công nghệ MIMO và ứng dụng trong MTE

Phân tập là một kỹ thuật mạnh ñể truyền tín hiệu trong môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời gian, tần số và không gian ñể phía thu có thể thu chính xác

Chương 1: CÔNG NGHỆ MIMO

MIMO ñược sử dụng ñể phát triển 3G, ñặc biệt là LTE Nội dung ñược trình bày trong chương bao gồm:

- Giới thiệu chung

- Ưu ñiểm của hệ thống MIMO

- Mô hình kênh MIMO

- Dung năng kênh MIMO

- Mã hóa không gian - thời gian và ghép kênh không gian

- Một số phương pháp tổ hợp ñầu thu

1.1 Giới thiệu chung

Trong sự phát triển không ngừng của ngành thông tin và truyền thông, nhất là truyền thông không dây, những dịch vụ ña phương tiện là một yêu cầu tất yếu của ñời sống xã hội Tuy nhiên, những thách thức của công nghệ truyền thông không phải là nhỏ Nó ảnh hưởng trực tiếp ñến chất lượng các dịch vụ ñã, ñang và sẽ ñược cung cấp cho xã hội Khi mà dịch vụ gia tăng cả về mặt số lượng lẫn chất lượng thì ảnh hưởng ấy càng trở nên rõ ràng, nghiêm trọng hơn

Thứ nhất phải kể ñến vấn ñề sử dụng tần số một cách hiệu quả Như chúng ta ñã biết, tần số là nguồn tài nguyên hạn chế, ñược hoạch ñịnh và quản lý rất chặt chẽ Mọi hoạt ñộng truyền thông không dây dù ít hay nhiều ñều cần ñến một dải tần số nhất ñịnh ñể thu-phát tín hiệu Nâng cao hiệu suất phổ ñã là vấn ñề “nóng” không chỉ của riêng ai, nay lại càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết

Thứ hai, song song với việc tăng tốc ñộ truyền tin chúng ta cần chú ý việc nâng cao ñộ tin cậy thông tin nhằm ñáp ứng lại những yêu cầu của dịch vụ truyền thông

ña phương tiện ngày càng phát triển mạnh mẽ Một khi tốc ñộ và ñộ tin cậy thông tin ñược cải thiện, chất lượng dịch vụ cũng ñược nâng cao

Thứ ba là thách thức ñến từ hiện tượng pha-ñinh ña ñường gây ra

Trong môi trường truyền thông không dây, tín hiệu phát ñến ñược nơi thu qua nhiều ñường khác nhau do sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ gây nên Tín hiệu thu ñược

sẽ gồm nhiều tín hiệu chồng chập mà mức ñộ thăng giáng cường ñộ và pha là khác

nhau Xét cho cùng thì ựó không phải do nhiễu gây nên, mà ựó là một dạng của tắn hiệu phát bị biến dạng và nó cũng mang thông tin của tắn hiệu phát Nếu tận dụng ựược những thông tin ấy ựể nâng cao chất lượng bên thu thì sẽ tăng ựáng kể tỉ số tắn hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio)

Một ưu ựiểm chắnh của hệ thống truyền thông không dây là khả năng di ựộng của các thiết bị ựầu cuối thông tin đó cũng là một thách thức cho quá trình thu Khi máy thu và máy phát chuyển ựộng tương ựối với nhau bằng vận tốc khác không, tần số tại máy thu sẽ bị xê dịch so với tần số gốc một lượng nhất ựịnh tùy thuộc vào vận tốc di chuyển, người ta gọi ựó là hiệu ứng Doppler

để giải quyết ựược vấn ựề tăng tốc ựộ và ựộ tin cậy truyền tin, có hai kỹ thuật chắnh ựược sử dụng ựó là phân tập thời gian và phân tập tần số

Phân tập thời gian dựa vào những thông tin ựược phát lặp lại ở bên phát còn phân tập tần số dựa trên cơ sở phát lặp ở những dải tần khác nhau Tuy vậy, cả hai giải pháp ựó ựều gây nên sự lãng phắ về tốc ựộ truyền cũng như băng tần Một giải pháp kỹ thuật khác ựã khắc phục ựược phần nào những khuyết ựiểm của hai kỹ thuật trên, ựó là phân tập không gian hay còn ựược gọi là phân tập anten Phương pháp này sử dụng những thông tin phát ở nhiều anten khác nhau mà không ảnh hưởng ựến sự vi phạm về dải tần cũng như tốc ựộ truyền thông tin Tương tự như bên phát, tại bên thu cũng có thể sử dụng nhiều anten ựể Ộgom lạiỢ tối ựa những thông tin thu ựược ựể quyết ựịnh giải mã những thông tin ựã phát Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu ựược gọi là hệ thống MIMO

Thông qua bộ mã hóa không gian-thời gian STC (Space-Time Code), ghép kênh không gian SM (Spatial Multiplexing) bên phát và phương pháp tổ hợp tắn hiệu ựầu thu, hệ thống MIMO có thể tăng dung năng kênh mà không cần tăng dải tần và công suất phát Bên cạnh ựó, với việc mã hóa và giải mã trực giao, thông tin phục hồi tại bên thu có thể tăng ựộ tin cậy, giảm thiểu lỗi kênh truyền Cộng với việc tận dụng thông tin kênh truyền có ựược tại bộ thu, mà máy phát ựiều chỉnh công suất phát hợp lý ựể nâng cao chất lượng hệ thống

Nếu như ở những hệ truyền thông vô tuyến một anten phát - một anten thu SISO (Single Input Single Output) hiện tượng pha-ựinh ựa ựường gây khó khăn lớn cho

bộ thu thì với hệ MIMO, nó lại ựược chuyển hóa thành tắn hiệu có ắch, tạo nên một

lợi thế nhất ñịnh Từ ñó, năng lượng tín hiệu thu ñược cải thiện ñáng kể từ những tín hiệu có ích, làm tăng tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu và rất hữu ích cho việc quyết ñịnh tín hiệu phát ban ñầu

Tuy nhiên, khi tín hiệu ñược phát trong môi trường pha-ñinh ña ñường, trải trễ do kênh gây ra sẽ rất lớn Khi muốn tăng tốc ñộ truyền tin, nghĩa là phải giảm chu kỳ

ký hiệu của thông tin phát Lúc ñó, trải trễ sẽ lớn hơn chu kỳ ký hiệu và gây ra kênh

sự giảm chọn lọc tần số, tín hiệu sẽ bị méo dạng và dễ gây ra nhiễu xuyên ký hiệu ISI (Intersymbol Interference)

Như vậy, kỹ thuật MIMO ñã tận dụng thông tin dư thừa trong miền không gian làm tăng dung năng kênh và ñộ tin cậy trong truyền tin, nhưng lại vướng phải một vấn ñề về ñặc tính chọn lọc tần số của kênh trong môi trường ña ñường

1.2 Ưu ñiểm của hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO cung cấp các ưu ñiểm sau:

- ðộ lợi dàn: Do sử dụng nhiều anten, ñộ lợi dàn tăng làm tăng vùng phủ sóng và

cự ly ðiều này có lợi cho các vùng xa xôi ít người khi có thể sử dụng ít các trạm thu phát gốc BTS (Base Tranceiver Station) hơn Mặt khác, cũng có thể giảm công suất phát của các thiết bị ñầu cuối nhờ tăng ñộ lợi của BTS thu

- ðộ lợi phân tập: Công suất tín hiệu trong kênh không dây dao ñộng ngẫu nhiên

(hoặc yếu dần) Phân tập là một kỹ thuật mạnh ñể truyền tín hiệu trong môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời gian, tần số và không gian ñể phía thu có thể thu chính xác tín hiệu phát ðiều này sẽ làm giảm tỉ lệ lỗi bit

Có thể sử dụng phân tập không gian (anten), phân tập thời gian hay phân tập tần số Tuy nhiên, phân tập không gian ñược ưu thích hơn vì nó không tiêu tốn thời gian và băng thông truyền dẫn

- ðộ lợi ghép kênh không gian: Kênh MIMO ñưa ra sự tăng tuyến tính của dung

lượng mà không tiêu tốn thêm công suất và băng thông ðộ lợi này ñược thực hiện bằng việc phát các tín hiệu ñộc lập từ các anten riêng biệt

- Giảm giao thoa: Giao thoa ñồng kênh xuất hiện do việc tái sử dụng tần số trong

kênh không dây Khi ña anten ñược sử dụng, sự phân biệt giữa các dấu hiệu không gian của tín hiệu mong muốn và tín hiệu ñồng kênh có thể ñược khai thác ñể giảm giao thoa

- Kết hợp công suất: Trong trường hợp có M anten ñược thực hiện ở ñường xuống

và mỗi anten ñược ñiều khiển bởi 1 bộ khuyếch ñại công suất với tốc ñộ tương ñương ở trường hợp 1 anten, hệ số kết hợp công suất sẽ là 10log10(M)

1.3 Mô hình kênh MIMO

Hình 1.1 Hệ thống MIMO có nT ăng-ten phát và nR ăng-ten thu

Khi chỉ có một anten phát và một anten thu, hệ thống suy biến thành hệ thống

anten phát và một anten thu thì ñó là hệ MISO (Multi- Input Single-Output), ngược

