Ứng dụng kỹ thuật MIMO trong LTE

Đồ án được chia làm 3 chương:Chương 1: Tổng quan về LTENội dung của chương giới thiệu khái quát về 4G LTE: mục tiêu, tiềm năng phát triển, các công nghệ thành phần đề xuất cho LTEChương 2: Tổng quan về kỹ thuật MIMOTrình bày cấu hình và mô hình MIMO cơ bản: mô hình đa anten thu, đa anten phátChương 3: Ứng dụng MIMO trong LTE.

Ễ Ô



ĐỒ Á TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

n n MIMO trong LTE

(Củ á v ướ dẫ )

Mạng thông tin di động với số lượng thuê bao tăng không ngừng đang thu hút

sự quan tâm của nhiều nhà vận hành mạng và cung cấp dịch vụ Mạng di động được triển khai và nâng cấp nhanh chóng từ mạng thế hệ 1G, 2G cho đến 3G và tương lai là 4G nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng Tương lai gần của mạng di động sẽ là 4G và LTE là một ứng cử viên sang giá cho 4G tại Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới

Đặc thù của kênh vô tuyến là có tài nguyên hữu hạn và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường truyền đặc biệt là hiện tượng pha đinh Kỹ thuật MIMO sử dụng đa anten

cả phía phát và phía thu được đưa ra nhằm cải thiện những nhược điểm trên và được sử dụng hiệu quả để trở thành một trong những kỹ thuật đổi mới quan trọng trong LTE

Đồ án “Ứ dụ ậ r E” của sinh viên Đ

lớp D08VT5 tập trung tìm hiểu công nghệ MIMO sau đó đi sâu nghiên cứu một số mô hình ứng dụng MIMO trong LTE

Nội dung của đồ án được trình bày mạch lạc theo kết cấu sau:

Trong quá trình thực hiền đồ án, sinh viên Nguyễn Đăng Minh đã thể hiện tính độc lập, chủ động nghiên cứu hoàn thành đồ án cũng như tích cực trao đổi với giáo viên hướng dẫn về những nội dung còn vướng mắc

Dựa vào nội dung hoàn thành của đồ án và thái độ thực nghiêm túc làm đồ án

của sinh viên đề nghị hội đồng chấm đồ án thông qua

á v ướ dẫ

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

CÁ BỘ- Ả Ê P Ả B Ệ

(ký, họ tên)

Danh mục các thuật ngữ viết tắt iv

Danh mục bảng biểu Error! Bookmark not defined Danh mục hình vẽ Error! Bookmark not defined Lời nói đầu vi

