu ta có thể coi mỗi một kênh là các đường truyền riêngbiệt thì chúng ta có thể định tuyến các đường truyền này và tách chúng ra thành các

“đường truyền ảo” Một kênh có nhiều đường truyền ảo như trên thì cũng có thể coi là “một bó các đường truyền ảo” Để tận dụng bó các đường ảo này trong khi

truyền dữ liệu người ta sử dụng một hệ thống nhiều anten phát và nhiều anten thu

-XIII-nhằm phân tập anten, hệ thống này gọi là MIMO; MIMO sẽ giải mã được luồng sốliệu tốc độ cao thông qua các anten của nó Mỗi một anten này sẽ tách luồng số liệu

tốc độ cao thành luồng số liệu có tốc độ thấp hơn “ Bó các đường truyền ảo” ở trên

sẽ được dùng để truyền các luồng số liệu tốc độ thấp này một cách đồng thời

Trong các hệ vô tuyến tín hiệu phát được phát ra theo rất nhiều đường như vậy phải

dùng các bộ định tuyến để định tuyến được “ bó các đường truyền ảo” này Khi nói đến khái niệm “các đường” thì giữa những đường này phải có “khoảng cách” hay

“khe hở”, như vậy tín hiệu hoàn toàn có thể nhảy từ đường này sang đường kia khi

chúng được truyền đi như vậy tại phía thiết bị thu do đó trong mô hình MIMO phải

sử dụng các thuật toán đặc biệt hoặc các bộ vi xử lý tín hiệu đặc biệt để tách và khôiphục tín hiệu thu được thành tín hiệu nguyên thủy ban đầu như phía phát

Vào cuối những năm 1990 một bước tiến sâu hơn và lý thuyết điều chế và mã hóa

đã được Tarokh cùng các tác giả khác và Alamouti thực hiện với các mã không gianthời gian (cụ thể: Kỹ thuật phân cực đơn giản, hiệu quả sử dụng 2 anten phát đượcgiới thiệu bời Alamouti và được tổng quát hóa cho trường hợp nhiều anten phát bất

kỳ bởi Tarokh) Cũng đồng thời trong thời gian này, Foschini và Telatar cũng đãchứng minh một phương pháp tăng dung lượng kênh bằng cách sử dụng hiệu quảkích thứơc không gian Một số trong các khái niệm này nhận được thuật ngữ chung

là "phân tập phát" hay "điều chế MIMO" Phân tập phát không hoàn toàn là mộtkhái niệm mới Các khái niệm do Witneben và Hiroike đề xuất cũng các tác giảkhác sử dụng phân tập thông qua các giải pháp xử lý hiệu quả tín hiệu Các bài báođầu tiên này thiếu các nét mã hóa của vấn đề thiết kế tín hiệu nhưng thường dễ ràngthực hiện và vì thế nhận được sự quan tâm của các kỹ sư không phải là các học giả

mã hóa Các giải pháp phân tập phát hay MISO (Multi-input single-output: nhiềuđầu vào một đầu ra) đảm bảo phân tập và độ lợi hiệu năng nhưng không nhất thiết

là độ lợi phổ Độ lợi phổ đòi hỏi khai thác chặt chẽ các kênh MIMO và bao hàm cả

sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn nhiều anten

Năm 1998 Phòng thí nghiệm Bell nghiên cứu đưa ra mô hình ghép kênhkhông gian (spatial multiplexing) nhằm cải tiến hiệu suất hệ MIMO

Như vậy ta có thể định nghĩa MIMO trong hệ thống thông tin vô tuyến như

sau: “Nếu một hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng nhiều anten ở cả phía phát lẫn

phía thu thì ta gọi nó là một hệ thống MIMO”.

Hiện nay IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) đã đưa

ra các chuẩn 802.11n là chuẩn cho mạng vô tuyến thế hệ sau Trong chuẩn này tốc

độ truyền số liệu có thẻ lên tới 100Mb/s hoặc hơn nữa – đây là con số mà tại thờiđiểm hiện nay chỉ có áp dụng MIMO thì mạng vô tuyến theo chuẩn 802.11a/b/gmới đạt được Trong chuẩn này qui định sóng radio sử dụng cho anten để truyềnmột dòng dữ liệu –đây là dạng điển hình của anten thông minh thay cho một hệanten Anten thông minh là kỹ thuật anten mảng, nhưng MIMO lại ghép nhiềumảng anten thành một mảng anten thông minh để truyền đồng thời dòng dữ liệu rátlớn – đây là yếu tố làm tăng dung lượng mạng vô tuyến Qui định trong thiết kế củachuẩn này cũng làm giảm méo tín hiệu và nhiễu thông qua các chuẩn về chuyểnmạnh của hệ đa anten, phân tập lựa chọn, tần số tạo bước sóng và tổ hợp các phântập thích ứng (Adaptive diversity combining)