SIMO (Single-Input Single-Output)

Với mô hình trên, mỗi kênh truyền dẫn giữa một cặp anten phát i và anten thu

j là một kênh vô tuyến có ñáp ứng kênh truyền là hj,i, j = 1,2, , nR, i = 1,2, , nT

Các kênh thành phần này có thể ñộc lập hoặc tương qua với nhau

Tại một thời ñiểm nhất ñịnh, các tín hiệu x1, x2, , xn

trên nT ăng-ten phát Sau ñó tại bên thu ñã nhận ñược các tín hiệu y1, y2, ,y

y1 y2

ynr ynr

y = Hx + w (1.1)

n 2 1 T

n 2

1y y R ,x x x x T

hiệu T phía trên ñể biểu thị phép chuyển vị trong ma trận, cụ thể ở ñây là chuyển từ véctơ sang biểu diễn dạng véctơ cột

n 2

1w w R

w

Gaussian Noise) Từng thành phần, wj, j = 1,2, ,nR, có giá trị ngẫu nhiên theo phân

wj ∼ N (0,σ2)

Nếu N véctơ X1, X2, , XN ñược phát liên tiếp, dữ liệu thu ñược sẽ là X1, X2, ,

Trong ñó: Y = [Y1 Y2 YN], X = [X1 X2 XN], W= [W1 W2 WN] là các thành phần tín hiệu thu, tín hiệu phát và nhiễu

ðể biểu diễn và thuận tiện trong quá trình mô phỏng tính toán, người ta cũng thường dùng các biến ñổi qua lại từ ma trận (biểu diễn bằng mảng hai chiều) sang hàng, cột dữ liệu (biểu diễn bằng mảng một chiều) và ngược lại Phép biến ñổi véctơ hóa dùng ñể chuyển ñổi từ mảng nhiều chiều sang mảng một chiều Nếu ñặt

yvec = vec(Y), hvec = vec(H) và wvec= vec(W), thì biểu thức (1.2) có thể ñược viết lại dưới dạng như sau:

vec vec

n T

lượng phụ thuộc vào môi trường lan truyền cũng như sự phân cực hóa của các thành phần anten và khoảng cách giữa chúng

Một mô hình khả thi với H là tách sự tương quan pha-ñinh hệ thống thành 2

thành phần ñộc lập, tương quan phát (transmit correlation) và tương quan thu (receive correlation), ñược mô hình như sau [5]:

2 / 1 t w 2 / 1

r H RR

phương sai 1 và ký hiệu (⋅)1/2 là căn Hermitian bậc 2 của ma trận

phát và mô hình hiệp phương sai của các cột của H tương ứng

Một ñiều quan trọng khác của kênh vô tuyến mà không thể không quan tâm,

ñó là hiện tượng pha-ñinh ña ñường Khi không gian lan truyền sóng mở rộng theo thời gian cũng như khoảng cách, tín hiệu phát không chỉ truyền thẳng mà một phần

bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ bởi môi trường Nó làm cho tín hiệu thu không còn là duy nhất mà ñược tổng hợp, chồng chập của các tín hiệu ñến trễ, có cường ñộ, pha

là khác nhau ðể biểu diễn cả hiện tượng pha-ñinh ña ñường ấy vào trong mối liên

hệ lối vào-lối ra bằng ma trận, trước hết ta biểu diễn ñáp ứng kênh truyền ứng giữa máy phát thứ i và máy thu thứ j bằng:

Trong ñó, L là ñộ trễ lớn nhất trong kênh ña ñường, hj,i (k), k = 0,1, , L - 1 là

ñộ tăng ích với từng thành phần ña ñường

Từ ñó, biểu thức liên hệ giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát có thể ñược viết dưới dạng:

)k(w)k(x

)k(x

hh

hh

)k(y

T T R R

T

n 1

n , n 1

, n

n , 1 1

, 1

1.4 Dung năng kênh MIMO

1.4.1 Dung năng kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO

Năm 1948, Shannon lần ñầu tiên ñề xuất dung năng kênh cho kênh nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN) có giá trị bằng:

s/bits

P1logB

Dung năng kênh SISO

Với nT = nR = 1, hệ thống trên hình 1.1 trở thành hệ SISO Lúc ñó ma trận kênh suy biến thành hệ số nhân, H → h Vậy nên dung năng hệ thống SISO trở thành:

Hz bps h P

C SISO log 1 2 /

2 0

Dung năng kênh SIMO

Với nT = 1, nR > 2, hệ thống trở thành hệ SIMO và ma trận kênh suy biến

tín hiệu từ anten bên phát Chưa kể ñến việc xử lý tín hiệu tại bên thu, năng lượng thu ñược ñã tăng lên ñáng kể Vậy nên dung năng kênh SIMO ñược tính bằng:

2 j 2

0 2

trường hợp này, dung năng kênh tăng theo hàm loga của cả tỉ số SNR và số lượng

anten thu nR Do vậy dung năng kênh SIMO chắc chắn sẽ lớn hơn trường hợp hệ SISO Chất lượng thực của hệ phụ thuộc vào bản chất của kênh và ñộ tương quan giữa các anten

Dung năng kênh MISO

Hz/bpsh

n

P1log

n

1 i

2 i 2

T 0

2 MISO

=

Nhìn vào công thức dung năng trường hợp SIMO và MISO ta dễ nhận thấy rằng

= n

1 m

2 m

ñây chính là công suất phát của mỗi anten Do giới hạn về tổng công suất phát, nên

năng kênh MISO nhỏ hơn dung năng kênh SIMO

Dung năng kênh MIMO

Dạng tổng quát của dung năng kênh MIMO là:

Hz/bpsHPH

1Idetlog

2 2

1.4.2 Dung năng kênh UT, IT

Bên phát không biết thông tin kênh (Uninformed-Transmitter)

Khi không biết thông tin về kênh tại bên phát, công suất phát tại các anten sẽ ñược phát ñều Khi ñó, dung năng kênh MIMO có dạng:

Hz/bpsHH

n/PIdetlog

2 T o 2

ðể tìm hiểu những ñặc tính của H, chúng ta có thể thực hiện phân hoạch ma trận

H theo giá trị kỳ dị SVD (Singular Value Decomposition) ñể chéo hóa và tìm giá trị

U(nR x nR) và V (nT x nT) là ma trận thỏa mãn ñiều kiện: UUH = VVH = I D(nR x nT) là ma trận không âm, và ñường chéo có giá trị:

với diag(A) là véctơ bao gồm các phần tử ñường chéo của A, λ1, λ2, , λm là các trị

R T H

T R H

nn,HH

nn,HH

(1.17)

Hình 1.2 Minh họa kênh theo trị riêng

Phép biến ñổi SVD chỉ ra rằng ma trận H có thể chéo hóa thành một số lượng kênh con ñộc lập trực giao, có công suất ứng với kênh thứ i là λ1

Do ñó, ta có thể viết lại như sau:

w~x

~Dy

Tương tự, phương trình (1.14) có thể viết lại:

Hz/bpsn

/P1log

Bên phát ñã biết thông tin kênh (Informed-Transmitter)

Khi ñã biết thông tin kênh tại bên phát, người ta áp dụng phương pháp "ñổ ñầy" (waterfilling) ñể tối ưu hóa công suất tín hiệu phát ðịnh lý "ñổ ñầy" chỉ ra rằng cần phân chia tổng công suất phát vào từng kênh con Với kênh có ñộ tăng ích thấp thì công suất phát thấp ñi và thậm chí là bằng 0 vì công suất phát bị hạn chế:

∑

=

=T

n

1 i

0

kênh MIMO khi ñó ñược xác ñịnh như sau:







σ

λ+

=∑

i i n

1 i 2 IT

P1log







σ

λ+

2 i i n

1

PP

L

P1log

Các công suất phát thành phần ñược xác ñịnh thông qua ñạo hàm của Z:

0P

P1

/2n

1P

Z

2 i i

2 i

i

=

−σλ+

σλ

Hình 1.3 Minh họa ñịnh lý "ñổ ñầy"

Dễ nhận thấy rằng, một số thành phần có nhiễu quá cao nên công suất phát bằng

0 ðể thể hiện ñiều ñó, biểu thức (1.22) ñược viết lại như sau:

1.5 Mã hóa không gian - thời gian và ghép kênh không gian

1.5.1 Các kỹ thuật phân tập

Trong truyền thông di ñộng không dây, các kỹ thuật phân tập ñược dùng rộng rãi

ñể giảm tác ñộng của pha - ñinh ña ñường và cải thiện ñộ tin cậy của truyền dẫn mà không tăng công suất phát hay băng thông Phân tập nhằm tạo ra các bản sao tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả ñều mang cùng thông tin nhưng sự tương quan về thống

kê pha-ñinh là nhỏ Ý tưởng của phân tập là tạo ra hai hay nhiều mẫu ñộc lập của tín hiệu ñược phát ñi và suy giảm trên ñường truyền với mức ñộ suy giảm khác nhau ðiều này có nghĩa là xác suất ñể toàn bộ các mẫu ñồng thời thấp hơn ngưỡng cho trước là nhỏ hơn xác suất của mỗi mẫu riêng biệt nhỏ hơn ngưỡng ấy Do vậy, một

tổ hợp thích hợp của những mẫu tín hiệu ấy làm giảm ảnh hưởng của pha-ñinh và

do vậy cải thiện ñược ñộ tin cậy trong truyền dẫn

Dựa vào ñặc tính phân tập theo miền mà người ta phân loại các kỹ thuật phân tập

thành 3 loại: Phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian

Phân tập thời gian

Phân tập thời gian có thể ñạt ñược bằng cách phát những mẫu tin giống nhau trong các khe thời gian khác nhau, kết quả là có ñược các tín hiệu pha-ñinh không tương quan tại ñầu thu Yêu cầu của phương pháp này là khoảng thời gian giữa các lần phát bản sao phải ít nhất bằng thời gian kết hợp của kênh Trong truyền thông di ñộng, mã sửa sai ñược kết hợp với bộ xáo trộn ñể ñạt ñược phân tập thời gian Trong trường hợp này, những bảo sao của tín hiệu phát thường ñưa tới bên thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian bằng bộ mã sửa sai Khoảng thời gian tách biệt giữa các bản sao của tín hiệu phát ñược tạo ra bằng bộ xáo trộn ñể thu ñược các pha-ñinh ñộc lập tại lối vào của bộ giải mã Vì thời gian xáo trộn dẫn tới giải mã trễ,

kỹ thuật này thường rất hiệu quả với môi trường pha-ñinh nhanh (tốc ñộ di chuyển lớn) khi mà thời gian kết hợp là nhỏ Với kênh pha-ñinh chậm, một bộ xáo trộn lớn

có thể dẫn tới trễ rất lớn và không thể dùng cho những ứng dụng thời gian thực như video, âm thanh, Chính vì vậy, phân tập thời gian không thể giúp giảm ñược suy hao pha-ñinh Một nhược ñiểm nữa ñó là mô hình này tạo ra dư thừa miền thời gian, nghĩa là làm lãng phí băng thông

Phân tập không gian

Phân tập không gian là kỹ thuật phổ biến trong truyền thông vi sóng không dây và còn ñược gọi là phân tập ăng-ten Kỹ thuật này sử dụng nhiều ăng -ten hay những dãy anten sắp xếp cùng nhau trong không gian ñể truyền hay nhận tín hiệu Những anten này ñược ñặt cách nhau một khoảng thích hợp ñể các tín hiệu trên từng ăng-ten không tương quan [5] Khoảng cách này thay ñổi theo ñộ cao anten, môi

trường lan truyền và tần số Thường thì khoảng cách này bằng khoảng một vài bước sóng là ñủ ñể có ñược những tín hiệu không tương quan Trong phân tập không gian, những bản sao của tín hiệu phát thường ñược gửi tới máy thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian Không như phân tập thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm suy giảm hay mất mát về hiệu suất phổ Tính chất này cho thấy ñây là kỹ thuật thích hợp với sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến tốc ñộ dữ liệu cao trong tương lai

Phân tập phân cực và phân tập góc là hai ví dụ về phân tập không gian Trong phân tập phân cực, các tín hiệu phân cực ngang và phân cực dọc ñược phát bởi hai anten phân cực khác nhau và nhận bởi hai anten phân cực khác Các phân cực khác nhau ñảm bảo rằng hai tín hiệu là không tương quan mà không cần ñặt anten ở khoảng cách xa Phân tập góc thường ñược dùng cho truyền dẫn có tần số sóng mang lớn hơn 10GHz Trong trường hợp này, vì những tín hiệu phát bị phân tán nhiều trong không gian, những tín hiệu thu từ các hướng khác nhau là ñộc lập với nhau Do vậy hai hay nhiều anten ñịnh hướng có thể ñược ñặt theo những hướng khác nhau ở bên thu ñể nhận ñược bản sao ñộc lập của tín hiệu phát

Tùy thuộc vào những anten ñược dùng cho việc phát hay thu, chúng ta có thể phân loại phân tập không gian thành hai loại: phân tập phát và phân tập thu Trong phân tập thu, nhiều anten ñược dùng tại bên thu ñể "thu gom" các bản sao của tín hiệu phát Những bản sao này ñược tổ hợp thích hợp ñể tăng tỉ số SNR và khử bớt pha-ñinh ña ñường Trong phân tạp phát, những anten ñược dùng tại bên phát Những thông tin ñược xử lý và phát trên các anten Phân tập phát sẽ ñược nói chi tiết hơn ở phần sau

Trong hệ thống truyền thông thực tế, ñể ñạt ñược những yêu cầu về chất lượng

hệ thống, có thể phải kết hợp hai hay nhiều kỹ thuật phân tập gọi là phân tập ña chiều (multidimensional diversity) Ví dụ, trong hệ thống mạng tổ ong GSM, nhiều anten thu ở trạm cơ sở ñược dùng kết hợp với việc xáo trộn và mã ñiều khiển lỗi (error control coding) ñể ứng dụng cả hai kỹ thuật phân tập không gian và phân tập thời gian

Có hai kỹ thuật chính ñể thực hiện ñược việc phân tập anten trong hệ thống MIMO là mã hóa không gian - thời gian STC và ghép kênh không gian SM

Tx 1

Tx n T

1.5.2 Mã hóa không gian - thời gian

thời gian Tại thời ñiểm t, một khối m ký hiệu thông tin nhị phân

m t 2 t 1 t

1 (c,c , ,c

ñược ñưa vào bộ mã hóa không gian thời gian Bộ mã hóa không gian - thời gian

T n t 2 t 1 t

1 (x ,x , ,x )

t

x , 1< i < nT, ñược phát ở ăng-ten i và toàn bộ các ký hiệu phát cùng thời gian phát TS Véctơ các ký hiệu mã hóa ñược phát tại thời ñiểm t trên các anten ñược chỉ ra trong biểu thức (1.29) còn ñược gọi là

ký hiệu không gian - thời gian

Mã không gian - thời gian ñược phân ra làm hai loại: mã khối không gian - thời

STBC

Mã hóa STBC

Hình 1.4 chỉ ra cấu trúc bộ mã hóa STBC Nói chung, một mã STBC ñược

là số chu kỳ ký hiệu phát của một khối mã

Hình 1.4 Mã hóa STBC

Nguồn tin Khối mã Không gian-thời gian Mã khối

Giả sử rằng chòm sao tín hiệu bao gồm 2m ñiểm Tại mỗi thời ñiểm mã hóa, một khối gồm km bít thông tin ñược xạ vào chòm sao tín hiệu ñể tạo ra k tín hiệu ñiều chế x1, x2, , xk.k tín hiệu ñược mã hóa bằng bộ mã hóa STBC ñể tạo ra nT chuỗi tín hiệu song song có chiều dài p theo ma trận truyền dẫn X Các chuỗi tín hiệu này

Trong mã STBC, số lượng ký hiệu lối vào của STBC trong một lần mã hóa là k

Số chu kỳ cần ñể phát mã khối ñó trên những anten phát là p Nói cách khác, có p

ký hiệu không gian - thời gian ñược phát từ mỗi anten cho mỗi khối gồm k ký hiệu ñầu vào Tốc ñộ của mã STBC ñược ñịnh nghĩa bằng tỉ số giữa số ký hiệu ñã ñem

mã hóa và số chu kỳ phát hết khối ñó trên các anten:

Hiệu suất phổ của mã STBC là:

p

kmr

mRrB

với rb và rs là tốc ñộ bít và tốc ñộ ký hiệu, và B là dải thông

Lối vào của ma trận truyền dẫn X là tổ hợp tuyến tính của k ký hiệu ñiều chế

x1, x2, , xk và liên hợp phức x*1,x*2, ,x*k ðể ñạt ñược mức phân tập phát ñầy ñủ

X XH = c

T

n 2 k 2

2 2

I là ma trận ñơn vị nT x nT Hàng thứ i của X chính là những ký hiệu phát từ anten thứ i một cách liên tiếp trong

ăng-ten phát tại thời ñiểm thứ j Phần thứ của X trong hàng thứ i và cột thứ i, ký hiệu là

xi,j, (i = ,2, , nT, j =1 ,2, , p) là tín hiệu phát từ anten i tại thời ñiểm j

Từ ñó chỉ ra tốc ñộ của mã STBC có phân tập phát ñầy ñủ nhỏ hơn hoặc bằng 1, R<1 Mã có tốc ñộ R =1 thì không cần mở rộng băng tần, nhưng khi mã có R<1 thì ñòi hỏi phải tăng tốc ñộ lấy mẫu, nghĩa là mở rộng băng thông 1/R Với các mã

khối, các chuỗi tín hiệu từ 2 anten phát bất kỳ là trực giao Ví dụ, nếu chúng ta giả

sử rằng xi = (xi,1, xi,2, , xi,p) là tín hiệu phát từ anten thứ i, i = 1,2, , nT, ta có:

i

x xj = ∑

= p

ML (Maximum Likelihood) ñơn giản, chỉ dựa trên xử lý tuyến tín các tín hiệu thu

Giải mã STBC

Giả thiết cột ñầu tiên của mã khối STBC là véctơ [x1, x2, xn

T ]T Các cột khác của ma trận mã Xn

Tlà ký hiệu ñược hoán vị cùng biến ñổi liên hợp phức và dấu

hiệu ∈t (i) và dấu của vị trí tương ứng là sgnt (i)