hương 1: Tổng quan về LTE 1

1.1 Giới thiệu công nghệ LTE 1

1.2 Mục tiêu của LTE: 2

1.3 ác đặc tính cơ bản của LTE 3

Bảng 1.1: ác thông số lớp vật lý LTE 4

Bảng 1.2: Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 5

Bảng 1.3: So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE 6

1.4 Tiềm năng công nghệ 7

1.5 Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE 8

1.5.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần 8

1.5.2 Giải pháp đa anten 9

1.5.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 10

1.5.4 ác bộ lặp và các bộ chuyển tiếp 11

2.1 Giới thiệu chương 14

2.2 ấu hình đa anten 14

2.3 Mô hình MIMO tổng quát 15

2.4 Đa anten thu 16

2.4.1 Mô hình kênh phân tập anten thu 16

2.4.2 Sơ đồ kết hợp chọn lọc SC 17

2.4.3 Sơ đồ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC 19

2.4.4 Kết hợp loại b nhiễu IR 21

2.5 Đa anten phát 24

2.5.1 Phân tập phát 25

2.5.1.1 Phân tập trễ 25

2.5.1.4 Phân tập dựa trên mã hóa không gian-tần số 28

2.5.2 Định dạng búp sóng bên phát 29

hương 3: Ứng dụng MIMO trong LTE 33

3.1 Giới thiệu chương 33

3.2 Nghiên cứu thực tế 33

3.3 Sơ đồ một người dùng 35

3.3.1 Phân tập phát 35

3.3.1.1 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thu 35

3.3.2 Sơ đồ gh p kênh không gian 41

3.3.2.1 Nguyên lý cơ bản 41

3.3.2.2 Gh p kênh dựa trên tiền mã hóa 45

3.4 Sơ đồ nhiều người dùng 48

3.5 Hiệu suất tầng vật lý của MIMO 50

3.5.1 Hiệu suất tiền mã hóa 51

3.5.2 Hiệu suất MU-MIMO 51

3.6 Đánh giá hiệu năng hệ thống 53

3.6.1 Hiệu năng từ phía người sử dụng 54

3.6.2 Hiệu năng từ góc độ nhà khai thác 55

3.7 Tổng kết 56

Tài liệu tham khảo 58

3GPP Third Generation Partnership

Project

Nhóm cộng tác 3GPP

Multiplex

Gh p kênh phân chia theo tần

số trực giao

Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

gian

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

HSUPA High Speed Uplink Packet

Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường lên

ờ

Mạng thông tin di động với số lượng thuê bao tăng không ngừng đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà vận hành mạng và cung cấp dịch vụ Mạng di động được triển khai và nâng cấp nhanh chóng từ mạng thế hệ 1G, 2G cho đến 3G và tương lai là 4G nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng Tương lai gần của mạng di động sẽ là 4G và LTE là một ứng cử viên sang giá cho 4G tại Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới

Đặc thù của kênh vô tuyến là có tài nguyên hữu hạn và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường truyền đặc biệt là hiện tượng pha đinh Kỹ thuật MIMO sử dụng đa anten

cả phía phát và phía thu được đưa ra nhằm cải thiện những nhược điểm trên và được

sử dụng hiệu quả để trở thành một trong những kỹ thuật đổi mới quan trọng trong LTE Kỹ thuật cho ph p LTE cải thiện hơn về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ Mặc dù, sử dụng MIMO làm cho hệ thống phức tạp hơn vềquá trình xử lý tín hiệu và yêu cầu số lượng anten, nhưng nó có thể tăng tốc độ dữ liệu lên mức cao, cho ph p hiệu quả sử dụng phổ tần MIMO là một kỹ thuật không thể thiếu của LTE Nhận thức được tầm quan trọng của kỹ thuật này, đặc biệt dưới sự hướng dẫn của cô giáo Ths Lê Tùng Hoa, em đã chọn đề tài nghiên cứu: Ứng dụng MIMO trong LTE làm nội dung cho đồ án tốt nghiệp của mình

Đồ án được chia làm 3 chương:

Nội dung của chương giới thiệu khái quát về 4G LTE: mục tiêu, tiềm năng phát triển, các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE

Trình bày cấu hình và mô hình MIMO cơ bản: mô hình đa anten thu, đa anten phát

Tìm hiểu về các kỹ thuật MIMO điển hình: phân tập dựa trên sơ đồ của lamouti

và gh p kênh không gian Đồ án tập trung vào các kỹ thuật được ứng dụng nhiều nhất trong hệ thống 4G LTE

Vô tuyến cùng với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định Tuy nhiên, do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh kh i những sai sót, kính mong các thày cô giáo và các bạn chỉ bảo, đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo đã tận tình giúp đỡ em trong

thời gian học tập và làm đồ án tốt nghiệp

n n y… n …năm 0

Sinh viên thực hiện

C ươ v TE 1.1 Giớ ệ ệ E

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế

hệ thứ ba dựa trên W DM đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho

di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE

và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA Thêm vào đó, FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán song công FDD cho ph p các

UE có giá thành thấp Không giống như FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong

UE Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho ph p tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6

 n y: Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và

đáp ứng nhu cầu của người sử dụng; Người dùng đòi h i tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn; Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói; Tiếp tục nhu cầu đòi h i của người dùng về giảm giá thành (CAPEX và OPEX); Giảm độ phức tạp; Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc không phải một cặp dải thông

 o n p n Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung

vào phát triển thêm UTRAN và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel 6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần (100Mbps) Tải lên: gấp

2 đến 3 lần (50Mbps) Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 – EUTRA - phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp nhận Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA được sử dụng cho đường lên