1.1.2 Ưu điểm MIMO

Với tất cả đặc tính kể trên ta có thể kết luận vắn tắt về các ưu điểm của hệ MIMO như sau:

- Tăng dung lượng (capacity) kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu

- Tăng cường khả năng chống phading thậm chí phần nào khai thác được nó

- Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cảmáy phát và thu)

- Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ sẽ giảm điện năngtiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại công suất

1.1.3 Nhược điểm MIMO

- Chi phí giá thành cho thiết bị cao hơn (do sử dụng nhiều ăng-ten thu phát, và phảidùng các bộ vi xử lý đặc biệt chuyên dụng…)

- Giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn

1.2 Một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO

1.2.1 Tài nguyên truyền dẫn

Tài nguyên truyền dẫn đựơc chia thành hai loại: "không gian" và "thời gian".Trong chiều "không gian", đơn vị rời rạc được coi là "anten", còn trong chiều "thờigian" đơn vị rời rạc được coi là " chu kỳ ký hiệu" hay "thời gian ký hiệu" Sự khácbiệt căn bản giữa hai kích thước này là kích thước thời gian về căn bản là trực giaotrong khi đó kích thước không gian: các ký hiệu được phát đồng thời từ các antenđồng kênh gây nhiễu cho nhau

1.2.2 Trực giao căn bản: Thời gian , tần số, mã.

Ngoài khái niệm ghép kênh phân chia theo thời gian, chiều "thời gian" trựcgiao căn bản có thể chỉ thị ghép kênh phân chia theo tần số hoặc ghép kênh phânchia theo mã Để đảm bảo tính trực giao trong chiều thời gian, cần loại bỏ nhiềugiữa các ký hiệu trong các kênh đa đường Điều này có nghĩa cần sử dụng cân bằnghợp lý khi ghép kênh phân chia theo thời gian hoặc khoảng bảo vệ khi ghép kênhphân chia theo tần số trực giao (OFDM)

1.2.3 Phân tách không gian hay phân cực

Chiều "không gian" có thể chỉ thị các anten hoạt động trong các vùng cách lykhông gian hay trong các phân cực khác nhau Do môi trường tán xạ địa phươngkhác nhau, các anten được đặt đủ cách ly trong không gian sẽ tạo ra các kênhphađinh hầu như độc lập Điều kiện "đủ" ở đây phụ thuộc và môi trường Trong các

ô vĩ mô ở vùng nông thôn, có thể cần cách ly vài bước sóng để các anten khôngtương quan với nhau, còn trong môi trường trong nhà chỉ cần một nửa bước sóng là

đủ Đối với phân cực, tỷ lệ ghép phân cực vuông góc quyết định phân cực có đảmbảo phân tập hay tạo nên các kênh song song cận trực giao

1.2.4 Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng, Beamfomer- tạo búp sóng

1.2.4.1 Beamforming

Là kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệudạng anten mảng (anten mảng trong beamforming là dùng các phần tử anten đặt sátnhau, sau đó điều chỉnh pha cấp sóng cho anten để tạo búp sóng hẹp; điều chỉnh phacác phần tử anten nhằm hướng về máy di động Do phát hẹp nên không gây nhiễu ở

-XVI-cự ly xa) để định hướng truyền của tín hiệu nhằm tăng độ lợi angten phát và độnhạy phí thu Nhiễu trong tín hiệu nhận được khi dùng kỹ thuật beamforming sẽgiảm, bởi vì beamforming lợi dụng nhiễu để chuyển tín hiệu trực tiếp vào các phần

tử anten mảng Trong khi truyền tín hiệu đi các bộ điều khiển tạo búp sóng sẽ điềuchỉnh pha và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ nhiễu Đồng thời khi đangtruyền tín hiệu người ta có thể nâng công suất của tín hiệu một cách trực tiếp

Tại phía thu các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổ hợp lại khảgiống như mẫu ban đầu, đồng thời cũng tại phí thu các bộ tạo búp sóng tại các anten

sẽ điều chỉnh các biên độ của tín hiệu thông qua các trọng số của nó như vậy tínhiệu nhận được sẽ được khôi phục như mong muốn

1.2.4.2 Beamformer

Quá trình tạo búp sóng thông thường xây dựng trên cơ sở sử dụng mảnganten được áp dụng cho các hệ thống TTDĐ thế hệ sau cho cả khái niệm mảnganten thích ứng và mảng anten cố định Khi trang bị mảng anten thích ứng, BS cóthể tạo búp đặc biệt cho người sử dụng Trong trường hợp này nhìn từ phía người sửdụng các kênh sẽ khác nhau, vì thế không thể sử dụng các kênh chung để ước tínhkênh Thay vào đó các ký hiệu hoa tiêu riêng được phát trong các kênh riêng đườngxuống sẽ được sử dụng để ước tính kênh cho tách sóng nhất quán