Ta cũng giả thiết là hệ số kênh truyền giữa các cặp anten thu phát không thay ñổi trong p chu kỳ ký hiệu liên tiếp, nghĩa là:

t

T n

1 j

T

* ) , j j i 1 n

1 t

n,

2,1i,hr)i(

Do ñặc tính trực giao của các hàng trong ma trận tín hiệu phát, nên việc tìm số ño

ML nhỏ nhất

2 n

1 i

i t i , j j

t n

1 j n

1 t

T R

T

xh

t , j n

1 j n

1 t

2 i i n

1 i

x1hx

2 i 2

t , j n

1 j n

1 t

2 i

Hình 1.5 là sơ ñồ khối quá trình mã hóa Alamouti

Hình 1.5 Sơ ñồ khối mã hóa Alamouti

Giả thiết rằng mô hình dùng ñiều chế cơ số M Trong bộ mã hóa Alamouti, ban

* 2 1

x x

x x

Lối ra bộ mã hóa ñược phát thành hai chu kỳ liên tiếp bằng hai anten phát

anten 1 và anten 2 Trong chu kỳ thứ hai, tín hiệu -x*2 ñược phát ở anten 1 và x*1

phát ở ăng-ten 2, dấu * ñể biểu thị giá trị liên hợp phức

Rõ ràng là việc mã hóa ñược làm cả trong miền không gian và miền thời gian ðể

ký hiệu cho chuỗi tín hiệu phát từ anten thứ nhất và anten thứ 2, ta biểu diễn bằng:

1 2 2

* 2 1 1

,

,

x x x

x x x

2

* 2 1

* 2 t 2

1 t

1 t 2

x x

Tx n T

1 2

* 2 1 2 1

x x

x x x

x

2 2 2 1 H

xx0

0x

xX

X

(1.43) = (x12 + x22) I2

với I2 là ma trận ñơn vị 2x2

Tại bên thu, tín hiệu thu ñược từ hai anten tại hai thời ñiểm t và t+T là:

j 2

* 1 2 , j

* 2 1 , j j 2

j 1 2 2 , j 1 1 , j j 1

wxhxhr

wxhxhr

++

=

++

* j 2 2 , j j 1

* 1 , j 1

2 i , j 2

1 j 2

1 i

2

1 j

* j 2 2 , j j 1

* 1 , j 1

whwhx

h

rhrhx

* j 2 1 , j j 1

* 2 , j 2

2 i , j 2

1 j 2

1 i

2

1 j

* j 2 1 , j j 1

* 2 , j 2

whwhx

h

rhrhx

1 2

1 j

2 2 , j 2 1 , j S

x 1

2 2

1 j

2 2 , j 2 1 , j S

x 2

2

)

)

(1.48)

* Mã lưới không gian - thời gian (STTC )

Mã STBC có thể ñạt ñược mức phân tập tối ña với một thuật toán giải mã ñơn giản ðây là mã rất ñược quan tâm vì tính ñơn giản của nó Tuy nhiên nó lại không

có ñộ lợi mã hóa (coding gain), trong khi tỉ lệ (tốc ñộ) mã hóa không cao ðối với

mã STTC lại có ñược ñộ lợi mã hóa, hiệu suất phổ cao và cải thiện ñược mức phân tập trên kênh pha-ñinh phẳng

Cấu trúc bộ má hóa STTC

Với mã STTC, bộ mã hóa ánh xạ dữ liệu nhị phân thành ký hiệu ñiều chế Phép ánh xạ ñược thực hiện theo sơ ñồ lưới

phát như hình 1.8 Dòng dữ liệu lối vào:

với ct là tập gồm m = log2M bít thông tin tại thời ñiểm t:

t 2 t 1

x1 , 2 , , (1.52)

t 2 t 1

t,x , ,x

Quá trình mã hóa

hóa Toàn bộ lối ra sau bộ nhân tín hiệu ñược cộng mô-ñun M, cho lối ra bộ mã hóa

x = (x1, x2, , xnT) Kết nối giữa các phần tử ghi dịch và bộ cộng mô-ñun m có thể ñược mô tả bằng chuỗi các tập hệ số nhân:

[(g ,g , ,g ),(g ,g , ,g ), (g ,g , ,g )]

n , v 1

2 , v 1 1 , v 1

n , 1 1

2 , 1 1 1 , 1 1

n , 0 1

2 , 0 1 1 , 0 1

T 1 1

1 T

2 , v 2 1 , v 2

n , 1 2

2 , 1 2 1 , 1 2

n , 0 2

2 , 0 2 1 , 0 2

T 2 2

2 T

2 , v m 1 , v m

n , 1 m 2 , 1 m 1 , 1 m n , 0 m 2 , 0 m 1 , 0 m

T m m

m T

k j t k i , j m

l k

Hình 1.6 Mã hóa STTC Những lối ra này là phần tử của tập tín hiệu M-PSK Những tín hiệu ñiều chế có dạng ký hiệu không gian-thời gian phát tại thời ñiểm t: v = ∑ = m 1 k k v (1.55) với vk, k = 1,2, , m là bậc nhớ của nhánh mã hóa thứ k Giá trị của vk với chòm sao M-PSK ñược xác ñịnh bằng: vk =       + − M log 1 k x 2 (1.56) Trong ñó, toán tử  • là phép làm tròn thành số nguyên gần 0 hơn Tổng số trạng thái của bộ mã hóa lưới là 2v.m chuỗi tập hệ số nhân ñược gọi là các chuỗi sinh (generator sequence), vì chúng có thể mô tả ñầy ñủ cấu trúc mã ) ,

( g1v1,1 g1v1,nT D D D ∑ D C1 Cm ) , ( 2 2 , 2 2 1 , 2 v v g g ) , ( 1 2 , 0 1 1 , 0 g g ) ,

( 1 , 1 1 1 , 1 g nT g ) , (g02,1 g02,1 ) , , , ( 1 2 nT

x x x

) ,

2 , 1

2 1 ,

1 g g

Ví dụ, xét một mã STTC QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) ñơn giản có hai anten phát Bộ mã hóa bao gồm 2 thanh ghi dịch Cấu trúc bộ mã có bậc bộ nhớ

là v ñược chỉ ra trong hình 1.7

( g 10,1, g 10,2 )

(g11,1,g11,2) (g1v1,1,g1v1,2)

Hình 1.7 Bộ mã hóa STTC với trường hợp hai anten phát hai dòng bít nhị phân lối vào c (c ,c , ,c1, )và t 1 1 1 0 1 = c (c ,c , ,c2, )

t 2 1 2 0

ñược ñưa vào các nhánh ghi dịch trên và nhánh ghi dịch dưới Bậc nhớ của các nhánh ghi dịch lần lượt là v1 và v2, với v = v1 + v2 hai dòng lối vào ñược làm trễ và nhân với các cặp hệ số:

g1 =[(g ,g ),(g ,g ), ,(g ,g1 )]

2 , v 1 1 , v 1

2 , 1 1 1 , 1 1 2 , 0 1

1 ,

g2 = [(g ,g ),(g ,g ), ,(g ,g2 )]

2 , v 2 1 , v 2

2 , 1 2 1 , 1 2 2 , 0 2

1 ,

i

,

j

mô-ñun 4, ñược lối ra như sau:

D

D

D

D

∑

C2

C1

) , ( 1 2

t

x

) ,

2 , 1

2 1 ,

1 g g

) , ( g02,1 g02,1

, (g v22,1 g v22,

k j t k i , j 2

ñồng thời qua anten thứ nhất và thứ hai

Biểu diễn theo ña thức sinh

Bộ mã hóa STTC có thể ñược mô tả theo dạng ña thức sinh Xét bộ mã hóa không gian - thời gian có hai anten phát như hình 1.9 Chuỗi nhị phân lối vào của nhánh ghi dịch trên có thể ñược biểu diễn như sau:

DcDcDcc)D(

3 2 1 2 1 1 1 0

Tương tự, chuỗi nhị phân lối vào của nhánh ghi dịch dưới có thể viết là:

DcDcDcc)D(

3 2 2 2 2 1 2 0

i , 1 1 i , 0 1

j , j = 1,2, , v1 là các hệ số không phải nhị phân mà có thể nhận các giá trị 0,

cho nhánh dưới và anten phát i, i=1,2, có thể ñược viết là:

2 2 v 2 i , v 2

i , 1 2 i , 0 2

j , j = 1,2, , v2 là các hệ số không phải nhị phân, có thể nhận các giá trị 0, 1,

2, 3 với ñiều chế QPSK và v2 là bậc nhớ của nhánh dưới Chuỗi ký hiệu mã hóa phát từ anten i ñược cho bằng:

)D(G)D(c)D(G)D(c)D(

i 2 1

i 1

)D(G)D(c)D(c)D(x

2 i

1 i 2

1 i

2)D(

Có nghĩa là, lối ra của anten thứ nhất có ñược bằng cách ánh xạ trực tiếp từ chuỗi lối vào c1 và c2 vào trong chuỗi QPSK

Phân tập trễ DD (Delay Diversity)[1]