1.2 ụ ủ E

Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân năm 2005 đã được xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE Những mục tiêu và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913 Những yêu cầu cho LTE được chia thành 7 phần khác nhau như sau:

 Tiềm năng, dung lượng

ác mục tiêu của công nghệ này là:

 Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20Mhz: Tải lên: 50 Mbps; Tải xuống: 100

với tốc độ từ 15-120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ

từ 120-350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)

trong phạm vi đến 30km Từ 30-100km thì không hạn chế

10Mhz, 15Mhz và 20Mhz cả chiều lên và chiều xuống Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kĩ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật

là kĩ thuật vô tuyến OFDM (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kĩ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output) Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP Network), và hỗ trợ cả hai chế độ FDD và TDD

- Phổ tần số:

+ Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD

+ Độ phủ sóng từ 5-100 km + Dung lượng 200 người dùng/tế bào ở băng tần 5 MHz

- hất lượng dịch vụ

+ Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

+ VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS

- hi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1,4 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa là

nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP Trong thực tế, hiệu suất thực của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sự lựa chọn cho phổ tần của chính nó Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9 – 2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850 – 900 MHz, 1800 MHz, phổ WS (1.7 – 2.1 GHz)… Băng tần chỉ định dưới 5 MHz được định nghĩa bởi ITU thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho ph p các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ

DL OFDMA

20 MHz

Lên đến 4 lớp cho DL/UE

Dịch vụ của LTE

Qua việc kết nối của đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu suất sử dụng phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ

đa dạng hơn Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu lớn, tải

về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện Tất cả các dịch vụ sẽ cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của người dùng về đường truyền TV độ rõ n t cao Đối với khách hàng là doanh nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng video hội nghị tốt… LTE sẽ mang đặc tính của Web 2.0 ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên Dọc theo sự bảo đảm về

thương mại,nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi và chia sẻ tập tin

Bảng 1.3: So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE

Duyệt siêu nhanh, tải các nội dung lên các mạng xã hội

trên mạng tính cước chuẩn

hính yếu là dựa trên thông tin văn bản

Tạp chí trực tuyến, dòng âm thanh chất lượng cao

chuông, cũng bao gồm màn hình chờ và nhạc chờ

Âm thanh thực (thu âm gốc từ người nghệ sĩ), các trang web

theo đúng yêu cầu, dòng video chất lượng cao

Phân phối tỷ lệ rộng của các video clip, dịch vụ karaoke, video cơ bản quảng cáo di động

Thương mại qua điện

thoại

Thực hiện các giao dịch và thanh toán qua mạng di động

Điện thoại cầm tay như thiết bị thanh toán, với các chi tiết thanh toán qua mạng tốc độ cao

để cho ph p các giao dịch thực hiện nhanh chóng

Mạng dữ liệu di động Truy cập đến các mạng nội

bộ và cơ sở dữ liệu cũng như các sử dụng của các ứng dụng như RM

huyển đổi file P2P, các ứng dụng kinh doanh, ứng dụng chia sẻ, thông tin M2M, di động intranet/extranet

1.4 ệ

Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbit/s

và cho đường lên là 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 Mhz Khi mà phân

bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo Do đó, điều kiện đặt ra là có thể biểu diễn được 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5 bit/s/Hz cho đường lên Như sẽ được thảo luận dưới đây, LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời Do đó mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời Mặt khác, đối với trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho ph p quá trình phát và thu đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý thuyết ở trên Yêu cầu về độ trễ được chia thành: yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển và yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng Yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển xác định độ trễ của việc chuyển từ trạng thái thiết bị đầu cuối không tích cực khác nhau sang trạng thái tích cực, khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể gửi và nhận dữ liệu ó hai cách xác định: cách xác định thứ nhất được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (camped state) chẳng hạn như trạng thái Release 6 Idle mode, khi đó thì thủ tục chiếm 100ms; cách xác định thứ hai được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ chẳng hạn như trạng thái Release 6 Cell-P H Khi đó thì thủ tục chiếm 50ms Trong cả hai thủ tục này thì độ trễ chế độ ngủ và việc báo hiệu non-R N đều được loại trừ (Chế độ Release 6 idle là 1 trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là mạng truy nhập vô tuyến không có bất cứ thuộc tính nào của thiết bị đầu

cuối và thiết bị đầu cuối cũng không được chỉ định một tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối có thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe hệ thống mạng tại những khoảng thời gian cụ thể Trạng thái Release 6 ell-P H là trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết bị đầu cuối đang ở trong tế bào nào nhưng thiết bị đầu cuối lại không được cấp phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế

độ ngủ) Yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện qua thời gian để truyền một gói IP nhỉ từ thiết bị đầu cuối tới nút biên R N hoặc ngược lại được đo từ lớp IP Thời gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5ms trong mạng không tải (unloaded network), nghĩa là không có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện trong tế bào

X t về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trong trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần 5Mhz Trong mỗi phân bố rộng hơn 5Mhz, thì ít nhất có 400 thiết bị dầu cuối được hỗ trợ Số lượng thiết bị đầu cuối không tích cực trong tế bào không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể

1.5 ệ p E

1.5.1 Truy n d n băn n n ẻ phổ tần

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được th a mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced Việc mở rộng độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ Điều này có thể đạt được bằng cách

sử dụng khối kết tập sóng mang trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE- dvanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập

Hình 1 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc dù ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết Truy nhập đến một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên Do đó, LTE-

dvanced có thể cho ph p kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất

Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình

ìn -0-1 í v kh i kết t p ón m n

1.5.2 ả p áp

ác công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và gh p kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã ấu trúc này cung cấp cả sự gh p theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã) Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 MHz, sơ đồ gh p không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE- dvanced ó thể thấy trước rằng hỗ trợ gh p kênh theo không gian trên đường lên

sẽ là một phần của LTE-Advanced Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng

tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần

1.5.3 r dẫ p ố p

Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE- dvanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín

hiệu trên tạp âm và can nhiễu SNR ở thiết bị đầu cuối Định dạng chùm là một cách Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ở một nút đơn được mô tả ở Hình

2 Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn Phụ thuộc vào quy mô mở rộng, có 3 phương án , B, như sau:

Ở phương án , thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từ nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyền đang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ thể Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE

cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết quả là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất ở trạng thái rỗi

ì 1.2: Truy n dẫ m phối h p

Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu cuối riêng, trong khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn điểm Ở phía mạng, bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực hiện phối hợp các hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở các điểm truyền dẫn khác nhau ó thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị riêng để giảm can nhiễu giữa những người sử dụng Loại truyền dẫn đa điểm phối hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp ở trên nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó còn cho ph p phối hợp can nhiễu giữa những người sử dụng để cải thiện hơn nữa SNR Bởi vì thiết bị đầu cuối không nhận biết việc xử lí chính xác ở mạng nên cần có các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể

Ở phương án , báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B Tuy nhiên, không giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biết truyền dẫn phối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao nhiêu….) Thông tin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía thiết bị đầu cuối

Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính đòi h i cách áp dụng xử lí tín hiệu thích đáng ở bộ thu Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn, vốn đã sử dụng trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay

1.5.4 Cá bộ lặp v á bộ p

Từ việc xem x t quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho ph p tăng tốc độ số liệu ác bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự thu được Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không Những bộ lặp như vậy không hiển thị đối với cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc Tuy nhiên, có thể xem x t các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu

cung cấp trong khu vực ác báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể cũng được xem x t như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặp được bật lên Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạm gốc

và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động

Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ Đây thường được xem là chuyển tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối

Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới) nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự chuyển tiếp (self backhauling)) Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại tạp âm), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng

ì 1-3 Chuy n ti p trong LTE-Advanced

1.6 T ng k ươ

Kết thúc chương 1 chúng ta có một cái nhìn tổng quan về LTE Những yêu cầu đặt ra cho LTE như: Tiềm năng, dung lượng; Hiệu suất hệ thống; ác vấn đề liên quan đến việc triển khai; Kiến trúc và sự dịch chuyển; Quản lí tài nguyên vô tuyến; … Bên cạnh đó, một số công nghệ thành phần đề xuất cho LTE như: các bộ lặp và các bộ

chuyển tiếp; truyền dẫn đa điểm phối hợp; kỹ thuật đa anten MIMO; truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần ác công nghệ này được đưa ra nhằm nâng cao dung

lượng và chất lượng đường truyền dẫn Trong đó, các công nghệ đa anten, bao gồm

định dạng chùm và gh p kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt

vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong

LTE-Advanced

hương 2: Tổng quan về kỹ thuật MIMO

Kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọng của LTE, được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống Kỹ thuật cho ph p LTE cải thiện hơn về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ Mặc dù, sử dụng MIMO làm cho hệ thống phức tạp hơn về quá trình xử lý tín hiệu và yêu cầu số lượng anten, nhưng nó có thể tăng tốc độ dữ liệu lên mức cao, cho ph p hiệu quả sử dụng phổ tần MIMO là một kỹ thuật không thể thiếu của LTE

hương 2 sẽ cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật MIMO, mô hình MIMO

cơ bản; các kỹ thuật MIMO được sử dụng trong LTE

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) ác 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 nh òn nhìn ở vị trí trạm gốc, những đường khác nhau sẽ đến trong một góc nh 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 nh hơn vẫn đảm bảo độ tương quan thấp

ác 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

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

[

η = [η1, η2, …, ηNt]T là tạp âm Gaus trắng phức của Nr máy thu

T là ký hiệu ph p 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:

[ ]

[

2.4.1 ì p â tập anten thu

Trong mô hình kênh fadinh có 1 anten phát và Nr anten thu, ma trận kênh như sau:

H = [h1,h2,…,hNr] (2.4) Trong đó hm là độ lợi của đường truyền từ anten phát đến máy thu m với

m=1,2,…,Nr

Quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của hệ thống:

Trong đó k là thời điểm x t; tạp âm ηm ~ N(0,σ2); σ2 = N0/2

Ta cần tách ký hiệu x(1) dựa trên y1(1), y2(1),…, yNr(1) Nếu các anten đủ cách xa nhau, ta có thể coi độ lợi kênh hm độc lập Rayleigh với nhau và ta nhận được độ lợi phân tập Nr

Đối với điều chế BPSK, xác suất lỗi được tính như sau:

(√‖ ‖ ) (2.6) Trong đó γ = 2Eb/N0 trong điều kiện kênh fadinh Rayleigh với độ lợi hm có phân bố đồng nhất độc lập: N(0,σ2)

‖ ‖ ∑ | |

Với ||h||2 SNR là tổng SNR thu đối với vecto kênh cho trước h ó thể phân tách song tổng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thu khi cho điều kiện độ lợi kênh thành hai thành phần sau:

‖ ‖ ‖ ‖ (2.8) Thành phần thứ nhất tương ứng với độ lợi dàn; việc sử dụng nhiều anten và kết hợp nhất quán dẫn đến tổng công suất thu hiệu dung tăng tuyến tính với Nr; tăng gấp đôi Nr sẽ cho độ lợi công suất 3dB Thành phần thứ hai thể hiện độ lợi phân tập: việc lấy trung bình trên tất cả các đường truyền độc lập dẫn đến xác suất trong đó tổng độ lợi thu nh sẽ giảm Lưu ý rằng nếu chỉ có độ lợi công suất mà không có độ lợi phân tập khi tăng Nr Mặt khác ngay cả khi tất cả hm đều độc lập với nhau thì thành phần thứ hai :

Sơ đồ này sử dụng bộ kết hợp đơn giản nhất, trong đó bộ kết hợp chỉ đơn giản ước tính cường độ tín hiệu tức thời trong Nr anten thu, sau đó chọn lựa anten

có tín hiệu mạnh nhất Vì SC loại b năng lượng hữu ích từ các luồng nên sơ đồ này rõ ràng không phải là tối ưu, tuy nhiên do tính đơn giản của nó nên nó được sử dụng trong nhiều trường hợp khi cần giảm bớt các yêu cầu phần cứng Sơ đồ kết hợp chọn lọc được cho trên hình 2.2

nh 2.2: S k t h p họn ọ

Để xác định độ lợi phân tập trong trường hợp này, ta tiến hành như sau: giả sử

m m

m là tín hiệu tức thời trên nhánh i, còn E0 là năng lượng công

suất tín hiệu trên một nhánh và 0 0

2

m

N

  là mật độ tạp âm song biên nhánh m

Xác suất SNR trên mỗi nhánh nh hơn hoặc bằng một giá trị γ g cho trước như sau:

( ) ⁄ (2.10)

Xác suất tất cả SNR trong tất cả các nhánh cùng nh hơn γ g như sau:

( ) [ ⁄ ] (2.11)

⎟

Nếu coi rằng γ g là ngưỡng mà dưới nó ta sẽ không chon bất k nhánh nào, thì P Nr g sẽ là xác suất mất thong tin và phương trình xác suất mất thong tin sẽ giảm đi đáng kể khi số anten thu Nr tăng

Từ phương trình ta có thể xác định xác suất ít nhất có một anten được lựa chọn như sau:

(í ấ ộ á γ ) γ (2.12) Lấy vi phân ta có thể tìm được mật độ xác suất, lấy tích phân mật độ xác suất

ta có thể tính được SNR trung bình như sau:

̅ ∑ (2.13) Phương trinh cho thấy khi số anten thu Nr lớn, việc tăng anten thu cải thiện SNR trung bình không đáng kể

2.4.3 Sơ ồ k t h p tỷ lệ cực ại MRC

Giả thiết là tín hiệu phát chỉ bị ảnh hưởng của fading không chọn lọc tần số và tạp

âm trắng, tức là không có hiện tượng tán thời kênh vô tuyến, tín hiệu thu ở các anten khác nhau trong hình 2.5 được biểu diễn như sau:

̅ ( ) ( ) ( ) ̅ ̅ (2.15)

Trong đó s là tín hiệu phát, vector h là độ lợi kênh phức và vector n là tạp

âm gây ảnh hưởng tới tín hiệu thu ở các anten khác nhau

tỷ số tín hiệu/tạp âm sau bộ kết hợp tỷ lệ với số lượng anten thu

MRC là một chiến lược kết hợp anten thích hợp khi tín hiệu thu chủ yếu bị ảnh hưởng bởi tạp âm Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, tín hiệu thu bị ảnh hưởng chính của nhiễu từ nhiều anten phát trong hệ thống hơn là tạp âm Trong hoàn cảnh số lượng tín hiệu nhiễu khá lớn xấp xỉ cường độ tín hiêu, MRC vẫn là

⎟

một lựa chọn tốt Lúc này, nhiễu tổng sẽ xuất hiện tương đối giống tạp âm, không

có hướng đến cụ thể Tuy nhiên, trong những hoàn cảnh chỉ có một nguồn nhiễu trội (tổng quát lên, số lượng nguồn nhiễu trội có giới hạn), như được minh họa trong hình 2.6, hiệu năng sẽ được cải thiện nếu thay vì lựa chọn trọng số anten để tối đa hóa tỷ số tín hiệu/ tạp âm sau khi kết hợp, thì các trọng số sẽ được lựa chọn

để triệt nhiễu Về mặt tạo búp sóng thu, điều này tương ứng với việc làm yếu đi búp sóng phía nhiễu và tập trung búp sóng theo hướng tín hiệu

̅ ̅ (2.18) Tổng quát, sẽ có Nr-1 giải pháp không tầm thường để biểu thị sự linh hoạt khi lựa chọn vector trọng số Sự linh hoạt này có thể được sử dụng để triệt nhiễu trội Đặc biệt hơn, trong trường hợp tổng quát với Nr anten thu sẽ có khả năng (ít nhất là về mặt lý thuyết) triệt tiêu hoàn toàn Nr-1 nguồn nhiễu Tuy nhiên với một lựa chọn trọng số anten nào đó mà có thể triệt hoàn toàn một số nguồn nhiễu trội thì

có thể làm tăng tạp âm sau khi kết hợp anten

nh 2.5: h n ng u ng v i m t ngu n nhi u tr i

Vì vậy, cũng giống như cân bằng tuyến tính, khị lựa chọn trọng số anten phải đẩm bảo tối thiểu hóa trung bình quân phương:

{| ̅ | } (2.19)