Các tùy chọn tạo búp và các khái niệm phân tập phát được trình bầy ở trênkhác nhau ở một số điểm quan trọng Chẳng hạn, tạo búp nhằm hướng búp sóngtrong không gian đến người sử dụng nhờ vậy giảm nhiễu đến các người sử dụngkhác trong ô Trong trường hợp này phương phát (hay mẫu phát xạ) trùng vớiphương thu cực đại và các búp có hướng được tạo ra bởi các dàn anten được hiệu

chỉnh chẳng hạn bằng mảng tuyến tính đồng dạng (Hình 1.2) hoặc mảng tròn đồng

dạng Kỹ thuật tạo búp thực hiện điều chỉnh pha và biên độ nguồn sóng cáp cho cácphần tử anten mảng để điều chỉnh phương pháp phát/thu của anten mảng Việcđiều chỉnh này thực hiện bằng cách chọn các trọng số cho từng laọi anten Có hai

laọi tạo búp cơ bản: Tạo búp dựa trên phương tới (DOA: Direction of Arrival)

hay vật lý và tạo búp eigen hay toán học

1.2.5 Khái niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul

Giải pháp thiết kế modul là giải pháp trong đó số lượng anten được tăng nhưng gâyảnh hưởng ít nhất đến các bộ phận khác của hệ thống Dẫy truyền dẫnMIMO/MISO bao gồm các phần tử sau (xem hình 1.3):

• Nguồn phát các bit thông tin b với tốc độ nguồn Rsource Từ nguồn này các bitthông tin được đưa đến mạch mã hóa và đan xen Thông thường các mạchnày là bộ lập mã có tỷ lệ mã rc và bộ đan xen có độ sâu Ni Đầu ra là mộtluồng (hay một vectơ) của các bit được mã hóa

• Các bit được mã hóa được đưa đến bộ điều chế để ánh xạ M bit vào vectơ

điều chế phức x Ta ký hiệu số ký hiệu phức được phát đồng thời trong

khoảng thời gian một ký liệu là tốc độ ký hiệu: Rs (Rs là số luồng ký hiệuphát song song)

• Luồng các ký hiệu trên được đưa đến bộ điều chế không gian thời gian, tạiđây chuỗi gồm RsL ký hiệu điều chế được ánh xạ vào ma trận X L×Nb,trong đó L là độ dài khối của ma trận điều chế (hay mã không gian thời gian)còn Nb là số búp sẽ phát Như vậy ma trận X chuẩn bị các ký hiệu để phát

trên khoảng thời gian L

Hình 1.3 -Dẫy truyền dẫn đa anten

-XVIII-Đầu ra cuả bộ điều chế không gian thời gian được đưa đến bộ tạo búp Bộ tạobpt sẽ tạo ra Nb búp trong số Nt nguồn phát vào không gian (các anten hoặc các

phân cực) Hoạt động của bộ tạo búp được trình bày bằng một ma trận W NbxNt

• Cuối cùng các tín hiệu sẽ được truyền trên các búp sóng này được chuyển lên

tần số vô tuyến và được phát vào không gian

1.2.6 Kỹ thuật đổ dầy nước và chất tải bit

Đổ đầy nước (water filling) là kỹ thuật trong đó công suất củacác kênh không gian được điều chỉnh dựa trên độ lợi của các kênh.Các kênh có độ lợi cao hơn sẽ được cấp nhiều công suất hơn.Nhược điểm của phương pháp này là nó làm tăng thêm PAPR (Peak

to Average Power Ratio – Tỷ số công suất đỉnh trên công suất)trung bìnhtrong OFDM

Chất tải bit (bit loading) là kỹ thuật điều chỉnh tăng số lượng các

ký hiệu cho các kênh có độ lợi cao hơn Điều này có thể thực hiệnbằng cách tăng tỷ lệ mã và (hoặc) thay đổi sơ đồ điều chế Để sửdụng kỹ thuật này ta phải tạo lập một bảng theo dõi độ lợi kênh vàcác điều kiện SNR Nhược điểm của phương pháp này là tăng độphức tạp trong máy thu vì máy thu phải giải mã và giải điều chếtrong các kênh khác nhau

1.2.7 Các khái niệm về phân tập

Trong hệ thống vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnhhưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải giatăng công suất phát hay băng thông