Giả sử các hệ số nhân với mô hình ñiều chế QPSK có hai anten phát bằng:

g1 = [(02), (20)]

trạng thái, ñược thể hiện bằng các nút trạng thái Bộ mã hóa lấy m = 2 bít làm lối

Mỗi nhánh ñược thể hiện bằng các cặp số c1t c2t /x1t x2t mà c1t và c2t là cặp bít lối vào

00/10 01/11 10/12 11/13

00/20 01/21 10/22 11/23

00/30 01/31 10/32 11/33

Hình 1.8 Sơ ñồ mã lưới ñiều chế QPSK bốn trạng thái với hai ăng-ten

Giả sử chuỗi lối vào là: c = (10, 01, 11, 00, 01, ), thì chuỗi lối ra sau bộ tạo

Với mã STTC, bộ giải mã dùng thuật toán Viterbi ñể thực hiện giải mã ML Giả thiết có biết thông tin kênh tại bộ thu (CSIR), với mỗi nhánh ñược ñánh dấu bằng giá trị (x1

t, x2

t, , xn T

cách Euclid giữa những ký hiệu thu giả thiết và những ký hiệu thu thật sự

2 n

1 i

i t i i , j j

t n

1 j

T R

xh

1.5.3 Ghép kênh không gian

Kỹ thuật ghép kênh không gian SM dùng cấu trúc BLAST (Bell Labs Layered Space-Time) ñể thực hiện ñược phân tập anten tại bên phát Với nT anten phát,

hiệu phát dạng các chuỗi ñược ánh xạ nối tiếp - song song (S/P) Phần này, chúng ta

sẽ tìm hiểu sơ qua về hai loại cấu trúc chính, ñó là phân lớp chéo D-BLAST (Diagonal-BLAST) và phân lớp dọc V-BLAST (Vertical-BLAST)

D-BLAST

Mã hóa

Bộ mã hóa sẽ sắp xếp không gian-thời gian tương ứng với lớp chéo Dòng bít thông tin ñến từ nguồn ñược phân kênh thành một vài dòng nhỏ (S/P) và mỗi dòng nhỏ ñược mã hóa riêng rẽ và ánh xạ vào những ký hiệu phức Sau ñó những ký hiệu của mỗi dòng ñược sắp xếp chéo theo không gian và thời gian Hình 1.9 cho thấy chỉ số anten và thời ñiểm cũng như những ký hiệu của mỗi lớp ñược phát, với một

Hình 1.9 Cấu trúc D-BLAST

Chỉ số

An ten

Thời gian Lớp 1 có thể tiếp tục

tại vị trí này

hệ thống có bốn anten phát Mỗi lớp có thể có số ký hiệu nhiều hơn số anten phát, nếu quá dài thì sắp thành hàng chéo tiếp theo như lớp số một chỉ ra dưới hình vẽ

Nhược ñiểm chính của bộ mã hóa này là lãng phí về không gian-thời gian Mỗi khối mới ñược phát ñi lại có không gian trống ở hai ñầu cuối khối mã do sự sắp xếp chéo tạo nên ðiều này làm cho D-BLAST không thể ñạt tới giới hạn dung năng Chính vì vậy chiều dài của khối mã hóa không nên quá ngắn, nhưng nếu quá dài thì

sẽ cần nhiều bộ nhớ trong quá trình giải mã

Mặt khác, vì những ký hiệu ñược trải ra các anten nên mô hình này ñã thực hiện ñược việc phân tập phát

Giải mã

Bộ giải mã bắt ñầu giải mã từng lớp một Trong chu kỳ ký hiệu ñầu tiên của khối, do tính chất chéo nên chỉ có một ký hiệu ñược phát ñi, nghĩa là các anten thu chỉ nhận tín hiệu của một ký hiệu Trên hình thì ñó là ký hiệu ñầu tiên của lớp một

Ta dễ dàng dò ñược ký hiệu ñầu tiên này Sau ñó, ký hiệu trong cùng lớp ñó ở chu

kỳ tiếp theo sẽ ñược giải ñiều chế với giả thiết coi tín hiệu ở cùng anten với ký hiệu ban ñầu là một can nhiễu Tương tự, với ký hiệu thứ hai của lớp một cũng ñược giải ñiều chế, Cho ñến khi tìm ñược hết các ký hiệu trong lớp một, dòng dữ liệu lớp một sẽ ñược giải mã

Hình 1.10 Giải mã D-BLAST

Dữ liệu chưa giải ñiều chế

Ký hiệu ñã giải ñiều chế

Ký hiệu ñang ñược giải ñiều chế

Ký hiệu ñược coi như can nhiễu

Khi lớp một ñã ñược giải mã, tín hiệu thu sẽ khử bỏ phần tín hiệu tương ứng, lúc này ñã mất ñi lớp một và bắt ñầu giải mã lớp hai Lặp lại cho ñến khi hết các lớp thì hoàn thành khối ñó và bắt ñầu thao tác với khối mới

Quá trình giải mã ñược minh họa trong hình 1.10, mã mỗi lớp chỉ gồm ba ký hiệu

V-BLAST

Mã hóa

Trong V-BLAST, dòng bít thông tin cũng ñược tách thành các dòng bít song song ánh xạ vào không gian phức tương ứng với một dạng ñiều chế như QAM, PSK, Khác với D-BLAST, các ký hiệu của một lớp không phát ñi ở các anten khác nhau mà chỉ ở một anten duy nhất Cách làm này loại trừ ñược sự lãng phí về không gian-thời gian, nhưng mấy ñi tính phân tập phát, vì mỗi dòng bị bó buộc trong anten của riêng nó

Mô hình này cũng ñược biết như là ñiều chế véctơ, và nó chỉ giải quyết ñược

vấn ñề chuyển từ nối tiếp sang song song (S/P) Tại một thời ñiểm nhất ñịnh, lối ra

k , n k ,

Trong tập các tín hiệu thu ñược, ta chọn lấy tín hiệu mạnh nhất nghĩa là tín hiệu ấy có tỉ số SNR lớn nhất ðể tách ñược ký hiệu ñó, ta coi các ký hiệu khác như

là can nhiễu Sau khi giải mã ñược ký hiệu ñó, ta khử phần tín hiệu do tín hiệu ñó tạo ra trong tín hiệu hỗn hợp tại bộ thu Tiếp tục chọn tín hiệu mạnh nhất trong số các tín hiệu còn lại ñể giải mã, cứ như vậy cho ñến tín hiệu cuối cùng Do vậy, ñể

−

Trong ñó, Ω là không gian mẫu của các tín hiệu phát

Bộ giải mã gần như tối ưu với việc giảm ñộ phức tạp dựa trên nguyên lý giải

mã hình cầu, nghĩa là quyết ñịnh tín hiệu gốc bằng khoảng cách Euclid nhỏ nhất

Phương pháp giải mã tuyến tính

Trong phương pháp này, hàm truyền sẽ ñược ước lượng và tìm nghịch ñảo của hàm truyền làm hệ số nhân với tín hiệu thu

yHyG

n T H

STTC cũng là mã có ñộ lợi phân tập ñầy ñủ và tốc ñộ mã hóa cao Bên cạnh

ñó có còn có ñược ñộ lợi mã hóa, nhưng thực hiện mã hóa và giải mã STTC lại khá phức tạp

Các phương pháp ghép kênh không gian luôn mang lại ñộ lợi về tốc ñộ mã hóa, nhưng không có ñộ lợi mã hóa Với cấu trúc V-BLAST thì không có một chút nào

về ñộ lợi phân tập, các ký hiệu của một lớp chỉ ñược phát ñi trên cùng một anten Hơn thế, nó luôn ñòi hỏi phải có số anten thu phải lớn hoặc bằng số anten phát Cấu trúc D-BLAST tuy có hơi phức tạp trong việc mã hóa và lãng phí ñôi chút trong hai

ñầu cuối của khối tin, nhưng lại không yêu cầu về số lượng anten thu nhiều hơn anten phát và ñặc biệt là có ñược ñộ lợi phân tập

1.6 Một số phương pháp tổ hợp ñầu thu [5]

Phần trước ñã trình bày về việc thực hiện phân tập phát bằng các mã không gian-thời gian và ghép kênh ðể hoàn thiện quá trình phát-thu, phần này sẽ trình bày

về các phương pháp tổ hợp tại bên thu ñể có ñược tín hiệu quyết ñịnh trước khi giải

mã

Nói chung, chất lượng của hệ thống truyền thông với các kỹ thuật phân tập phụ thuộc vào việc có bao nhiêu bản sao tín hiệu phát ñược tổ hợp tại bên thu ñể làm tăng tổng SNR Do ñó, những mô hình phân tập có thể cũng ñược phân loại theo các phương pháp phân tập sử dụng tại nơi thu Theo ñộ phức tạp trong thực hiện và mức ñộ thông tin kênh yêu cầu tại bên thu mà có thể phân loại thành bốn loại kỹ thuật tổ hợp chính: tổ hợp lựa chọn SC (selection combining), tổ hợp chuyển mạch SWC (switched combining), tổ hợp khuếch ñại ñồng ñều EGC (equal-gain combining) và tổ hợp tỉ số tối ña MRC (maximal ratio combining)

1.6.1 Tổ hợp lựa chọn

chu kỳ ký hiệu ñược lựa chọn làm lối ra, nghĩa là tín hiệu này ứng với tín hiệu tới tốt nhất Trong thực tế thì tín hiệu ñến là tổng của tín hiệu gốc và nhiễu, sẽ ñược lựa chọn vì ñể ño ñược SNR là rất khó

1.6.2 Tổ hợp chuyển mạch

Trong một hệ thống tổ hợp chuyển mạch SWC, bộ thu quét toàn bộ các nhánh phân tập và lựa chọn một nhánh cụ thể có SNR lớn hơn một ngưỡng cho trước Tín hiệu này ñược chọn làm lối ra, cho ñến khi SNR của nhánh ñó nhỏ hơn ngưỡng Khi

ñó, bộ thu lại bắt ñầu quét lại và chuyển sang nhánh khác Mô hình này cũng còn

ñược gọi là phân tập quét (scanning diversity)

So với phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch có chất lượng kém hơn vì phương pháp SWC không chọn lọc tín hiệu tốt nhất một cách liên tục Tuy nhiên, nó lại thực hiện ñơn giản hơn vì không yêu cầu giám sát các nhánh liên tục và ñồng thời

Với cả hai mô hình phân tập lựa chọn và phân tập chuyển mạch, tín hiệu lối ra chỉ bằng một trong những nhánh phân tập mà thôi Thêm nữa, chúng lại không yêu cầu bất kỳ một thông tin nào về kênh Do ñó, hai mô hình này có thể sử dụng ñể kết hợp với ñiều chế có liên kết cũng như ñiều chế không có liên kết

Hình 1.12 Phương pháp tổ hợp chuyển mạch

1.6.3 Tổ hợp tỉ số tối ña

Tổ hợp tỉ số tối ña MRC là một phương pháp tổ hợp tuyến tính Trong một bộ phận xử lý tổ hợp tuyến tính nói chung, các tín hiệu lối vào ñược ñánh trọng số riêng và cộng với nhau ñể làm thành tín hiệu lối ra Những hệ số có thể ñược lựa

chọn theo một vài cách Tín hiệu lối ra là một tổ hợp tuyến tính của các bản sao của tín hiệu nhận ñược:

∑

=

⋅α

Với ri, αi là tín hiệu thu và hệ số nhân của anten thứ i Trong tổ hợp tỉ số tối

ña, những hệ số nhân của các anten thu ñược chọn tỷ lệ với tỉ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu ðặt Ai và φi là biên ñộ và pha của tín hiệu thu ri Giả sử mỗi ăng-ten có cùng công suất nhiễu trung bình, hệ số nhân αi có thể biểu diễn dưới dạng:

1.6.4 Tổ hợp khuếch ñại ñồng ñều

Tổ hợp khuếch ñại ñồng ñều EGC là một phương pháp tổ hợp tuyến tính tối ưu

Nó không yêu cầu thông tin về biên ñộ pha-ñinh của mỗi nhánh Hệ số nhân với mỗi nhánh là 1

Theo phương pháp này, toàn bộ tín hiệu thu ñược làm ñồng pha và cộng lại với hệ số nhân bằng nhau Tuy chất lượng không bằng so với phương pháp tổ hợp tỉ

số tối ña nhưng ñộ phức tạp trong việc thực hiện lại ñơn giản hơn nhiều

Khi chỉ thu ñơn lẻ và lấy trung bình lỗi bít chất lượng sẽ rất kém Chất lượng tăng dần lên khi dùng phương pháp tổ hợp lựa chọn, tổ hợp khuếch ñại ñều và tổ hợp tỉ số tối ña Phương pháp MRC cho chất lượng tốt nhất, nhưng cái giá phải trả

là sự phức tạp trong khi thiết kế bộ thu Phương pháp EGC cho chất lượng kém hơn chút ít, nhưng ñộ phức tạp lại giảm ñi do chỉ phải ñồng bộ về pha

Với mỗi phương pháp, khi số anten thu tăng lên thì chất lượng cũng tăng theo Khi số lượng anten từ hai lên bốn thì chất lượng tăng ñáng kể Nhưng khi tăng từ sáu lên tám anten thì chất lượng cải thiện ít hơn Và ñến khi anten tăng ñến số lượng nhất ñịnh chất lượng sẽ ñạt ñến giới hạn

Chương 2: CÔNG NGHỆ LTE

Mục ựắch của chương này là trình bày về các kiến thức cơ bản của công nghệ LTE, Nội dung ựược trình bày trong chương bao gồm:

- Kiến trúc mạng LTE

- Giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của LTE

- Các thủ tục báo hiệu cơ bản

- LTE tiên tiến

2.1 Giới thiệu

Trong những năm gần ựây, một xu hướng ựang nổi lên trong các mạng ựường dây cố ựịnh là chuyển tất cả các dịch vụ chuyển kênh sang một hạ tầng cơ sở IP chuyển gói Trong thực tế, có thể thấy rằng các nhà cung cấp dịch vụ mạng ựường dây cố ựịnh ựang chuyển các dịch vụ ựiện thoại của họ sang một kiến trúc chuyển gói, cung cấp cả khả năng thoại và truy cập Internet thông qua modem ựường thuê bao số DSL (Digital Subscriber Line) hoặc cáp điều này có nghĩa là công nghệ chuyển kênh ựược thay thế bởi các giải pháp dựa trên VoIP (Voice over internet protocol: thoại qua giao thức internet) Trong các mạng không dây, xu hướng này chưa bắt ựầu đó chủ yếu là do sự thật là các kiến trúc mạng 3G và 3.5G hiện nay vẫn ựược tối ưu hóa cho thoại chuyển kênh ở cả mạng vô tuyến lẫn mạng lõi Ngoài ra, những kiểu thực hiện VoIP hiện nay làm tăng ựáng kể lượng

dữ liệu cần ựược truyền qua giao tiếp vô tuyến, nghĩa là có ắt cuộc gọi thoại ựược

xử lý ựồng thời hơn Tuy nhiên, bên cạnh những thách thức này, việc chuyển dịch

vụ ựiện thoại sang IP mang lại một số lợi ắch lớn, chẳng hạn như chi phắ xây dựng mạng rẻ hơn, và việc tắch hợp với những ứng dụng dựa trên IP khác

Trong lúc ựó, xu hướng chung là nhu cầu thông lượng truyền không ngừng tăng ựang làm nổi bật hơn những hạn chế của các mạng 3G và 3.5G hiện nay Vì thế, năm 2005 cơ quan chuẩn 3GPP ựã quyết ựịnh bắt ựầu chuẩn bị cho một kiểu mạng không dây thế hệ mới, chỉ dựa vào truyền dữ liệu chuyển gói Kế hoạch này ựã ựược thực hiện trong hai chương trình nghiên cứu LTE và SAE (Service

Architecture Evolution) Chương trình LTE tập trung vào thiết kế của một kiến trúc mạng vô tuyến và giao tiếp vô tuyến mới Sau ñó một chút, người ta bắt ñầu chuẩn bị thiết kế một hạ tầng mạng lõi mới với chương trình SAE LTE và SAE, chúng ñược kết hợp thành một chương trình làm việc duy nhất, gọi là chương trình EPS (Evolved Packet System) Tuy nhiên, lúc ñó cái tên viết tắt

“LTE” ñã trở nên phổ biến rồi và hầu hết các tài liệu vẫn tiếp tục gọi chương trình này là LTE thay vì EPS

Bên cạnh việc dựa trên gói hoàn toàn, những mục tiêu thiết kế sau ñây ñã ñược thiết lập cho mạng mới này

Giảm thời gian chuyển ñổi trạng thái: trong các mạng truy nhập gói tốc ñộ cao

HSPA (High Speed Packet Access) hiện nay, thời gian ñể một thiết bị người dùng

UE (User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng và bắt ñầu truyền thông tin trên một kênh truyền tải tốc ñộ cao là tương ñối dài ðiều này ảnh hưởng tai hại lên tính khả dụng (usability) của mạng, bởi vì người dùng có thể cảm nhận ñược khoảng thời gian trễ này trong khi truy cập một dịch vụ trên Internet sau một khoảng thời gian dài thụ ñộng Vì thế, người ta ñã quyết ñịnh rằng thiết kế mạng mới LTE phải có khả năng chuyển từ trạng thái rỗi sang nối kết ñầy

ñủ trong thời gian không ñến 100 ms

Giảm ñộ trễ ở mặt phẳng người dùng: một nhược ñiểm khác của các mạng tổ ong hiện nay là ñộ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng ñường dây cố ñịnh Trong khi hiện nay ñộ trễ một chiều giữa máy tính của một người dùng ở biên của một mạng DSL với Internet khoảng chừng 15 ms, thì các mạng HSPA có ñộ

chơi game thời gian thực ðối với LTE, người ta ñã quyết ñịnh rằng ñộ trễ trên giao tiếp vô tuyến phải ñạt ñược khoảng chừng 5 ms ñể ñạt ñến ñộ trễ truyền từ

UE này ñến UE kia tương ñương với ñộ trễ ở các mạng ñường dây cố ñịnh

Dải tần co giãn ñược: các mạng HSPA hiện bị hạn chế ở dải tần là 5 MHz Trong khi ñó, chỉ có thể ñạt ñến mức thông suất cao hơn thỏa ñáng bằng cách tăng dải tần của kênh truyền tải ðối với một số ứng dụng thì một kênh truyền tải

5 MHz lại quá rộng, và vì vậy người ta ñã quyết ñịnh rằng giao tiếp vô tuyến của

hệ thống mới LTE cũng phải có tính co giãn ñược (scalable) ở hướng còn lại

Thông suất gia tăng: ñối với hệ thống mới LTE, phải ñạt ñến một thông suất tối ña trong những ñiều kiện lý tưởng là 100 Mbit/s

Các mục dưới ñây sẽ mô tả chi tiết về công nghệ LTE

2.2 Kiến trúc mạng

2.2.1 Các trạm cơ sở cải tiến[4]

Hình 2.1 cho thấy các thành phần chính của một mạng lõi và mạng truy nhập

Control) nên ñược gỡ bỏ, và chức năng của chúng ñã ñược chuyển một phần sang các trạm cơ sở và một phần sang nút gateway của mạng lõi ðể phân biệt với các trạm cơ sở UMTS, các trạm cơ sở LTE ñược gọi là Enhanced NodeB (eNodeB) Bởi vì không còn phần tử ñiều khiển ở trung tâm trong mạng vô tuyến nữa, nên giờ ñây các trạm cơ sở thực hiện chức năng quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và bảo ñảm chất lượng dịch vụ ðiều này cũng ñã phần nào ñược thực hiện trong UMTS với sự xuất hiện của HSPA Tuy nhiên, các RNC vẫn ñiều khiển các kênh truyền tải dành cho dịch vụ thoại chuyển kênh

Ngoài ra, các trạm cơ sở giờ ñây còn chịu trách nhiệm thực hiện các cuộc chuyển giao cho các UE tích cực Vì mục ñích này, giờ ñây các eNodeB có thể liên lạc trực tiếp với nhau thông qua các ñường giao tiếp X2 Các ñường giao tiếp này ñược dùng ñể chuẩn bị những cuộc chuyển giao và cũng có thể ñược dùng ñể gửi chuyển tiếp dữ liệu người dùng (các gói IP) từ mạng cơ sở hiện tại sang mạng

cơ sở mới ñể giảm thiểu lượng dữ liệu người dùng thất thoát trong quá trình chuyển giao Bởi lẽ các ñường giao tiếp X2 không bắt buộc phải có (optional), nên các trạm cơ sở cũng có khả năng liên lạc với nhau thông qua gateway truy cập ñể chuẩn bị các cuộc chuyển giao Tuy nhiên trong trường hợp này, dữ liệu người dùng không ñược gửi chuyển tiếp trong quá trình chuyển giao Thế nghĩa là một số

dữ liệu ñã ñược mạng gửi ñi tới trạm cơ sở hiện tại có thể thất thoát, bởi vì sau khi một quyết ñịnh chuyển giao ñược thực hiện, nó phải ñược thi hành càng nhanh càng tốt trước khi ñường truyền vô tuyến mất ñi Không giống trong UMTS, các mạng vô tuyến LTE chỉ thực hiện các cuộc chuyển giao cứng, tức là vào mỗi thời

ñiểm chỉ có một cell liên lạc với UE

ðường giao tiếp nối các eNodeB với các nút gateway giữa mạng vô tuyến và mạng lõi là ñường S1 Nó hoàn toàn dựa trên giao thức IP, và vì vậy không biết gì

về công nghệ vận chuyển tầng thấp cả ðây là một khác biệt lớn với UMTS Trong UMTS, các ñường giao tiếp giữa các NodeB, các RNC và SGSN (Serving GPRS Support Node) nhất thiết dựa trên giao thức mốt truyền dẫn không ñồng bộ ATM (Asynchronous Transfer Mode) dành cho các tầng thấp Giữa RNC và NodeB, IP không hề ñược dùng cho việc gửi chuyển tiếp các gói.Tuy cho phép ñồng bộ hóa dễ hơn giữa các nút, song việc cần phải sử dụng ATM ñể vận chuyển dữ liệu trên các

tầng thấp khiến kết cấu không linh hoạt và phức tạp Trong những năm gần ñây, tình hình này càng tệ hơn bởi vì nhu cầu thông lượng tăng cao không còn ñược với những ñường truyền ATM trên các kênh E1 2 Mbit/s thỏa mãn nữa Vì vậy, chuẩn UMTS sau này ñã ñược cải tiến ñể cũng dùng IP làm một giao thức vận chuyển giữa mạng lõi và trạm cơ sở Nhưng LTE thì ngay từ ñầu ñã hoàn toàn dựa trên vận chuyển IP trong mạng vô tuyến Các trạm cơ sở ñược trang bị những cổng Ethernet

100 Mbit/s hoặc 1 Gbit/s quen thuộc trong thế giới máy tính cá nhân PC , hoặc các cổng cáp quang Gigabit Ethernet

2.2.2 ðường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy nhập vô tuyến [1]

Như ñược minh họa trong hình 2.1, nút gateway giữa mạng truy cập vô tuyến

và mạng lõi ñược phân ra thành hai thực thể logic: Serving Gateway (Serving-GW) và thực thể quản lý di ñộng MME (Mobility Management Entity) Kết hợp với nhau, chúng thực hiện những công việc tương tự như SGSN (Serving GPRS Support Node) trong các mạng UMTS vậy Trong thực tế, cả hai thành phần logic này có thể ñược thực hiện trên cùng một thiết bị phần cứng hoặc có thể ñược tách ra ñể có thể tăng giảm kích cỡ ñộc lập với nhau

MME là thực thể thuộc mặt phẳng ñiều khiển của LTE, chịu trách nhiệm những phần việc sau ñây:

* Báo hiệu quản lý phiên làm việc và quản lý tính di ñộng của thuê bao Phần việc này bao gồm những tác vụ như xác minh (hoặc nhận thực _ authentication), thiết lập các kênh truyền tải vô tuyến, hậu thuẫn việc chuyển giao giữa các eNodeB khác nhau và ñến/từ các mạng vô tuyến khác nhau (ví dụ như GSM, UMTS)

* Theo dõi vị trí của các UE trong chế ñộ rỗi, tức là trong khi không có kênh truyền tải vô tuyến nào ñược thiết lập bởi vì chúng ñã không trao ñổi các gói dữ liệu với mạng trong một quãng thời gian kéo dài

* Chọn lựa một gateway nối với Internet khi UE yêu cầu thiết lập một phiên làm việc, tức là khi nó yêu cầu mạng cấp một ñịa chỉ IP

Serving-GW chịu trách nhiệm ñối với mặt phẳng người dùng, tức là chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp các gói IP giữa các UE và Internet Các ñường hầm IP ñược

sử dụng trong mạng truy cập vô tuyến và mạng lõi ñể thay ñổi tuyến ñường của

của các gói IP khi người dùng ñược chuyển giao từ cell này sang cell khác trong khi di chuyển Giao thức GPRS Tunneling Protocol (GTP) ñược sử dụng lại cho mục ñích này, và cơ chế hoạt ñộng của nó cũng giống như ở UMTS Sự khác biệt với UMTS là, ñường hầm dành cho một người dùng trong mạng vô tuyến ñược kết thúc trực tiếp trong chính eNodeB chứ không còn trên một thành phần trung gian như RNC nữa Thế có nghĩa là BTS ñược nối trực tiếp qua một ñường truyền IP với Serving-GW, và có thể dùng các công nghệ mạng vận chuyển khác nhau chẳng hạn như Ethernet qua cáp quang hoặc cáp ñồng, DSL, vi ba, v.v Ngoài ra, thiết kế của ñường giao tiếp S1 ñơn giản hơn những ñường giao tiếp tương tự của các mạng vô tuyến trước ñó, vốn phụ thuộc nặng vào các dịch vụ của các giao thức tầng thấp phức tạp

Bởi vì ñường giao tiếp S1 ñược dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với Serving-GW) lẫn dữ liệu báo hiệu (nối với MME), nên kiến trúc của các giao thức tầng cao hơn ñược phân ra thành hai bộ giao thức khác biệt: S1-C và S1-U Giao thức S1-C (ñiều khiển) ñược dùng ñể trao ñổi các thông ñiệp ñiều khiển giữa một

UE và MME Như ñược trình bày bên dưới, các thông ñiệp này ñược trao ñổi qua các kênh “non-IP” ñặc biệt trên giao tiếp vô tuyến rồi sau ñó ñược NodeB ñặt vào trong các gói IP trước khi chúng ñược gửi chuyển tiếp ñến MME Tuy nhiên, dữ liệu người dùng ñã ñược truyền với tính cách các gói IP qua giao tiếp vô tuyến, và chúng ñược gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) ñến Serving-GW Nếu MME và Serving-GW ñược thực hiện riêng biệt, ñường giao tiếp S11 sẽ ñược dùng ñể liên lạc giữa hai thực thể ñó Cần có sự liên lạc giữa hai thực thể ñó,

ví dụ như ñể tạo ra các kênh truyền khi người dùng nối vào mạng, hoặc ñể sửa ñổi một ñường hầm khi một người dùng nào ñó di chuyển từ cell này sang cell khác Không giống như các mạng vô tuyến không dây trước ñó, khi một gateway của mạng truy nhập SGSN chịu trách nhiệm ñối với một số RNC nhất ñịnh và mỗi RNC ñến lượt nó lại chịu trách nhiệm ñối với một số trạm cơ sở nhất ñịnh, ñường giao tiếp S1 hậu thuẫn một kiến trúc nối kết mắt lưới (mesh) Thế có nghĩa là không phải chỉ một mà vài MME và Serving-GW có thể liên lạc với từng eNodeB,

và số lượng MME và Serving-GW có thể khác biệt ðiều này làm giảm số lượng

các cuộc chuyển giao liên-MME khi người dùng di chuyển, và cho phép số lượng MME phát triển ñộc lập với số lượng Serving-GW, bởi vì dung lượng của MME lệ thuộc vào tải trọng báo hiệu, còn dung lượng của Serving-GW lệ thuộc vào tải trọng dữ liệu truyền của người dùng Những dung lượng này có thể phát triển khác nhau qua thời gian, khiến cho việc phân cách các thực thể này rất ñáng thú vị Một kiến trúc mắt lưới của giao tiếp S1 cũng bổ sung tính dự phòng cho mạng Nếu một MME hỏng, ví dụ như vậy, thì một MME thứ hai có thể tự ñộng tiếp quản nếu

nó ñược ñịnh cấu hình ñể phục vụ những cell giống như MME kia Tác hại duy nhất của một cơ chế khôi phục tự ñộng khi gặp hỏng hóc như vậy là, những người dùng ñược phục vụ bởi MME hỏng phải ñăng ký lại với mạng Những khả năng mắt lưới của giao tiếp S1 ñược dùng trong thực tế như thế nào là tùy thuộc vào chính sách của các nhà cung cấp dịch vụ mạng và vào kiến trúc của mạng vận chuyển bên dưới

2.2.3 Gateway nối với Internet [4]

Cũng như trong các kiến trúc mạng trước ñó, một router tại biên của mạng lõi không dây sẽ che giấu tính di ñộng của người dùng khỏi Interne t Trong LTE, router này ñược gọi là PDN-GW (PDN Packet Data Network) và thực hiện những công việc giống như công việc của GGSN trong mạng UMTS vậy Ngoài việc che giấu tính di ñộng của người dùng, nó còn quản lý một quĩ ñịa chỉ IP và cấp phát các ñịa chỉ IP cho các UE nào ñang ñăng ký với mạng Tùy theo số lượng người dùng, một mạng có thể có vài PDN-GW Số lượng PDN-GW cụ thể tùy thuộc vào khả năng của phần cứng, số lượng người dùng, và lượng dữ liệu vận chuyển bình quân của mỗi người dùng Như ñược minh họa trong hình 2.1, ñường giao tiếp giữa PDN-

GW và các MME/Serving-GW ñược gọi là S5 Giống như ñường giao tiếp giữa SGSN và GGSN (Gateway GPRS Support Node) trong UMTS, nó sử dụng giao thức GTP-U (người dùng) ñể truyền xuyên hầm dữ liệu người dùng từ và ñến các Serving-GW, và giao thức GTP-S (báo hiệu) cho việc thiết lập ban ñầu ñường hầm

dữ liệu người dùng và những sự sửa ñổi ñường hầm sau ñó khi người dùng di chuyển qua lại giữa các cell ñược quản lý bởi những Serving-GW khác nhau

2.2.4 ðường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng

Một ñường giao tiếp quan trọng nữa trong các mạng lõi LTE là ñường giao tiếp S6 nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thuê bao Trong UMTS/GPRS/GSM, cơ sở dữ liệu này ñược gọi là HLR (Home Location Register) Trong LTE, HLR ñược sử dụng lại và ñược ñổi tên thành Home Subscriber Server (HSS) Về cơ bản, HSS là một HLR cải tiến, và chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS, UMTS, LTE và IMS (IP Multimedia Subsystem) Tuy nhiên không giống như trong UMTS, ñường giao tiếp S6 không dùng giao thức MAP (Mobile Application Part) dựa trên báo hiệu số 7 SS-7, mà dùng giao thức Diameter dựa trên IP HSS là một cơ sở dữ liệu kết hợp, và nó ñược sử dụng ñồng thời bởi các mạng GSM, UMTS và LTE thuộc cùng một nhà cung cấp dịch

vụ mạng Vì thế, ngoài ñường giao tiếp S6 dành cho LTE ra, nó tiếp tục hậu thuẫn ñường giao tiếp MAP truyền thống

2.2.5 Tương tác giữa những công nghệ vô tuyến khác nhau [4]

Trong thực tế, hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ mạng ñang triển khai một mạng LTE ñều có sẵn một mạng GSM và UMTS rồi Bởi lẽ vùng phủ sóng của một mạng LTE mới chắc chắn lúc ñầu sẽ rất hạn chế, cho nên nhất thiết các thuê bao phải có khả năng chuyển qua chuyển lại giữa các công nghệ mạng truy nhập khác nhau ñể không mất ñi ñường truyền cùng ñịa chỉ IP ñã ñược cấp phát Hình 2.2 cho thấy ñiều này ñược thực hiện trong thực tế như thế nào, khi một người dùng di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của một mạng LTE và vào vùng phủ sóng của một mạng UMTS thuộc cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng Khi người dùng

di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng LTE, UE báo cáo với eNodeB rằng ñã tìm thấy một cell UMTS (hoặc GSM) Báo cáo này ñược eNodeB gửi chuyển tiếp về MME nào mà liên hệ với SGSN 3G (hoặc 2G) chịu trách nhiệm cell ñó và yêu cầu tiến hành một thủ tục chuyển giao ðường giao tiếp ñược dùng cho mục ñích ñó ñược gọi là S3, và dựa trên giao thức ñược dùng cho các thủ tục ñịnh vị lại liên- SGSN Kết quả là không cần có sự sửa ñổi phần mềm nào trên SGSN 3G (hoặc 2G) ấy ñể hậu thuẫn thủ tục này cả Sau khi mạng vô tuyến 3G ñã ñược chuẩn bị cho cuộc chuyển giao rồi, MME sẽ gửi một lệnh chuyển giao ñến UE thông qua eNodeB

Sau khi việc chuyển giao ñã ñược thi hành xong, ñường hầm dữ liệu người dùng giữa Serving-GW và eNodeB ñược ñịnh tuyến lại ñến SGSN ấy Sau ñó MME ñược giải phóng khỏi trách nhiệm quản lý thuê bao, bởi vì nhiệm vụ này ñược SGSN ấy tiếp quản rồi Tuy nhiên Serving-GW vẫn còn trên ñường truyền dữ liệu người dùng thông qua ñường giao tiếp S4 và ñóng vai trò như một GGSN 3G theo quan ñiểm của SGSN Vì thế, theo quan ñiểm của SGSN thì ñường giao tiếp S4 ñược xem là ñường giao tiếp Gn 3G nối giữa SGSN và GGSN

2.2.6 Cuộc gọi gói

Một khác biệt lớn của LTE so với GSM và UMTS là, mỗi UE sẽ luôn luôn ñược cấp phát một ñịa chỉ IP ngay khi chúng ñăng ký với mạng ðiều ñó không áp dụng cho GSM và UMTS bởi vì các thiết bị 2G, 3G và 3.5G vẫn chủ yếu ñược sử dụng cho dịch vụ thoại, cho nên nối kết mạng mà không yêu cầu cấp phát ñịa chỉ

IP là hợp lý thôi Nhưng trong các mạng LTE, thiết bị nào không có ñịa chỉ IP thì hoàn toàn vô dụng Vì vậy, thủ tục nối kết mạng LTE ñã bao gồm sẵn việc cấp phát một ñịa chỉ IP rồi Xét theo quan ñiểm LAN/WLAN thì ñiều này chẳng có gì mới, nhưng xét theo quan ñiểm công nghiệp mạng tổ ong thì ñây là cả một cuộc cách mạng Vì thế với LTE, thủ tục “thiết lập một cuộc gọi gói” trong GPRS và UMTS, một thuật ngữ ñã ñược tạo ra với thói quen suy nghĩ cũ là thiết lập một ñường truyền chuyển gói nhằm giải quyết một cuộc gọi thoại, sẽ trở thành chuyện quá khứ Nhiều người trong giới công nghiệp mạng tổ ong sẽ phải thay ñổi sự hình dung của mình về thế giới di ñộng ñể thích nghi với ñiều này

2.3 Giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của LTE

Trong khi kiến trúc mạng LTE tổng quát chủ yếu chỉ là một sự cải tiến của kiến trúc mạng 3G, nên giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của LTE ñã ñược thiết

kế lại hoàn toàn từ ñầu Trong các chuẩn 3GPP, nơi thích hợp ñể bắt ñầu nghiên cứu sâu hơn về những gì ñược trình bày ở ñây là TS 36.300

2.3.1 Truyền dữ liệu hướng xuống [16]

ðối với việc truyền dữ liệu qua giao tiếp vô tuyến, người ta ñã quyết ñịnh dùng một phương thức truyền mới trong LTE, phương thức này hoàn toàn khác biệt với giải pháp CDMA của UMTS Thay vì dùng một kênh truyền tải qua một dải