Và được gọi là kết hợp sai số trung bình quân phương cực tiểu MMSE

Tuy hình 2.5 minh họa kịch bản đường xuống với trạm gốc gây nhiễu, IRC cũng có thể được áp dụng cho đường lên để triệt nhiêu từ máy di động.Với trường hợp này, máy di động gây nhiễu có thể ở cùng ô (nhiễu trong ô) hoặc ở ô bên cạnh (nhiễu ngoài ô) với máy di động mục tiêu Triệt nhiễu trong ô liên quan tới trường hợp đường lên không trực giao, đó là khi nhiều máy di động phát đồng thời sử dụng cùng tài nguyên thời gian-tần số Triệt nhiễu trong ô đường lên bằng IRC thông thường được gọi là đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Hình 2.6: K ch b n ph thu v i m t ngu n nhi u mạnh từ máy ầu cu i di ng

a) Nhi u trong ô ) Nhi u ngoài ô

Trong thực tế, kênh vô tuyến luôn bị ảnh hưởng của tán thời, tương đương với tính chọn lọc tần số gây ra m o tín hiệu băng rộng Một phương pháp để làm giảm m o là cân bằng tuyến tính cả về thời gian và tần số

ó thể thấy rằng kết hợp anten tuyến tính và cân bằng tuyến tính có nhiều điểm giống nhau:

 ân bằng/lọc tuyến tính trong miền thời gian/tần số là cách xử lý được áp dụng với những tín hiệu thu tại những thời điểm khác nhau (tần số khác nhau) với mục đích làm tối đa tỷ số SNR sau bộ cân bằng, triệt m o tín hiệu gây ra do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến (cân bằng ZF, MMSE )

 Kết hợp anten thu tuyến tính là cách xử lý tuyến tính được áp dụng với tín hiệu thu tại các anten khác nhau, tức là xử lý trong miền không gian với mục đích làm tối đa tỷ số SNR sau bộ kết hợp (kết hợp dựa trên MRC), triệt các nguồn nhiễu

cụ thể

Do đó, trong trường hợp chung của kênh lựa chọn tần số và đa anten thu, cả hai phương pháp xử lý/lọc tuyến tính không gian/thời gian đều được áp dụng như minh họa trong hình 2.7, ở đó việc lọc tuyến tính có thể được coi là chung cho các trọng số anten trong hình 2.3 ác bộ lọc được lựa chọn để làm giảm ảnh hưởng của tạp âm, nhiễu và m o tín hiệu

Đặc biệt trong trường hợp việc chèn thêm tiền tố chu k được áp dụng ở phía phát thì quá trình xử lý tuyến tính không gian/tần số được minh họa như hình 2.8

nh 2.7: ý tuy n t nh không gi n th i gi n 2 hi u (2 nt n thu)

nh 2.8: ý tuy n t nh không gi n tần s 2 hi u (2 nt n thu)

Quá trình xử lý không gian/tần số phác thảo trong hình 2.8 mà không có IDFT có thể được ứng dụng nếu phân tập thu được sử dụng trong truyền dẫn OFDM Trong trường hợp OFDM, không xảy ra m o tín hiệu do tính lựa chọn tần

số của kênh vô tuyến Do đó, các hệ số miền tần số ở hình 2.8 có thể được lựa chọn

mà chỉ tính đến nhiễu và tạp âm Về nguyên lý, điều này có nghĩa là các lược đồ kết hợp anten MR và IR được áp dụng trên cở sở từng sóng mang con

Như một sự thay thế hoặc bổ sung cho kỹ thuật đa anten thu, phân tập và tạo búp sóng cũng có thể đạt được với việc áp dụng kỹ thuật đa anten phát Việc sử dụng nhiều anten phát rất phù hợp với đường xuống, như là nhiều anten phát ở trạm gốc Trong trường hợp này, việc sử dụng nhiều anten phát đưa ra cơ hội phân tập và tạo búp mà không cần thêm anten thu Mặt khác, vì lý do độ phức tạp nên việc sử dụng nhiều anten phát cho đường lên tức là ở máy đầu cuối không mấy khả thi Trường hợp này tốt hơn là sử dụng đa anten thu ở trạm gốc