Như vậy có thể khẳng định rằng phân tập – là một trong những kỹ thuật quan trọng được đưa ra áp dụng trong MIMO Trong quá trình nghiên cứu và triển khai,

hiện nay người ta đưa ra các kỹ thuật phân tập sau đây:

- Phân tập đa đường (chọn lọc tần số)

- Phân tập thời gian sử dụng yêu cầu phát lại tự động ARQ (chọn lọc thờigian)

- Phân tập thu sử dụng nhiều anten thu (phân tập không gian thu)

- Phân tập phát sử dụng nhiều anten phát (phân tập không gian phát)

- Chuyển giao mềm (phân tập vĩ mô)

1.2.7.1 Phân tập đa đường

Các công nghệ CDMA sử dụng trải phổ, vì là kênh băng rộng nên máy thu

có khả năng phân biệt một số lượng lớn các thành phần đường truyền Mỗi thànhphần này thể hiện một kênh ngẫu nhiên độc lập và việc kết hợp các thành phần nàytheo năng lượng của từng thành phần được đánh trọng số và được lấy trung bìnhmột các hợp lý sẽ giảm được phađinh tín hiệu so với từng thành phần riêng lẻ Phântập có thể được thực hiện bởi máy thu tuyến tính hay phi tuyến trên cơ sở máy thuRAKE hay bộ cân bằng Rõ ràng rằng các môi trường khác nhau có các trải đađường khác nhau và số lượng các phần tử khả phân giải đôi khi nhỏ Chẳng hạntrong các kênh trong nhà, các phần tử đến trễ chủ yếu trong thời gian một chip và vìthế chỉ có một hệ số kênh (hay nhánh) là khả phân giải Trong môi trường này tacần sử dụng giải pháp phân tập khác

1.2.7.2 Phân tập vĩ mô

Phân tập vĩ mô được thực hiện bằng cách sử dụng hiệu quả mạng Tín hiệuphát từ MS trên đường lên sẽ đến nhiều BS và vì các hệ số kênh của các BS này làđộc lập vì thế việc kết hợp tín hiệu từ nhiều BS sẽ đảm bảo phân tập Mặt khác dobăng thông trong mạng cố định bị hạn chế nên không thể kết hợp tín hiệu tối ưu(liên quan đến các anten phân tập) Tuy vậy ít nhất giải pháp kết hợp kiểu chọn lọc

là có thể thực hiện nếu xét từ quan điểm rẳng chỉ cần thu đúng tín hiệu được phát tại

ít nhất một BS Trên đường xuống, nhiều bản copy của cùng một tín hiệu được phát

đi từ các nguồn (BS) cách biệt trong không gian cũng sẽ tạo nên các đường truyềnphađinh độc lập tại MS Tiêu chuẩn bao hàm cả tùy chọn phân tập vĩ mô dựa trênhồi tiếp với tên gọi là SSDT (Site Selection Diversity Transmission: truyền dẫnphân tập lựa chọn trạm) SSDT nhằm giảm nhiễu đến các người sử dụng khác trong

hệ thống bằng cách phân bổ công suất tối ưu hơn trong ô Trong SSDT, các ô (cácBS) được ấn định một nhận dạng tạm thời (ID) MS định kỳ thông báo ID của ô sơcấp đến các BS bằng cách sử dụng trường báo hiệu (hồi tiếp) đường lên Kênh dành

-XX-riêng này trong các ô khác (được gọi là các ô không phải sơ cấp) bị tắt ID của ô sơcấp này được thông báo từ 1 đến 5 lần trong khung 10ms, tùy thuộc vào khuôn dạngbáo hiệu được chọn

1.2.7.3 Phân tập thời gian

Các hệ thống thông tin di động thế hệ sau đều hỗ trợ giao thức HARQ

( Hybrid Automatic Repeat Request) Trong các giao thức này Khi nhận đượckhông công nhận (NACK) từ phía thu, máy phát phía phát sẽ phát lại hoặc toàn bộbản tin bị lỗi kể cả các bit chẵn lẻ hoặc chỉ phát bổ sung thêm các các bit chẵn lẻ.Phân tập thời gian hay chọn lọc thời gian của kênh có thể được khai thác nếu khungphát lại đến phía thu sau một khoảng thời gian đủ dài (sau thời gian nhất quánkênh) Ngoài HARQ, một dạng phân tập thời gian thông thường được sử dụng làviệc kết hợp giữa đan xen và mã hóa kênh hiệu chỉnh lỗi trước (FEC Forward ErrorCorrection)

