KỸ THUẬT ĐA ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G+

KỸ THUẬT ĐA ANTEN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G+

-*** -Đồ ántốt nghiệp đại học

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên: Bùi Thị Thùy Dương

Nội dung của đồ án được chia thành ba phần chính như sau:

 Tổng quan về thông tin di động 3G+

 Tổng quan về kỹ thuật đa anten

 Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ và LTE

Ngày giao đồ án:……/ /2008

Ngày nộp đồ án: ……/11/2008

Ngày … tháng 11 năm 2008Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

KHOA VIỄN THÔNG 1

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày tháng 11 năm 2007

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày tháng 11 năm 2008

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

LỜI NÓI ĐẦU viii

CHƯƠNG 1 10

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G+ 10

1.1 Mở đầu 10

1.2 Sự phát triển của thông tin di động 10

1.3 Tổng quan HSPA+ 13

1.3.1 Khả năng của HSPA+ 14

1.3.2 Đặc tính của HSPA+ 14

1.3.2.1 MIMO 15

1.3.1.2 Điều chế bậc cao HOM 15

1.3.1.3 Kết nối gói liên tục CPC 16

1.4 Tổng quan công nghệ LTE 18

1.4.1 Các mục tiêu yêu cầu của LTE 19

1.4.1.1 Các khả năng của LTE 19

1.4.1.2 Hiệu năng hệ thống 20

1.4.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai 22

1.4.1.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến 24

1.4.1.5 Các vấn đề về mức độ phức tạp 24

1.5 Tổng kết 25

CHƯƠNG 2 26

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐA ANTEN 26

2.1 Mở đầu 26

2.2 Cấu hình đa anten 26

2.3 Lợi ích của kỹ thuật đa anten 27

2.4 Mô hình MIMO tổng quát 27

2.5 Kênh SVD MIMO 29

2.5.1 Mô hình kênh SVD MIMO 29

2.5.2 Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu 33

2.6 Đa anten thu 34

2.6.1 Mô hình kênh phân tập anten thu 34

2.6.2 Sơ đồ kết hợp chọn lọc SC 35

2.6.3 Sơ đồ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC 37

2.6.4 Kết hợp loại bỏ nhiễu IRC 39

2.7 Đa anten phát 43

2.7.1 Phân tập phát 43

2.7.1.1 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thu 43

2.7.1.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và Nr anten thu 48

2.7.1.1 Phân tập trễ 51

2.7.1.2 Phân tập trễ vòng CDD 52

2.7.1.3 Phân tập bằng mã hóa không gian thời gian 53

2.7.1.4 Phân tập dựa trên mã hóa không gian-tần số 54

2.8 Ghép kênh không gian 58

2.8.1 Nguyên lý cơ bản 58

2.8.2 Ghép kênh dựa trên tiền mã hóa 62

2.8.3 Xử lý bộ thu phi tuyến 64

2.9 Tổng kết 65

CHƯƠNG 3 67

KỸ THUẬT ĐA ANTEN TRONG HSPA+ VÀ LTE 67

3.1 Mở đầu 67

3.2 Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ 67

3.1.1 Truyền dẫn HSDPA-MIMO 68

3.1.2 Điều khiển tốc độ cho HSDPA-MIMO 72

3.1.3 HARQ kết hợp mềm cho HSDPA-MIMO 73

3.1.4 Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO 73

3.1.5 Hỗ trợ kênh điều khiển đường lên MIMO 76

3.1.6 Năng lực UE 81

3.3 Kỹ thuật đa anten trong LTE 83

3.3.1.Phân tập phát sử dụng mã hóa khối không gian- tần số hai anten SFBC 84

3.3.2 Phân tập trễ vòng CDD 85

3.3.2 Tạo búp sóng 85

3.3.3 Ghép kênh không gian 87

3.3.4 Tín hiệu hoa tiêu truyền dẫn đa anten đường xuống 89

3.4 Tổng kết 90

KẾT LUẬN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC HÌNH VẼHình 3.6.Ví dụ về báo cáo PCI/CQI loại A và B cho UE có cấu hình MIMO 80

DANH MỤC BẢNG BIỂUHình 3.6.Ví dụ về báo cáo PCI/CQI loại A và B cho UE có cấu hình MIMO 80