1.2.7.4 Phân tập anten thu

Khi nhiều anten thu được sử dụng, ta nói máy thu sử dụng phân tập anten thu(Rx) Phân tập Rx có thể được sử dụng tại BS để tăng dung lượng đường lên vàvùng phủ sóng Do giá thành và không gian chiếm, phân tập anten thu không phổbiến tại máy đầu cuối Tuy nhiên phân tập Rx là một trong các kỹ thuật phân tậphiệu suất nhất và thường dược sử dụng khi cần cải thiện hiệu năng cũng như vùngphủ

1.2.7.5 Phân tập anten phát

Các phương pháp phân tập anten thu cung cấp phân tập không gian cho cácđầu cuối chỉ có một anten thu và cải thiện hiệu năng cũng như vùng phủ đườngxuống mà không gây phức tạp cho máy đầu cuối Thông thường các phần tử antenphát được đặt khá gần nhau Trong trường hợp này lý lịch trễ gần như giống nhauđối với mọi phần tử Các giải pháp phân tập phát (Tx) vòng kín được nghiên cứucho chế độ FDD để hỗ trợ hai anten phát Cả hai giải pháp phân tập vòng kín vàvòng hở đều được nghiên cúu sử dụng trong các chế độ FDD và TDD

- Phân tập vòng hở Các khái niệm phân tập vòng hở đầu tiên đã được đề

xuất trong quá trình tiêu chuẩn hóa 3G dựa trên phân tập phát phân chia mã (phântập phát trực giao) và phân tập phát chuyển mạch theo thời gian Phân tập phátchuyển mạch theo thời gian [TSTD] được áp dụng cho một số kênh chung TrongTSTD, tín hiệu phát được chuyển mạch trên hai anten phát theo thời gian Sau đómột giải pháp phân tập phát không gian thời gian (STTD) hiệu quả hơn dựa trên mã

Hình 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao

(O-STBC) 2x2.

- Chế độ vòng kín Chế độ vòng hồi tiếp đầu tiên được đề xuất trong 3G

dựa trên phân tập phát chọn lựa (STD), trong đó chỉ một bit được sử dụng để lựachọn anten phát phù hợp Sau đó một số cải thiện đã đựơc đề xuất trong quá trìnhtiêu chuẩn hóa 3G

-XXII-CHƯƠNG II

NGHIÊN CỨU XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỘ TRÌNH TIẾN TỚI

3G VÀ 4G CỦA MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TRÊN THẾ

GIỚI

2.1 Tổng quan mạng TT vô tuyến hiện tại.

Trong lịch sử hình thành phát triển mạng TT vô tuyến người ta chia thànhcác thế hệ gọi là G (Generation) Chúng ta lần lượt đã trải qua 1G, 2G, 2.5G, đồngthời đang có xu hướng phát triển lên 3G và 4G

Vào những năm 40 của thế kỷ 20 mạng thông tin di động ra đời và chỉ ápdụng cho nghiệp vụ cảnh sát ở băng tần vô tuyến 2MHz Năm 1948 hãng AT&Tcho ra đời thế hệ mạng điện thoại di động ở băng tần 150MHz với kỹ thuật FM

Những năm 60 mạng TTDD đã sử dụng lần lượt các băng tần 450MHz và850MHz với hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với trước đó Có thể nóiquá trình phát triển mạng TT vô tuyến giai đoạn từ những năm 40-60 được xem nhưthế hệ 1G Mạng 1G có các nhược điểm sau:

• Tốc độ truyền số liệu thấp (hệ Analog băng hẹp) hầu như chỉ hỗ trợ giọngnói, âm thanh

• Dung lượng hạn chế do sử dụng kỹ thuật FDMA kinh điển

• Dễ ảnh hưởng của tạp âm

• Truyền từ vùng phủ sóng này sang vùng phủ sóng kia dễ có tiếng ồn

• Mật mã bảo đảm an ninh cho đường truyền rất khó

• Mỗi nước tự đưa ra tiêu chuẩn riêng

Thế hệ mạng 2G được hình thành những năm 80 với hệ thống điện thoại DD

tiên tiến AMPS (Advanced Mobile Phone System) ra đời với các ưu điểm sau:

• Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn

• Áp dụng kỹ thuật mạng tổ ong Cellular để sử dụng lại tần số trong các cell cókhoảng cách đủ xa

• Mã hóa số tín hiệu thoại với tốc độ bit thấp do đó cho phép ghép nhiều kênhthoại hơn vào dòng bit tốc độ chuẩn

• Giảm tỉ lệ tín hiệu báo hiệu do đó dành tỉ lệ lớn hơn cho tín hiệu người sử

-XXIII-dụng

• Hệ thống chống nhiễu kênh chung CCI (Co - Chanel Interference) và nhiễukênh liền kề ACI (Adjacent - Chanel Interference) hiệu quả hơn do đó làm tăng dung lượng hệ thống

• Tích hợp thêm nhiều dịch vụ mới: Nhận thực, số liệu, mã hóa, kết nối ISDN

• Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn Dung lượng tăng, diệntích các cell nhỏ đi, báo hiệu dễ dàng điều khiển bằng phương pháp số

Trong mạng thông tin vô tuyến 2G, người ta đã thay đổi và tích hợp thêm các dịch

vụ tân tiến khác như WAP, GPRS Dịch vụ GPRS hỗ trợ tốc độ tối đa 144 Kbps dù

tỷ lệ thường gặp chỉ là 56 Kbps, sau đó GPRS được nâng cấp thành E-GPRS ( hay

EDGE - Enhanced Data Rates for GSM Evolution) với khả năng truyền dữ liệu tối

đa 384 Kb/giây và xem như chúng là 2.5G

Hình 2.1 sau đây mô tả sự phát triển của mạng TTDD từ 2G trở đi

Hình 2.1 -Mô hình phát triển của mạng TTDĐ từ 2G trở đi

Nhìn lại sự phát triển của mạng thông tin di động ta có thể kết luận: Tiến tới mạng

TT vô tuyến 3G & 4G là một xu hướng phát triển tất yếu của khoa học công nghệ

và thời đại

2.2 Nghiên cứu lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G của mạng thông

tin vô tuyến trên thế giới.

2.2.1 Tổng quan kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN của LTE trong

3GPP

Lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G và 4G đang được tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm triển khai trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách nhiệm cho

-XXIV-việc phát triển và hài hoà các tiêu chuẩn được phát hành của UMTS lên 4G UTRA

(WCDMA và TD – SDMA) Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 4G

được có hai phần: LTE (Long Term Evolution : Phát triển dài hạn) và SAE

(System Architecture Evolution : Phát triển kiến trúc hệ thống ) cho phần mạng

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ nghiên cứu của LTE và SAE như sau :

1 Về phần vô tuyến (LTE):

• Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, trễ

• Đơn giản hoá mạng vô tuyến

Multicast Service - Dịch vụ quảng bá và phát đa hướng đa phương tiện hay còn gọi

là dịch vụ quảng bá đa phương tiện) , IMS (IP Multimedia Subsystem - hệ thống

con đa phương tiện IP)

2 Về phần mạng (SAE):

• Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng

• Đơn giản mạng lõi

• Tối ưu hoá lưu lượng IP và các dịch vụ

• Đơn giản hoá việc hỗ trợ và các chuyển giao đến công nghệ không phải 3GPP.Kết quả nghiên cứu của LTE là được chuẩn mạng truy nhập vô tuyến với

tên gọi là E- UTRAN (Enhanced Universal Terrestrial Radio Access Network :

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường )

2.2.2 Lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G của mạng thông tin vô tuyến

Lưu ý rằng tốc độ đỉnh có thể phục thuộc vào số lượng anten phát và antenthu lại UE Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE

-XXV-tham chuẩn gồm: (1) khả năng đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả năngđường lên với một anten tại UE Trong trường hợp phổ được dùng chung cho cảđường lên và đường xuống, E- UTRA không phải hỗ trợ tốc độ số liệu đườngxuống và đường nói trên động bộ

Cần giảm đáng kể trễ mặt phẳng điều khiển (Mặt phẳng C) (Chẳng hạn bao

gồm trễ chuyển đổi từ trạng thái rỗi sang trạng thái trao đổi số liệu không kể trễ tìmgọi là 100ms), như Hình 2.2

Hình 2.2 -Thí dụ về chuyển đổi trạng thái trong kiến trúc E- UTRAN

E- UTRAN phải có thời gian đổi trạng thái nhỏ hơn 10ms (như trong chế độ

rõi của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell- DCH) Nó cũng cần đảm

bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms trạng thái ngủ (như trong R6 Cell PCH) vào

trạng thái tích cực (như trong R6 Cell _ DCH)

Cần đảm bảo trễ trong mặt phẳng U nhỏ hơn 10ms Trễ mặt phảng U đượcđịnh nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong EU (hoặc nút biên củaUTRAN ) đến lớp IP trong nút biên của UTRAN (hoặc UE) Nút biên củaUTRAN là nút giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩn phải đảm bảo trễ mặt

phẳng U của E- UTRAN nhỏ hơn 5ms (hình 2.3) trong điều kiện không tải (nghĩa

là 1 người sử dụng với 1 luồng số liệu) đối với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề ) Rõ ràng rằng các chế độ ấn định băng thông của E-

UTRAN có thể ảnh hưởng đáng kể lên trễ

Trạng thái tích

cực (Cell_

DCH))

Trạng thái ngủ(Cell_ PCH)