AMPS Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

Liên minh cho các giải pháp công nghiệp viễn thông

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

Hiệp hội chuẩn truyền thông Trung Quốc

CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng

European Conference of Postal and Telecommunications Administations

Hội nghị Châu Âu về quản lý Bưu chính Viễn thông

CPC Continuous Packet Connectivity Kết nối gói liên túc

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

D

DPCCH

Dedicated Physical Control

DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục

DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục

D-TxAA Dual Transmit -Diversity Adaptive Array

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS

E-RGCH E-DCH Relative Grant Channel Kênh cấp phát tương đối E-DCH

F

FDD Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo tần số

FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần sốFDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

G

Mạng truy nhập vô tuyến GSM/ EDGE

GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chuntg

HOM High Order Modulation Điều chế bậc cao

PDSCH Shared Channel tốc độ cao

IMS Internet Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện Internet

MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra

MMSE Minimum Mean Square Error

Sai lỗi trung bình bình phương cực tiểu

MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ lớn nhất

PARC Per-Antenna Rate Control

PCI Precoding Control Indicator Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa

PDC Personal Digital Cellular

R

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến

S

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống

SDMA Access gian

SIC

Successive Interference

SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin

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

STBC Space-Time Block Coding Mã hóa khối không gian thời gianSTTD Space-Time Transmit Diversity

Phân tập phát không gian thời gian

SVD Sigular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

TDD Time Division Duplex

Ghéo song công phân chia theo thời gian

TDM Time Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo thời gian

TDMA Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

U

UMTS

Universal Mobile Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di dộng toàn cầu

LỜI NÓI ĐẦU

Trong tiến trình phát triển của xã hội loài người, sự ra đời của thông tin di động là một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển, là lĩnh vực tiên phong, điều kiện kiên quyết cũng như cơ hội để mỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát triển, tránh nguy cơ lạc hậu, tăng cường năng lực cạnh tranh Cho đến nay, thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Thông tin di động thế hệ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA) Ngày nay, công nghệ thông tin di động 3G đã được đưa vào thương mại hóa, nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng như tốc độ dữ liệu vẫn ngày càng tăng Do đó, sự phát triển sau 3G đang được các tổ chức đặc biệt là 3GPP nghiên cứu triển khai Tiểu biểu cho công nghệ thông tin di động sau 3G là HSPA phát hành 7 (HSPA + ) và LTE Để đáp ứng nhu cầu về chất lượng dịch vụ và tốc độ dữ liệu, các công nghệ này đã được bổ sung thêm nhiều đặc tính mới và tiến bộ, một trong số đó là kỹ thuật đa anten MIMO.

Những năm gần đây các hệ thống đa anten MIMO đã trở thành các chủ đề thu hút nhiều tổ chức nghiên cứu trên toàn cầu Hệ thống MIMO rất có triển vọng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau bởi lẽ nó không chỉ cho phép đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn nữa mà còn có tính khả thi về phần cứng cũng như phần mềm do sự tiến bộ của các công nghệ xử lý tín hiệu số DSP và biến đổi tương tự số tốc ADC độ cao.

Với mục đích tìm hiểu sâu về kỹ thuật MIMO và ứng dụng thực tiễn của nó

cũng như xu hướng phát triển của thông tin di động, em đã chọn đề tài “Kỹ thuật

đa anten trong công nghệ thông tin di động 3G + ”

Nội dung tìm hiểu của đồ án gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau:

Chương 1:Tổng quan về thông tin di động 3G +

Chương 1 của đồ án sẽ giới thiệu một cách khái quát về sự phát triển của

hệ thống thông tin di động đồng thời trình bày những nét cơ bản nhất của hai công nghệ HSPA + và LTE.

Chương 2:Tổng quan về kỹ thuật đa anten

Trong chương này, đồ án sẽ trình bày một số kỹ thuật đa anten cơ bản nhất cũng như các kỹ thuật đa anten được sử dụng trong hệ thống thông tin di động sau 3G.

Chương 3 của đồ án trình bàykỹ thuật đa anten sử dụng trong HSPA + và LTE và một số các vấn đề liên quan.

Do nhiều mặt còn hạn chế đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang nhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi những sai sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn.

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Tiến sỹ Nguyễn Phạm Anh

Dũng và các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến đã tạo điều kiện tốt trong suốt

quá trình học tập và thực hiện đồ án Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã dành cho tôi sự quan tâm, giúp đỡ trong thời gian vừa qua và mong muốn tiếp tục nhận được những tình cảm quý báu đó trong cuộc sống và trong công tác.

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008

Sinh viên Bùi Thị Thùy Dương

1.2 Sự phát triển của thông tin di động

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

Công nghệ thông tin di động 1G

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

Thông thường các công nghệ 1G được triển khai tại một số nước hoặc nhóm các nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế và không

có ý định sử dụng cho quốc tế

Công nghệ thông tin di động 2G

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

Các chuẩn này có chiều hướng “băng hẹp”, với các dịch vụ “băng thông thấp” như voice Hệ thống 2G cũng mang lại cơ hội để cung cấp các dịch vụ dữ liệu thông qua mạng di động Các dịch vụ dữ liệu đầu tiên được giới thiệu trong 2G là tin nhăn văn bản SMS và dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cho phép truyền e-mail

và các ứng dụng dữ liệu khác Tốc độ dữ liệu đỉnh vào thời gian đầu là 9,6 kbps Các tốc độ cao hơn được đưa ra sau đó bằng cách gán nhiều khe thời gian cho người dùng và thay đổi sơ đồ mã hóa

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

Công nghệ thông tin di động 3G

Sự xuất hiện của 3G và các giao diện vô tuyến băng tần cao hơn của UTRA mang lại khả năng cho một loạt các dịch vụ mới chỉ được đề xuất ở 2G và 2,5G Ngày nay, việc phát triển truy nhập vô tuyến 3G được chuyển giao cho 3GPP Tuy nhiên thì các bước khởi tạo cho 3G đã được thực hiện từ đầu những năm 1990, trước khi 3GPP hình thành một thời gian khá dài

Ở Châu Âu, 3G được đặt tên là UMTS Đầu năm 1998, ETSI đã lựa chọn WCDMA là công nghệ cho UMTS WCDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện

vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số và ghép song công phân chia theo thời gian Chuẩn WCDMA được thực hiện song song trong ETSI và ARIB cho đến cuối năm 1998 khi 3GPP được hình thành bởi các tổ chức phát triển chuẩn từ các

vùng khác nhau trên thế giới : ARIB (Nhật), CCSA (Trung Quốc), ETSI (Châu Âu), ATIS (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và TTC (Nhật).

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

Hình 1.1 Sự phát triển công nghệ thông tin di động

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

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

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

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

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

Phát hành 7:(Chưa hoàn chỉnh) Cung cấp các chức năng dữ liêu GSM nâng cao, đồng thời bao gồm các cải tiến cho các tính năng từ các phiên bản trước Kết quả làm tăng hiệu suất, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng cường dung lượng

và chống nhiễu tốt hơn Do đó, nó thường được gọi là 3G+ (phát triển 3G ) Ngoài

ra trong phát hành 7, HSPA+ còn hỗ trợ dịch vụ VoIP

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

Hình 1.2 Các phát hành của 3GPP

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

Yêu cầu quan trọng đối với một hệ thống tế bào cung cấp dịch vụ dữ liệu gói

là tốc độ dữ liệu cao và trễ thấp, dùy trì vùng phủ tốt và cung cấp dung lượng cao

Để đạt được điều này, HSPA giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản trong phần II của WCDMA như điều chế bậc cao, chế độ lập lịch nhanh (phụ thuộc kênh) và điều khiển tốc độ, ARQ lai nhanh với kết hợp mềm Nhìn chung, HSPA cung cấp tốc độ

dữ liệu đường xuống và đường lên xấpxỉ 14 và 5,7 Mbit/s, RTT giảm xuống đồng thời cải thiện dung lượng so với R99 Những nhà khai thác UMTS đã nhanh chóng triển khai các dịch vụ di động băng rộng của HSPA và tăng dung lượng dữ liệu

1.3.1 Khả năng của HSPA +

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

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

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

 HSPA+ VoIP giúp tăng dung lượng dữ liệu trong mô hình hòa trộn VoIP

và dữ liệu, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của dịch vụ dữ liệu

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

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

1.3.2 Đặc tính của HSPA +

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

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

Tăng dung lượng đường xuốngĐiều chế bậc cao HOM

64QAM đường xuống,

16 QAM đường lên

Tốc độ dữ liệu đường xuống tăng 50%

Nhân đôi tốc độ dữ liệu đường lênTăng dung lượng đường lên và xuốngKết nối gói lên tục CPC

CELL_FACH nâng cao

Thiết lập cuộc gọi nhanh

Bảng 1.1.Các đặc tính chủ yếu của HSPA +

1.3.2.1 MIMO

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

Trong những điều kiện nhất định, dữ liệu trong hệ thống MIMO 2x2 có thể được phát trên hai luồng trực giao Để có hiệu quả nhất, MIMO cần SNR cao ở UE

và môi trường tán xạ lý tưởng SNR cao đảm bảo cho UE có thể giải mã thành công tín hiệu đến trong khi công suất được phân đều trên hai anten Môi trường tán xạ lý tưởng đảm bảo hai luồng dữ liệu trực giao khi chúng được truyền tới UE

Mặt khác, trong môi trường LOS, khó có thể hỗ trợ các luồng trực giao, do

đó mà độ lợi MIMO có giới hạn MIMO mang lại lợi ích nhất trong môi trường đô thị vì tán xạ tốt và kích thước ô nhỏ Còn với môi trường nông thôn với kích thước

ô lớn và tán xạ ít, MIMO không mang lại lợi ích to lớn HSPA+ đưa ra sơ đồ TxAA cho MIMO 2x2 mà đồ án sẽ trình bày trong chương sau Trong những phát hành sau (phát hành 8 và xa hơn nữa), MIMO bậc cao và UL MIMO sẽ được xem xét

D-1.3.1.2 Điều chế bậc cao HOM

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

Tốc độ dữ liệu

đỉnh HSPA+

MIMO (2x2 DL MIMO) Không MIMO

Đường xuống 28 Mbps (16-QAM) 14 Mbps (16-QAM)

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

11 Mbps (16-QAM)

5,76 Mbps (QPSK)

11 Mbps (16-QAM)

Bảng 1.2 Tốc độ dữ liệu HSPA+

1.3.1.3 Kết nối gói liên tục CPC

CPC bao gồm một vài đặc tính với mục đích tối ưu hóa sự hỗ trợ cho người dùng dữ liệu gói trong mạng HSPA Với việc gia tăng các dịch vụ dữ liệu gói, một

số lượng lớn người sử dụng phải được hỗ trợ trong một ô Họ phải được duy trì kết nối trong một thời gian dài, mặc dù có thể họ chỉ ở trạng thái truyền dữ liệu tích cực trong một thời gian nào đó Do đó, các kết nối phải được duy trì, đồng thời phải tránh bị ngắt kết nối và tái thiết lập kết nối để người sử dụng cảm nhận được trễ là nhỏ nhất

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

Phát không liên tục đường lên DTX.

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

Mặc dù kênh DPCCH đường lên không được phát liên tục, nhưng nó vẫn được phát trong một vài thời điểm theo mẫu đã biết trước Hoạt động này mục đích

để duy trì đồng bộ và điều khiển công suất Trong trường hợp E-DCH và DPCCH sử dụng, thì DPCCH đường lên sẽ được phát song song

HS-Để linh hoạt hơn, hai mẫu hoạt động DPCCH đường lên được đưa ra với mỗi một UE:

• UE DTX chu kỳ 1

• UE DTX chu kỳ 2

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

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

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

Thu không liên tục đường xuống DRX

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

UE giám sát kênh HS-SCCH để làm giảm công suất tiêu tốn UE Hoạt động DRX được điều khiển bởi tham số chu kỳ UE_DRX, với các giá trị có thể có là 4, 5, 8,

10, 16, hoặc 20 phân khung Ví dụ, nếu chu kỳ UE_DRX là 5 phân khung, thì cứ sau 5 phân khung UE chỉ phải duy trì kênh HS-SCCH

DRX cũng tác động đến việc duy trì kênh điều khiển đường xuống E-RGCH

và E-AGCH Nhìn chung, khi việc truyền dữ liệu đường lên đang tiếp diễn hoặc vừa mới kết thúc, UE sẽ phải giám sát các kênh này Nếu không có dữ liệu đường lên và quá trình truyền dẫn cuối cùng vạch ra một ngưỡng thời gian, thì UE có thể dừng việc giám sát các kênh này

Chú ý là DRX đường xuống chỉ có thể thực hiện được khi DTX hoạt động Hoạt động này giúp tiết kiệm công suất cho pin

Chế độ hoạt động giảm HS-SCCH

Khối truyền tải trên HS-DSCH

Khối truyền tải trên HS-DSCH

Khối truyền tải trên HS-DSCH

Bước 1: Khởi tạo truyền dẫnKhông HS-SCCH

ACK hoặc NACK

Hình 1.3.Hoạt động giảm HS-SCCH

Chế độ hoạt động giảm HS-SCCH là một chế độ đặc biệt, nó làm giảm tiêu

đề HS-SCCH và hạn chế sự tiêu tốn công suất cho UE Nó thay đổi cấu trúc thông thường của việc nhận dữ liệu HSDPA Thông thường, UE sẽ đọc liên tục trên kênh HS-SCCH UE được đánh địa chỉ thông qua nhận dạng UE (16 bit H-RNTI /HSDPA Radio Network Temporary Identifier) trên kênh HS-SCCH Ngay khi UE nhận biết các thông tin điều khiển liên quan trên HS-SCCH, nó sẽ chuyển tới tài nguyên HS-PDSCH và nhận dữ liệu gói Sơ đồ này về cơ bản sẽ thay đổi trong chế

độ hoạt động giảm HS-SCCH Hoạt động này đựợc tối ưu hóa cho các dịch vụ gói nhỏ như VoIP Trạm gốc sẽ quyết định cho từng gói ở chế độ giảm HS-SCCH hay không, có nghĩa là chế độ thường vẫn được thực hiện.Nguyên lý của hoạt động này được miêu tả trong hình 1.3

1.3.1.4 Trạng thái CELL_FACH nâng cao

Lưu lượng dữ liệu đỉnh thường bùng nổ trong những thời điểm đặc biệt Về phía hiệu năng người dùng, điều này thuận lợi trong việc cấu hình HS-DSCH và E-DCH một cách nhanh chóng để có thể phát đi dữ liệu người dùng Về phía mạng, sẽ không thể tránh được nhiễu trong đường lên từ DPCCH thậm chí khi không có dữ liệu truyền đi Về phía UE, việc tiêu tán công suất là vấn đề quan tâm chính Thậm chí khi không nhận dữ liệu thì UE vẫn cần phát DPCCH và giám sát HS-SCCH

Để giảm bớt công suất tiêu tán cho UE, WCDMA cũng như các hệ thống tế bào khác, có một số trạng thái: URA_PCH, CELL_PCH, CELL_FACH và CELL_DCH Công suất tiêu tán sẽ thấp nhất khi UE thuộc một trong hai trạng thái đặc biệt, CELL_PCH và URA_PCH Trong những trạng thái này, UE “ngủ” và chỉ

“thức dậy” để kiểm tra bản tin Để trao đổi dữ liệu, UE cần chuyển sang trạng thái CELL_FACH hoặc CELL_DCH

Trong CELL_FACH, UE cần phát đi một khối dữ liệu như một phần trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên UE cũng giám sát các kênh đường xuống chung và báo hiệu RRC Trạng thái hoạt động truyền dẫn cao được gọi là CELL_DCH Trong trạng thái này, UE có thể sử dụng HS-DSCH và E_DCH để trao đổi dữ liệu với mạng Trạng thái này cho phép truyền một khối lượng lớn dữ liệu người dùng với tốc độ cao, đồng thời nó lại tiêu tốn công suất UE lớn nhất Báo hiệu RRC được

sử dụng để chuyển UE sang các trạng thái khác nhau

1.4 Tổng quan công nghệ LTE

Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN

để có thể triển khai vào năm 2010 Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận cao và cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ Để đạt đựơc các mục tiêu này cần đưa ra một công

nghệ vô tuyến tiềm năng mới cho phép nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ ràng triển khai và khai thác hệ thống.

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

1 Về phần vô tuyến (LTE):

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

•Đơn giản hóa mạng vô tuyến

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

2 Về phần mạng (SAE):

•Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng

•Đơn giản mạng lõi

•Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ

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

1.4.1 Các mục tiêu yêu cầu của LTE

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

1.4.1.1 Các khả năng của LTE

a Tốc độ số liệu đỉnh

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

UE

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

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

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái trong LTE

LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong chế

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

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

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

hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ tần cũng được đặc tả trong đó hiệu xuất phổ tần được định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/Hz

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

đường xuống và HSDPA

sử dụng biên ô

Bảng 1.4 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên

đường lên và HSDPA

b Hỗ trợ di động

Các yêu cầu về di động tập trung lên tốc độ di chuyển đầu cuối di động Mục tiêu đề ra là đạt được hiệu năng cực đại vơi tốc độ đầu cuối di động khoảng 0-15km/h, hiệu năng của hệ thống sẽ giảm khi tốc độ đầu cuối cao hơn Đối với tốc

độ trên 120km/h LTE đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tế bào Hệ thống LTE có thể quản lí tốc độ lên tới 350km/h thậm chí là 500km/h phụ thuộc vào băng tần LTE đảm bảo các dịch vụ thoại ngang hàng với WCDMA/HSPA

c Vùng phủ

Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính ô) tức là khoảng cách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô Hiệu suất, phổ tần và thông

lượng yêu cầu cho các ô bán kính 5km với các ô bán kính tới 30 km cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song vẫn đáp ứng tính di động.

d MBMS tăng cường

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập tới chế độ quảng bá và chế độ phát

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

1.4.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai

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

a Triển khai phổ tần

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

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

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

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

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

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

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

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

1,25

MHz

2,5 MHz

HSPA và LTE trong băng 5 MHz

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

Hiệu năng tốt hơn trong các băng tần rộng hơn

Hình 1.6 Băng tần hoạt độngcủa LTE

b Các vấn đề tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT

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

Tất cả các đầu cuối LTE hỗ trợ khai thác UTRAN/GERAN phải có khả năng

hỗ trợ đo, chuyển giao đến/từ cả hai hệ thống UTRAN và GERAN Ngoài ra LTE cầnphải hỗ trợ đo giữa các RAT chẳng hạn bằng cách cung cấp cho các UE các cơ hội đo trên đường lên và đường xuống thông qua lập biểu

Vì thế vấn đề đặt ra ở đây không chỉ là việc tương thích ngược mà cả việc hỗ trợ cơ chế chuyển giao giữa các mạng 3GPP khác nhau Ngoài ra cũng cần nhấn mạnh rằng HSDPA vẫn là một giải pháp 3G từ 3GPP và nó hoàn toàn tương thích ngược với các mạng W-CDMA Tương thích ngược là hết sức cần thiết trong LTE

Bảng sau mô tả gián đoạn giữa các công nghệ khác nhau.

Phi thời gian thực (ms) Thời gian thực (ms)

Bảng 1.5 Yêu cầu gián đoạn cho LTE

Các yêu cầu trên được đặt ra cho các trường hợp trong đó các mạng UTRAN và/ hoặc GERAN cung cấp hỗ trợ các chuyển giao LTE Thời gian chuyển giao nói trên đựơc coi là giá trị các tối thiểu, các giá trị này có thể thay đổi khi kiến trúc tổng thể và lớp vật lý được định nghĩa chi tiết

1.4.1.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến

Các yêu cầu quản lí tài nguyên vô tuyến được chia thành

Hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối: Yêu cầu một ‘dịch vụ phối

hợp cải tiến’ và các yêu cầu về giao thức (bao hàm cả lớp báo hiệu cao hơn) cho các tài nguyên vô tuyến RAN và các đặc tính RAN

Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn: Yêu cầu rằng LTE RAN

phải cung cấp các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơn trên giao diện vô tuyến, chẳng hạn như nén tiêu đề IP

Hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí tài chính sách trên các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau: Yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hướng dẫn các đầu cuối di động chuyển tới các công nghê truy nhập vô tuyến tương ứng trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến

1.4.1.5 Các vấn đề về mức độ phức tạp

LTE bên cạnh phải thỏa mãn các hiệu năng yêu cầu, vấn đề mức độ phức tạp cũng phải được giảm thiểu để ổn định hệ thống và tương tác với các giai đoạn trước Điều này cũng cho phép giảm giá thành thiết bị đầu cuối và UTRAN

Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp cuả UTRA UE liên quan đến kích thước, trọng lượng và dung lượng acqui (chế độ chờ và chế độ tích cực) và các trạng thái UE đơn giản hơn so với UMTS, nhưng vẫn đảm bảo các dịch vụ tiên tiến cuả LTE Hình vẽ sau thể hiện sự đơn giản trong LTE so với UMTS về các trạng thái UE

LTE_Idle (Chờ)

RRC Idle RRC Connected (Kết nối) LTE_Active(Tích cực) LTE_Detected (Tách)

Hình 1.7 Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi

Hình 1.8 Các trạng thái UE trong UMTS

1.5 Tổng kết

Như vậy, chương 1 đã trình bày tổng quan quá trình phát triển của thông tin

di động từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G) Có thể nói HSPA

là hậu 3G và LTE là tiền 4G với công nghệ LTE sẽ đem lại cho viễn thông di động thế giới tiến gần đến 4G hơn

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

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐA ANTEN

2.1 Mở đầu

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

2.2 Cấu hình đa anten

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

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

Trong kịch bản triển khai khác, ví dụ triển khai kịch bản micro-cell với các anten trạm gốc thấp hơn nóc nhà và triển khai trong nhà Môi trường trạm gốc lúc

này giống với môi trường máy đầu cuối hơn, cho nên khoảng cách giữa các anten trạm gốc sẽ nhỏ hơn vẫn đảm bảo độ tương quan thấp

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

2.3 Lợi ích của kỹ thuật đa anten

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

Nhiều anten phát/ thu có thể được sử dụng để phân tập, chống lại fading kênh vô tuyến Trong trường hợp này, kênh khác nhau trên các anten khác nhau sẽ

có độ tương quan thấp Để đạt được điều đó thì khoảng cách giữa các anten phải đủ lớn (phân tập không gian) hoặc sử dụng các anten có phân cực khác nhau (phân tập phân cực)

Nhiều anten phát/thu có thể được sử dụng để ‘định hình’ cho búp sóng anten tổng (búp sóng phía phát và búp sóng phía thu) theo một cách nào đó Ví dụ, tối đa hóa độ lợi anten theo một hướng thu/phát nhất định hoặc để triệt nhiễu lấn át tín hiệu Kỹ thuật tạo búp sóng này có thể dựa trên cả độ tương quan cao hoặc thấp giữa các anten

Độ khả dụng của đa anten phát và thu có thể được sử dụng để tạo ra nhiều kênh truyền song song thông qua giao diên vô tuyến Điều này mang lại khả năng tận dụng băng thông mà không cần giảm thông tin với cùng công suất Nói cách khác là khả năng cho tốc độ dữ liệu cao với băng tần hạn chế mà không cần thu hẹp vùng phủ Ta gọi đây là kỹ thuật ghép kênh không gian

2.4 Mô hình MIMO tổng quát

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

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

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

N r

2N r

1N

2 t N 22

21

1 t N 12

11

hh

h

hh

h

hh

hH

r N 2

η,ηη

r N 2

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

2 1

t N

2 1

r

N t N 2

r N 1 r N

2 t N 22

21

1 t N 12

11

r N

2 1

η

ηη

x

xx

hh

h

hh

h

hh

h

y

yy

2.5.1 Mô hình kênh SVD MIMO

Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát và Nr anten thu như trên hình 2.1

Để tiện phân tích ta viết lại phương trình (2.3)

Trong đó η là vector AWGN phức có phân bố Ν c(0,σ)và

r N

I2σ

σ ; N0 là mật độ phổ công suất tạp âm

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

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

Toán tử (.)H là chuyển vị Hermitian

Đối với ma trận nhất phân, ta có :UUH=INr và VVH=INt

D là ma trận có kích thước Nr x Nt, gồm NA giá trị đơn không âm được ký

hiệu làλ11/2 , , 1/2

A N

λ trên đường chéo chính của nó Trong đó NA=min (Nt, Nr), và

λi với i=1,2, ,N là các giá trị eigen của ma trận HHH Các giá trị eigen của ma trận

HHH được xác định như sau:

tNrN,HH

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

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

λ00

00

0λ

0

00

00

λD

1/2 r N

1/2 2

1/2 1

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

Trường hợp thứ hai tương ứng với khi số anten thu nhiều hơn số anten phát (Nt <Nr) Trong trường hợp này vẫn như trước ta có V là ma trận Nt x Nt và U là ma

trận Nr x Nr, nhưng ma trận D là ma trận Nt x Nr được tạo thành từ ma trận đường chéo Nt x Nt theo sau là Nr – Nt hàng bằng không:

0

00

0

λ00

0λ

0

00

λ

t N

1/2 2

1/2 1

Trường hợp đặc biệt khi chỉ có một anten phát và Nr anten thu

Thao tác trên được gọi là phân chia giá trị đơn ma trận H Kết quả phân chia cho ta các đường chéo khác không với kích thước xác định theo (2.4)

Giả sử ta nhân trước x với V và y với UH ta được:

η~

DxηUVxUDVU

η)(HVxU

Phương trình này dẫn đến mô hình SVD MIMO sau:

∑+

=

=

r N 1

H nm n

1/2 n

1/2 n

Trong đó η là AWGN có phân bố n Ν c(0,σ) trong máy thu nhưng trong miền không gian

Có thể coi NA luồng song song được truyền trong các kênh không gian trực giao Giống như đối với OFDM, có thể sử dụng mô hình kênh phađinh phẳng song song tương đương để phân tích và mô phỏng kênh MIMO.

Hình 2.2 Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành các kênh phađinh phẳng

song song tương đương dựa trên SVD

λn được coi là độ lợi kênh và có thể được sử dụng để đánh giá BER tại phía thu Nếu ta sử dụng tách sóng nhất quán và coi rằng đã biết λi thì SNR tại máy thu được xác định như sau:

2 n

n n 2

n n

2 n

σ

λEσ

λx

σ là mật độ phổ công suất tạp âm AWGN

Nếu cho rằng kênh tĩnh và biên độ tín hiệu không đổi giống như trong trường hợp BPSK, thì SNR trên một kênh sẽ là:

2 n

n b

σ

λE

Với Eb là năng lượng bit

Xác suất lỗi bit trong trường hợp này được tính như sau:

N

λ2EQ

Trong đó P là xác suất lỗi bit của một kênh không gian.rn

Xác suất lỗi bit trung bình được tính như sau:

∑

=

=

A N 1

PAN

1average

2.5.2 Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu

Giả sử x được nhân trước mới ma trận V và y được nhân trước với ma trận

UH ta được các biểu thức sau:

ηUDx

ηUVxUDVU

η)(HxVU

yUz

H

H H

H

H H

1/2 n

Hình 2.3 Mô hình SVD MIMO tối ưu

Từ hình 2.3, thấy rằng tại máy phát SVD MIMO , trước hết luồng ký hiệu số liệu được chia luồng không gian thành Nt luồng Sau đó, các luồng này được nhân với các cột của ma trận V để nhận được các ký hiệu phát vào không gian Tại máy thu SVD MIMO, các ký hiệu thu được nhân với ma trận UH để tách ra các luồng không gian SVD ta sẽ được NA kênh không gian song song xác định theo công thức (2.4)

2.6 Đa anten thu

Kỹ thuật đa anten được sử dụng phổ biến nhất trong lịch sử và ít phức tạp nhất là kỹ thuật đa anten thu Nó thường được gọi là phân tập thu hoặc phân tập Rx mặc dù không phải lúc nào mục đích của kỹ thuật này cũng là phân tập để chống lại fading kênh vô tuyến

2.6.1 Mô hình kênh phân tập anten thu

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

Trong đó k là thời điểm xét; 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:

)γh

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)

=

=

Nr 1 m

2 m

2 r N

2

h

1γrNγ

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 nhỏ 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 :

∑

=

=

Nr 1 m

2 2

(1)m

hr

N

1h

rN

Máy phát Lựa chọn anten tốt

nhất

1 h

2h

r

hx

γ = , trong đó Em là năng lượng tín hiệu tức thời trên nhánh i, còn E0 là năng

lượng công suất tín hiệu trên một nhánh và σ0m = N0/2 là mật độ tạp âm song biên nhánh m

Xác suất SNR trên mỗi nhánh nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị γ cho trước g

như sau:

0

/γ g

γ g

γ g

r N 2

1 g