Trạng thái rỗi

50ms

<

¬  →

-XXVI-Hình 2.3 -Trễ mặt phẳng U

Thông lượng đường xuống trong E- UTRAN sẽ gấp 3 đến 4 lần thônglượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một MHz Cần lưu ýrằng thông lượng HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại nút Bvới tính năng tăng cường và một máy thu trong EU; trong khi đó E- URA sử dụngcực đại hai anten tại nút B và hai anten tại UE

E- UTRAN phải đảm bảo tăng đáng kể hiệu suất phổ tần và tăng tốc bit tạibiên ô trong khi vẫn đảm bảo duy trì các vị trí đặt trạm hiện có của UTRAN vàEDGE

Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của E- UTRANphải gấp 3 đến 4 lần R6 HSDPA tính theo bit/s/Hz/trạm Trong đó giả thiết rằngR6 HSDPA sử dụng một anten tại nút B và một máy thu, còn E- UTRA sử dụng 2anten tại nút B và anten tại nút UE

Hiệu suất phổ tần kênh đường lên trong E- UTRAN phải gấp 3 đến 4 lần R6HSDPA tính theo bit/s/ Hz/trạm với giả thiết HSUPA sử dụng 2 anten tại nút B và 1anten tại UE còn E- UTRAN sử dụng 2 anten tại nút B và 2 anten tại nút UE

Bảng 2.1 và 2.2 cho thấy so sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụnggiữa E- UTRAN và HSPA và đường lên

Bảng 2.1 -So sánh thông số và hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN

trên đường xuống và HSDPA

Bảng 2.2 -So sánh thông số bvà hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN

trên đường lên và HSDPA.

Hiệu năng E- UTRAN cần được tối ưu hoá cho các người sử dụng di độngtại các tốc độ thấp từ 0 đến 15kmph Các người di động tại các tốc độ cao từ 15đến 120kmph cần được đảm bảo hiệu năng cao thoả mãn Cũng cần hỗ trợ di động

tại các tốc độ từ 120kmph đến 350kmph (Thậm chí đến 500kmph phụ thuộc vào

băng tần được cấp phát)

E- UTRAN phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khivẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại cácđài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có

Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phải đáp ứngcác ô có bán kính 5km và với giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán kính 30km

Như đã nói ở trên E- UTRA phải hoạt động trong các băng thông 1,25 MHz,2,5MHZ; 5MHz; 15MHz; và 20MHz trên cả đường xuống lẫn đường lên Cần đảmbảo làm việc cả chế độ đơn băng lẫn song băng

MBMS (Multimedia Broadcast Service: Dịch vụ đa phương quảng bá đa

phương tiện) được đưa vào các dịch vụ của E- UTRAN Các hệ thống E- UTRAN

phải đảm bảo hỗ trợ tăng cường cho MBMS, và đảm bảo các yêu cầu sau : (1) tái sửdụng các phần tử lớp vật lý: để giảm độ phức tạp đầu cuối, sử dụng các phương pháp

đa truy cập, mã hoá, điều chế cơ bản áp dụng cho đơn phương cho các dịch vụ MSMB

và cũng sử dụng tập chế độ băng thông của UE cho các khai thác đơn phương choMBMS, (2) thoại và MBMS : giải pháp E- UTRA cho phép tích hợp đồng thời vàcung cấp hiệu quả thoại dành riêng vào các dịch vụ MBMS cho người sử dụng; (3)Khai thác MBMS đơn bằng : Phải hỗ trợ phát triển các sóng mang E- UTRAmang các dịch vụ MBMS trong phổ tần đơn băng

Yêu cầu E- UTRA làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau đây:

-XXVIII-1 Đồng tồn tại trên cùng vùng hoặc cùng đài trạm với GERAN/ UTRANtrên các kênh lân cận

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

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

4 Tất cả các băng tàn đều được cho phép tuan theo phát hành về các nguyêntắc băng tần độc lập

E- UTRAN phải hỗ trợ tương tácvới cá hệ thống 3G hiện có và với các hệthống không theo chuẩn 3GPP E- UTRAN phải đảm bảo khả năng đồng tồn tạigiữa các nhà khai thác trong các băng liền kề và trên biên giới

Sau đây là các yêu cầu cho tương tác mạng :

- Thời gian ngắt để chuyển giao các dịch vụ thời gian thực giữa E- UTRAN

và UTRA/ GERAN không được quá 300ms

- Thời gian ngắt để chuyển giao các dịch vụ phi thời gian thực giữa UTRAN và UTRAN/GERAN không được quá 500ms

Như đã đề cập ở trên, quản lý tài nguyên vô tuyến đòi hỏi : (1) hỗ trợ tăngcường QoS cuối đầu cuối ; (2) hỗ trợ hiệu quả truyền các lớp cao; (3) Hỗ trợ chia

sẻ tải và quản lý chính sách trên các công nghệ truy cập vô tuyến (RAT)

2.2.2.2 Kiến trúc mô hình E- UTRAN

Các kiến trúc mô hình được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3 GPP) đề xuất

cho kiến trúc E- UTRAN được trên các hình 2.4, 2.5 và 2.6

-XXIX-Hình 2.4 -Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không

chuyển mạng

năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt

-XXX-Hình 2.6 -Kiến trúc mô hình E-UTRAN theo TR 23.822

Các đường nối và các vòng tròn không liên tục thể hiện các phần tử và các giaodiện mới của kiến trúc E-UTRAN

2.2.3 Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN và lộ trình tiến tới 4G.

2.2.3.1Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN.

Các vấn đề nghiên cứu được thực hiện trong hai TSG:

1 TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến

2 TSG SA: Nghiên cứu kiến trúc mạng

Kế hoạch nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn E-UTRAN được thể hiện trên hình 2.7

E-Hình 2.8 -Lộ trình phát triển 3GPP.

Hình 2.9 -Lộ trình phát triển các công nghệ TT di động lên 4G

3.1 Mô hình MIMO tổng quát

Như đã giới thiệu ở chương I, trong MIMO tại phía phát có thể gửi nhiềuluồng dữ liệu đồng thời thông qua hệ anten phát Các luồng dữ liệu này được môphỏng như là ma trận kênh H với nhiều đường truyền giữa các anten phát phía phát

và anten thu phía thu Như vậy phía thu thu được tín hiệu dạng vector gọi là vectortín hiệu Ta có thể mô phỏng hóa mô hình truyền dẫn gồm mã hóa, đan xen ghép đangười dùng trong băng tần gốc như sau:

anten bằng cách sử dụng ma trận W.

Hình 3.1 cho thấy mô hình kênh MIMO gồm Nt anten phát và Nr anten thu

Ma trận kênh cho mô hình MIMO trên hình 3.1 được biểu diễn như sau

t t

N N N

N

N N

h h

h

h h

h

h h

h H

2 22

12

1 22

11

(3.2)

Trong đó ta ký hiệu hnm là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m

Giả sử x=[x1, x2,… , xNt]T là các số liệu phát và y=[y1, y2,… , yNr]T là sốliệu thu và η = η η  1, , ,2 ηNrT là tạp âm Gauss trắng phức của Nr máy thu, trong đó

T ký hiệu phép toán chuyển vị Quan hệ giữa tín hiệu đầu vào kên x và tín hiệu đầu

ra kênh y được xác định như sau:

r t r

r

t t

N N

x x

h h

h

h h

h

h h

h H

1

2 1

2 22

12

1 22

11 2

,

rr

f r

r

− σ

Tạp âm ηi là một quá trình ngẫu nhiên có phân bố Gauss trung bình khôngnhư sau:

( )

η

− σ

Công thức tính trung bình dung lượng kênh như sau:

• Trong chế độ vòng kín trung bình dung lượng kênh tính theo công thức

t r H

H

N N

N N H H

HH Q

,,

-H H là ma trận chuyển vị Hermitian

3.2 Các mô hình hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân chia giá trị đơn

SVD(Singular Value Decomposition)

3.2.1 Mô hình hệ thống SVD MIMO

Ta xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát và Nr anten

thu như trên hình 1.3 Để tiện phân tích ta viết lại phương trình (3.4):

N0 là mật độ phổ công suất tạp âm.

H là ma trận kênh Nr×Nt; khi khoảng cách giữa các anten >λ/2 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: Singular Value Decomposition) cho ta:

trong đó Trong đó U và V H là các ma trận nhất phân (unitary) có kích thứơc Nr×Nr

và Nt×Nt, VHlà chuyển vị Hermitian; đối với các ma trận nhất phân ta có: UUH=INr

λ ,… , 1 / 2

A

N

λ trên đường

chéo chính của nó, trong đó λi với i=1,2,…, N là các giá trị eigen của ma trận HH H

Các giá trị eigen của HHHđược xác định như sau:

0)

hay

0)

t r H

H

N N

N N H H

đường chéo Nt ×Nt và sau đó là Nr-Nt dòng bằng không Dưới đây ta sẽ minh họa

ma trận dường chéo D cho các trường hợp Nt≠Nr

Trong trường hợp mà số anten phát lớn hơn số anten thu (Nt>Nr), U sẽ là ma

trận Nr× Nr và V sẽ là ma trận Nt× Nt và D sẽ được tạo ra từ ma trận vuông bậc Nrtiếp sau là Nt-Nr cột bằng không như sau: