CÔNG NGHỆ MIMO TRONG LTE

CÔNG NGHỆ MIMO TRONG LTE

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VIỄN THÔNG II -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NIÊN KHÓA: 2010-2015

Đề tài :

CÔNG NGHỆ MIMO TRONG LTE

NỘI DUNG

- CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE

- CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MIMO

- CHƯƠNG III: MỘT SỐ MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO TRONG 4G LTE

- CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG

- CHƯƠNG V: TÓM TẮT LUẬN VĂN

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN TẤT THIÊM

Giáo viên hướng dẫn : LÊ CHU KHẨN

MỤC LỤC i

MỤC LỤC HÌNH iii

MỤC LỤC BẢNG iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU v

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE 2

1.1 Tổng quan 2

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 2

1.1.2 Mục tiêu về thiết kế 2

1.1.2.1 Tiềm năng công nghệ 2

1.1.2.2 Hiệu suất hệ thống 3

1.1.2.3 Quản lí tài nguyên vô tuyến 4

1.1.2.4 Độ phức tạp 5

1.1.2.5 Những vấn đề chung 5

1.1.3 Các thông số vật lý của LTE 5

1.1.4 Dịch vụ của LTE 6

1.2 Các nút cơ bản trong LTE 7

1.2.1 Chức năng của thiết bị sử dụng UE(user equipment) 8

1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến RAN(Radio access network) 8

1.2.2.1 Chức năng của thực thể quản lý di động MME 8

1.2.2.2 Chức năng Evolved Node B (eNB ) 9

1.2.3 Mạng lõi core CN (core network) 9

1.2.3.1 Cổng dịch vụ (serving Gateway S-GW) 9

1.2.3.2 Cổng mạng dữ liệu gói P-GW (Packet Data Network-Gateway) 9

1.2.3.3 Chức năng chính sách và quy định tính phí PCRF 9

1.2.3.4 Máy chủ quản lý thuê bao thường trú (Home Subscriber Server HSS) 10

1.2.4 Ứng dụng (application) 10

1.2.4.1 Dịch vụ đa phương tiện IMS (IP Mutimedia server) 10

1.2.5 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến 10

1.2.6 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng 11

1.2.7 Cấu trúc chuyển vùng roaming 12

1.2.8 Kết nối với các mạng khác 13

1.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 13

1.3.1 Kênh vật lý 13

1.3.2 kênh logic 13

1.3.3 Kênh vận chuyển 14

CHƯƠNG II : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MIMO 15

2.1 Tổng quan,khái niệm,ưu,nhược điểm của hệ thống MIMO 15

2.1.1 Tổng quan,khái niệm về MIMO 15

2.1.2 Ưu điểm 16

2.1.3 Nhược điểm 16

2.2 Một số khái niệm cơ bản trong MIMO 16

2.2.1 Tài nguyên vô tuyến 16

2.2.2 Các loại nhiễu 16

2.2.2.1 Nhiễu trắng Gaussian 16

2.2.2.2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) 17

2.2.3 Fading 17

2.2.4 Beamfomer - tạo búp sóng ,Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng 18

2.2.4.1 Beamfomer 18

2.2.4.2 Beamforming 19

2.2.5 Các khái niệm về phân tập 19

2.2.5.1 Phân tập tần số(Frequency Diversity) 20

2.2.5.2 Phân tập gian (Time Diversity) 20

2.2.5.3 Phân tập không gian (Space Diversity) 20

2.2.5.4 Phân tập phân cực (Polarization Diversity) 21

CHƯƠNG III: MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO 22

3.1 Mô hình MIMO tổng quát 22

3.2 Các mô hình hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân chia giá trị đơn SVD 23

3.2.1 Mô hình kênh SVD MIMO 23

3.2.2 Mô hình kênh SVD MIMO tối ưu 26

3.2.3 Dung lượng kênh SVD MIMO 27

3.2.4 Thuật toán water filling 28

3.3 Các mô hình phân tập thu 29

3.3.1 Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc (SC) 29

3.3.2 Mô hình phân tập anten thu kết hợp theo ngưỡng (TC) 31

3.3.3 Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC) 31

3.3.4 Mô hình kết hợp với độ lợi bằng nhau (EGC) 33

3.3.5 Kết quả mô phỏng và kết luận chung về các mô hình phân tập thu 34

3.4 Mô hình phân tập phát 35

3.4.1 Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-time block code) 35

3.4.1.1 Mô hình Alamouti 36

3.4.1.2 Mã hóa 36

3.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu 39

3.4.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét chung về phân tập phát 40

3.4.4 Mô phỏng so sánh giữa phân tập phát và phân tập thu 41

3.5 Các mô hình MIMO ghép kênh không gian 41

3.5.1 D-BLAST (Diagonal-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian thời gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo đường chéo) 42

3.5.2 V-BLAST (Vertical-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian thời gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo chiều đứng) 43

3.5.3 W-STC (Wrapped STC: Mã không gian thời gian quấn nhau) 43

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG 45

4.1 Giới thiệu 45

4.2 Chương trình mô phỏng 45

4.3 kết quả mô phỏng.[10] 47

CHƯƠNG V : TÓM TẮT LUẬN VĂN 48

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 - Yêu cầu trễ mặt bằng trong LTE

Hình 1.2 - Nút cơ bản trong LTE

Hình 1.3 - Các đường giao tiếp giữa mạng lõi và mạng truy cập vô tuyến

Hình 1.4 - Đường giao tiếp trong mạng lõi

Hình 1.5 - Cấu trúc chuyển vùng truy cập với P-GW trong mạng nhà

Hình 1.6 - Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS

Hình 2.1 - Mô hình kênh MIMO với N t anten phát và N r anten thu

Hình 2.2 - Nhiễu trắng

Hình 2.3 - Nhiễu liên ký tự ISI

Hình 2.4 - Hiện tượng fading

Hình 2.10 - Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit

Hình 3.1 - Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu

Hình 3.2 - Xây dựng mô hình kênh SVD MIMO

Hình 3.3 - Xây dựng kênh truyền SVD MIMO

Hình 3.4 - Phân chia kênh fading phẳng MIMO thành các kênh fading phẳng song song

tương đương dựa trên SVD

Hình 3.5 - Mô hình SVD MIMO tối ưu

Hình 3.6 - Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc

Hình 3.7 - Mô hình phân tập anten thu TC

Hình 3.8 - Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại

Hình 3.9 - Mô hình phân tập anten thu độ lợi bằng nhau EGC

Hình 3.10 – Độ cải thiện lỗi bit (BER) đối với các mô hình phân tập thu N_Rx =2

Hình 3.11 – Độ cải thiện lỗi bit (BER) đối với các mô hình phân tập thu N_Rx =4

Hình 3.12 – Sơ đồ phát của mô hình Alamouti

Hình 3.13 –Sơ đồ khối giải mã Alamouti sử dụng một anten thu

Hình 3.14 - Kết quả mô phỏng các mô hình phân tập

Hình 3.15 – Kết quả mô phỏng Alamouti (2Tx_1Rx) và kỹ thuật phân tập thu MRC(1Tx_2Rx) Hình 3.16 - Sơ đồ hệ thống SM với ba anten phát và ba anten thu

Hình 3.17 - Thí dụ về cấu trúc các mã không gian thời gian phân lớp dử dụng cho phép kênh

không gian a) D-BLAST, b) V-BLAST và c)W-ST

Hình 3.18 - Tách lớp hai trong số bốn lớp của D-BLAST B) Mã hóa V-BLAST

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Mục tiêu thiết kế LTE

Bảng 1.2 - Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

Bảng 1.3- Các thông số lớp vật lí của LTE

Bảng 1.4 - Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

Bảng 1.5 - So sánh các dịch vụ của 3G với 4G LTE

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

3G Third Generation Mobile

Communications System

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba 3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề án của các đối tác thế hệ ba

3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Đề án thứ 2 của các đối tác thế hệ ba 4G Fourth Generation Mobile

Communication System

Hệ thống thông tin di động thế hệ bốn AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BLAST Bell Labs Layered Space-time

architecture

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

Modulation

Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kênh

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

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

Time

Mã không gian thời gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo đường chéo

DOA Direction Of Arrival Tạo búp dựa trên phương tới

E-RAN Evolved Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất phát

triển E- UTRAN

EPC

Enhanced Universal Terrestrial Radio Access Network

Evolved Packet Control

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường

Phát triển điều khiển gói dữ liệu FEC

FDD

Forward Error Correction Frenquency Division Duplex

Hiệu chỉnh lỗi trước Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE GPRS

HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy cập gói đường lên tốc độ cao

IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống đa phương tiện IP

IMT International Mobile

Telecommunication

Thông tin di động quốc tế

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu và nhiều đầu ra

MBMS Multimedia Broadcast Multicast

Service

Dịch vụ quảng bá đa phương tiện MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra

MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động

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

tiểu MRC Maximum Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ cực đại

MRRC Maximum Ratio Receive Combiner Kết hợp thu tỉ lệ cực đại

OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực

PDN

PDF

Multiplexing Packet Data Network Probability density function

giao Mạng số dữ liệu gói Hàm mật độ xác suất PCRF Polcy and Charging Rules Function Chức năng các qui tắc tính cước và

chính sách

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Chất lượng dịch vụ Tần số vô tuyến 3KHz-300GHz Điều khiển mạng vô tuyến

SAE

SC-FDMA

System Architecture Evolution Single Carrier -Frenquency Divison Mutiplex Access

Phát triển kiến trúc hệ thống

Đa truy nhập phân chia đơn sóng mang

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SINR Signal to Interference plus Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm

SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

TD-SDMA

TDD

Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access

Time Division Duplex

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng

bộ - phân chia theo thời gian Song công phân chia theo thời gian

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

UPE User Plan Entity Thực thể mặt phẳng người sử dụng UTRA UMTS Teresstrial Radio Access Truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN UMTS Teresstrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

V-BLAST Vertical-Bell-Labs Layered

Space-Time

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

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây cùng với sự lớn mạnh về nhu cầu sử dụng thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng đã thu hút nhiều sự quan tâm, nghiên cứu nhằm phát triển hoàn thiện các hệ thống mạng không dây tốc độ cao Một trong những thách thức chủ

yếu trong lĩnh vực này là : “ Tốc độ xử lý cao đồng thời tiêu thụ ít điện năng trong các thiết

bị di động có như vậy mới giảm kích thước và tăng thời gian hoạt động của các thiết bị MS trong mạng không dây” Do đó thúc đẩy hướng nghiên cứu phải cải tiến kỹ thuật điều chế

nhằm tăng hiệu suất giải mã cũng như chất lượng phổ của hệ thống không dây

Kỹ thuật MIMO trong mạng vô tuyến gần đây thực sự nổi bật và nó là mô hình duy nhất về băng rộng đáp ứng được thách thức trên, bởi MIMO đáp ứng được việc truyền tin trên nhiều kênh khác nhau – việc này sẽ giúp chúng ta biểu diễn, mô phỏng hệ thống dưới dạng

ma trận thu gọn và như vậy sẽ hứa hẹn nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu mới ra đời

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

- Tăng dung lượng (capacity) kênh

- Tăng cường khả năng chống phading

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

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

Trong luận văn này, Em nghiên cứu một số mô hình MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) ứng dụng cho 4G Luận văn tập trung nghiên cứu các mô hình MIMO với các khái niệm cơ bản

Luận văn đã: Phân tích, đánh giá, hiệu năng một số mô hình MIMO khả dụng cho 4G dựa trên các kết quả mô phỏng sau đó cũng đưa ra bàn luận các kết quả này

Nội dung các chương trong luận văn được trình bày như sau:

Chương I: Tổng quan hệ thống 4G LTE

Chương II: Tổng quan về công nghệ

Chương III: Một số mô hình MIMO trong 4G LTE

Chương IV: Mô phỏng

Chương V: Tóm tắt luận văn

Để Em có được những kết quả như ngày hôm nay cũng như hoàn thành nội dung luận văn tốt nghiệp, trước hết phải kể đến công lao đào tạo của tất cả các Thầy, Cô giáo trong mái trường Học viện Công nghệ Bưu chính - Viễn thông, sự động viên giúp đỡ của tất cả người thân, bạn bè Đặc biệt là sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của Thầy giáo Lê Chu Khẩn- Người đã gợi ý cho Em hướng nghiên cứu của luận văn, hỗ trợ giúp đỡ Em những kiến thức khoa học bổ ích Thầy đã đưa ra những nhận xét quý giá và trực tiếp hướng dẫn Tôi trong qúa trình thực hiện luận văn này

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

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE

LTE là thế hệ mạng di dộng thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở

và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

thống truy nhập

-tốc độ truyền dẫn

-dung lượng hệ thống

-chi phí

-100Mb/s(tốc độ cao nhất của môi trường di

động).1Gb/s (tốc độ tối đa của môi trường trong nhà)

-gấp 10 lần hệ thống 3G

-1/10 đến 1/100 trên mỗi bit truyền

Bảng 1.1- mục tiêu thiết kế LTE

Những yêu cầu cho LTE được chia thành 7 phần khác nhau như sau:

 Tiềm năng dung lượng

 Hiệu suất hệ thống

 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

 Quản lí tài nguyên vô tuyến

 Độ phức tạp

 Những vấn đề chung

1.1.2.1 Tiềm năng công nghệ

Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbit/s và cho đường lên là 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 Mhz Khi mà phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo.Như sẽ được thảo luận dưới đây, LTE hỗ trợ

cả chế độ FDD và TDD Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời Do đó mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời Mặt khác, đối với trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho phép quá trình phát và thu đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý thuyết ở trên Yêu cầu về độ trễ được chia thành:

 Trễ mặt phẳng điều khiển : xác định độ trễ của việc chuyển từ trạng thái thiết bị đầu cuối không tích cực khác nhau sang trạng thái tích cực, khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể

- Trạng thái Release 6 Cell-PCH : là trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết bị đầu cuối đang ở trong tế bào nào những thiết bị đầu cuối lại không được cấp phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế độ ngủ

 Trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện qua thời gian để truyền một gói IP từ thiết bị đầu cuối tới nút biên RAN Thời gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5ms trong mạng không tải (unloaded network), nghĩa là không cómột thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện trong tế bào

Hình 1.1 - yêu cầu trễ mặt bằng trong LTE

Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết

bị đầu cuối di động ở trong trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần 5Mhz Trong mỗi phân bố rộng hơn 5Mhz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ

1.1.2.2 Hiệu suất hệ thống

Các mục tiêu thiết kế công năng hệ thống LTE sẽ xác định lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ, độ linh động, vùng phủ sóng và MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service: hỗ trợ,cung cấp dịch vụ) nâng cao

 Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: vùng phủ và 5% của phân

bố người sử dụng (khi mà 95% người dùng có được chất lựợng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ, và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo tế bào tính theo bit/s/Mhz/cell Những yêu cầu lưu lượng này được tổng hợp trong bảng 1.2

Phương pháp đo hiệu suất Mục tiêu đường xuống so

với cơ bản

Mục tiêu đường lên so với

cơ bản Lưu lượng người dùng tại

biên tế bào(trên 1MHz)

Lưu lượng người dùng tại

biên tế bào (trên 1 MHz)

Hiệu suất phổ(bit/s/Hz/cell) 3-4 lần 2-3 lần

Bảng 1.2 - Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

 Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết bị đầu cuối

di động

- Tại tốc độ thấp, 0-15 km/h thì hiệu suất đạt được là tối đa, và cho phép giảm đi một ít đối với tốc độ cao hơn

- Tại vận tốc lên đến 120 km/h, LTE vẫn cung cấp hiệu suất cao và đối với vận tốc trên

120 km/h thì hệ thống phải duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào

- Tốc độ tối đa có thể quản lí đối với một hệ thống LTE có thể được thiết lập lên đến

350 km/h (hoặc thậm chí đến 500 km/h tùy thuộc vào băng tần) Một yếu tố quan trọng đặc biệt là dịch vụ thoại được cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lượng mà WCDMA/HSPA hỗ trợ

 Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi tế bào (bán kính), nghĩa là khoảng cách tối đa từ vùng tế bào (cell site) đến thiết bị đầu cuối di động trong cell Đối với phạm vi tế bào lên đến 5 km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và

độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những

tế bào có phạm vi lên đến 30 km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng

và hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được Tuy nhiên, yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng Khi mà phạm vi tế bào lên đến 100 km thì không thấy có đặc tính kĩ thuật về yêu cầu hiệu suất nào được nói rõ trong trường hợp này

 Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: broadcast (Quảng bá Broadcast là thuật ngữ được sử dụng để mô tả cách thức truyền tin được gửi từ 1 điểm đến tất cả các điểm khác Trong trường hợp này, có 1 nguồn gửi nhưng thông tin được gửi đến tất cả các nguồn nhận trong cùng 1 kết nối.) và unicast(Unicast là 1 thuật ngữ được sử dụng để mô tả cách thức truyền tin được gửi từ 1 điểm đến 1 điểm khác Trong trường hợp

với những gì có trong phiên bản 6 Yêu cầu đối với trường hợp broadcast là hiệu suất phổ

1 bit/s/Hz, tương ứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300 kbit/s trong mỗi phân bố phổ tần 5 Mhz Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ một dịch vụ trên một sóng mang, cũng như là kết hợp các dịch vụ non-MBMS khác Và như vậy thì đương nhiên đặc tính kĩ thuật của LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch vụ MBMS

1.1.2.3 Quản lí tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lí tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau:

- Hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end: 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

- Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở 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

- Và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lí chính sách thông qua các công nghệ truy cập 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 nghệ truy cập vô tuyến tương ứng trong qua trình chuyển giao giữa các cổng

1.1.2.4 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 của 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 của LTE

1.1.2.5 Những vấn đề chung

Phần này đề cập đến những yêu cầu chung trong LTE về những khía cạnh liên quan đến chi phí và dịch vụ Rõ ràng, mong muốn đặt ra là giảm thiểu các chi phí trong khi vẫn duy trì hiệu suất yêu cầu cho tất cả các dịch vụ Các vấn đề về đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí Như vậy không chỉ giao tiếp vô tuyến, mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lí cũng phải được xác định rõ Một yêu cầu quan trọng về giao tiếp nhiều nhà cung cấp (multi-vendor interfaces) cũng thuộc vào loại yêu cầu này

1.1.3 Các thông số vật lý của LTE

Bảng 1.3- Các thông số lớp vật lí của LTE

Bảng 1.4 - Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

1.1.4 Dịch vụ của LTE

Qua việc kết nối của đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu suất sử dụng phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng hơn Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc

và nội dung đa phương tiện Tất cả các dịch vụ sẽ cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của người dùng về đường truyền TV độ rõ nét cao Đối với khách hàng là doanh nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng video hội nghị tốt

Dọc theo sự bảo đảm về thương mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi và chia sẻ tập tin

Thoại (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP.video hội nghị chất

lượng cao

thấp(low priority emails)

Photo các tin nhắn,IM,email

di động,tin nhắn video

Lướt web

Truy cập các dịch vụ wap thông qua GPRS và mạng 3G.(access to online information services,for which users pay standard network rates.curently limited

to wap browsing over GPRS and 3G networks)

Duyệt siêu nhanh(supper- online trực tuyến,trình duyệt fast browsing),uploading content to social networking sites

vụ phát thanh

Lưu trữ và tải nhạc chẩt lượng cao

Thương mại

hóa

Thanh toán cơ sở vật chất thông qua mạng di dộng

Điện thoại cầm tay như thiết

bị thanh toán, với các chi tiết thanh toán qua mạng tốc độ cao để cho phép các giao dịch thực hiện nhanh chóng

Mạng dữ liệu

di động

Truy cập đến các mạng nội

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

Chuyển đổi file peer:chia sẻ ngang hàng).các ứng sụng kinh doanh,chia sẻ,giao tiếp M2M

Bảng 1.5 - So sánh các dịch vụ của 3G với 4G LTE

Hình 1.2 - Nút cơ bản trong LTE

- S1- Tổ chức quản lý di động ( MME ) : được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các ENodeB ( eNB ) và MME

- S1-U : Xác định mặt phẳng người sử dụng giữa eNB và cổng dịch vụ

- S10 : Được sử dụng bởi MMEs để hỗ trợ thay đổi MME

- X2 : Được sử dụng để hỗ trợ nội MME chuyển giao mà không bị mất gói tin

- S11 : Được sử dụng bởi các MME để điều khiển đường chuyển mạch và thành lập cổng dịch vụ và cổng PDN

- S6a : Được sử dụng bởi các MME để lấy dữ liệu từ máy chủ thuê bao thuê bao ( HSS )

- SGI : Giao diện vào IP PDN Đây là nơi tiếp xúc giữa IP nhìn thấy với địa chỉ IP UE

- S8 : Tương tự như S5 ngoại trừ việc nó được sử dụng trong kịch bản chuyển giao

- Rx : Được sử dụng bởi các chức năng ứng dụng,chẳng hạn như IMS P- CSCF (Call/Session Control Functions - Khối chức năng điều khiển phiên cuộc gọi Proxy-CSCF:

Có vai trò một outbound SIP proxy Tất cả yêu cầu xuất phát hoặc gửi đến IMS đều phải chuyển giao qua nó sau đó nó thực hiện chuyển tiếp các bản tin SIP Để kết nối với hệ thống IMS, ta phải đăng kí với nhà mạng mà P-CSCF kết nối Ngoài ra P-CSCF còn có các chức năng liên quan đến bảo mật và nén báo hiệu Nó thiết lập một số liên kết bảo mật với các thiết

bị đầu cuối của mình nhằm trao đổi các thông tin giao thức SIP một cách toàn vẹn Các thiết

bị đầu cuối và P-CSCF có thể liên lạc thông qua một liên kết vô tuyến với băng thông thấp Ngoài ra nó còn có khả năng xác thực nhận dạng thông tin của khách hàng và gửi tới các node khác trong mạng, nhờ đó mà các node khác không cần phải xác thực lại và có thể sử dụng trực tiếp các thông tin đó để sử dụng cho việc cung cấp các dịch vụ để chuyển tải chính sách dữ liệu tới các PCRF

1.2.1 Chức năng của thiết bị sử dụng UE(user equipment)

trên điện thoại di động, lưu trữ những thông tin như số điện thoại, mã số mạng di động, số PIN, số điện thoại cá nhân và các thông tin cần thiết khác khi sử dụng điện thoại

 Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng

 Màn hình vô tuyến và vận hành chuyển tải tới kênh phát triển nodeB

 Hỗ trợ các giao diện đường lên LTE và đường xuống giao tiếp không khí

1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến RAN(Radio access network)

Management Entity)

MME là node điều khiển quan trọng của mạng truy nhập LTE điều khiển các Node xử

lí tín hiệu giữa UE và CN Giao thức giữa UE và CN là Non-Access Stratum (NAS).Chức năng chính của MME bao gồm:

 MME cung cấp chức năng chuyển đổi tính lưu động giữa LTE và mạng truy nhập 2G/3G

 Trạng thái UE rỗi – Idle theo dõi và khả năng liên lạc (bao gồm điều khiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi)

 Nó chịu trách nhiệm nhận thực các user (bằng cách tương tác với HSS – Home Subscriber Service) và định vị các UE

 MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịch mật mã, bảo vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật

1.2.2.2 Chức năng Evolved Node B (eNB )

Là trạm thu gốc được tăng cường mới, có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP

Nó là một BTS được tăng cường cung cấp giao diện không gian LTE và thực hiện quản lý tài

nguyên vô tuyến cho hệ thống truy nhập tiên tiến Nó bao gồm các chức năng sau :

 Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến,điều khiển và kiểm soát sóng vô tuyến

 Nén tiêu đề IP và mã hoá dòng dữ liệu người sử dụng

 Sự chọn lọc cho một MME tại thời điểm UE (User Equipment) không có định tuyến tới một MME nào thì nó có thể xác định từ thông tin được cung cấp bởi UE

 Định tuyến dữ liệu mặt phẳng người sử dụng (user plane) hướng tới cổng dịch vụ Serving Gateway

1.2.3 Mạng lõi core CN (core network)

 Giữ thông tin về các thông báo khi UE trong tình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho

dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE

 Khi các UE ở trạng thái rỗi,S-GW kết thúc đường dữ liệu Dowlink và kích hoạt tìm gọi khi dữ liệu Dowlink chuyển tới UE

 Tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua S-GW(định tuyến và chuyển tiếp gói tín)

 Tính phí trên mỗi đường hướng xuống và hướng lên trên mỗi thiết bị người dùng,nút

dữ liệu gói(PDN) và nhận dạng lớp chất lượng dịch vụ (QoS)

1.2.3.2 Cổng mạng dữ liệu gói P-GW (Packet Data Network-Gateway)

PDN GW cung cấp kết nối cho UE tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểm vào ra của lưu lượng cho UE,một UE có thể đồng thời kết nối với nhiều hơn một P-GW nó

có các chức năng sau:

 Chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE(gán IP từ mạng PDN vào UE)

 Hỗ trợ tinh cước

 Lọc gói cho mỗi người dùng (per-user packet)

 Ngăn chặn hợp pháp (lawful interception)(cung cấp khả năng kết nối bảo mật giữa các

UE được kết nối từ một mạng truy nhập không tin cậy)

1.2.3.3 Chức năng chính sách và quy định tính phí PCRF(policy and charging rules Function)

PCRF là nút phần mềm được chỉ định trong thời gian thực để xác định các quy tắc chính sách trong một mạng đa phương tiện

 Giao diện với các chức năng ứng dụng như proxy- chức năng điều khiển cuộc gọi

hoặc các ứng dụng chính sách kích hoạt khác

 Trong thời gian thực , hỗ trợ việc tạo ra các quy tắc và sau đó tự động đưa ra quyết định chính sách cho mỗi thuê bao đang hoạt động trên mạng Một mạng lưới như vậy có thể cung cấp nhiều dịch vụ , chất lượng dịch vụ ( QoS ) cấp, và các quy tắc tính cước

1.2.3.4 Máy chủ quản lý thuê bao thường trú (Home Subscriber Server HSS)

HSS là một trung tâm lưu trữ của tất cả các thuê bao trong phạm vi của HSS

Nó có chức năng chính sau :

 Lưu giữ và bảo mật mọi thông tin liên quan đến người sử dụng

 Vecto xác thực và khóa bảo mật cho mỗi UE

 Địa chỉ của đơn vị phục vụ quản lý di động hiện nay (MME)

1.2.4 Ứng dụng (application)

1.2.4.1 Dịch vụ đa phương tiện IMS (IP Mutimedia server)

IP Mutilmedia System (IMS) là một kiến trúc gồm nhiều chức năng được gắn kết với nhau thông qua các giao tiếp đã được chuẩn hóa nhằm cung cấp các dịch vụ đa phương tiện qua vùng chuyển mạch gói IP cơ bản IMS được coi như kiến trúc cho việc hội tụ mạng thoại,dữ liệu và di động

Sử dụng các giao thức:

 Giao thức SIP (Session Initiation Protocol): là giao thức thuộc lớp ứng dụng được sử dụng cho việc thiết lập, điều khiển và kết nối các phiên đa phương tiện trong một mạng IP

 Giao thức DIAMETER: là giao thức cho việc nhận thực, cấp phép và tính cước.

Theo chuẩn 3GPP kiến trúc IMS được chia làm 3 mặt phẳng:

- Mặt phẳng ứng dụng: Bao gồm máy chủ ứng dụng AS(Application Server) và các máy chủ thuê bao thường trú HSS

- mặt phẳng truyền tải: Bao gồm thiết bị người dùng (User Equipment-UE), các giao tiếp kết nối vào mạng lõi IP

- mặt phẳng điều khiển : Gồm mạng lõi IMS

Ưu điểm của IMS:

1 Có thể tích hợp nhiều dịch vụ trong 1 dịch vụ, ví dụ như vừa chát vừa nhận e-mail

và voIP trên cùng 1 nền web

2 Dịch vụ độc lập với cơ sở hạ tầng, làm cho ta có thể dễ dàng triển khai nhanh chóng thêm dịch vụ mới

3 Có cơ chế hỗ trợ QoS, giúp đỡ các địa chỉ IP có cơ chế best effort, đảm bảo chất lượng các dịch vụ như VoIP, VoD,

Nút Gateway giữa mạng truy nhâp vô tuyến và mạng lõi được phân ra thành hai thực thể luận lí:

 Serving Gateway (Serving-GW)

 Mobility Manager Entity (MME)

Hình 1.3- các đường giao tiếp giữa mạng lõi và mạng truy cập vô tuyến

Trong thực tế, cả hai thành phần luận lí này có thể được thực hiện trên cùng một thiết bị phần cứng hoặc có thể được tách ra để có thể tăng giảm kích cỡ độc lập với nhau Bởi vì đường giao tiếp S1 được 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 được phân ra thành hai bộ giao thức khác biệt: S1-MME và S1-U

- Giao thức S1-MME (điều khiển) được dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa một UE và MME Các thông điệp này được trao đổi qua các kênh "non-IP" đặc biệt trên giao tiếp vô tuyến rồi sau đó được eNodeB đặt vào trong các gói IP trước khi chúng được gửi chuyển tiếp đến MME Tuy nhiên, dữ liệu người dùng đã được truyền với tính cách các gói IP qua giao tiếp vô tuyến, và chúng được gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) đến Serving-GW

Nếu MME và Serving-GW được thực hiện riêng biệt, đường giao tiếp S11 sẽ được dùng để liên lạc giữa hai thực thể đó Cần có sự liên lạc giữa hai thực thể đó,

Ví dụ như: Để tạo ra các kênh truyền khi người dùng nối vào mạng, hoặc để sửa đổi một đường hầm khi một người dùng nào đó di chuyển từ cell này sang cell khác Không giống như các mạng vô tuyến không dây trước đó, khi một Gateway của mạng truy nhập (SGSN) chịu trách nhiệm đối với một số RNC nhất định và mỗi RNC đến lượt nó lại chịu trách nhiệm đối với một số trạm cơ sở nhất định, đường giao tiếp S1 hậu thuẫn một kiến trúc nối kết mắt lưới (mesh) Thế có nghĩa là không phải chỉ một mà là vài MME và Serving-GW có thể liên lạc với từng eNodeB, và số lượng MME và Serving-GW có thể khác biệt Điều này làm giảm số lượng các cuộc liên chuyển giao -MME khi nguời dùng di chuyển, và cho phép số lượng MME phát triển độc 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 Một kiến trúc mắt lưới của giao tiếp S1 cũng bổ sung tính dự phòng cho mạng Nếu một MME hỏng, thì một MME thứ hai có thể tự động tiếp quản nếu nó được cấu hình để phục vụ những cell giống như MME kia Tác hại duy nhất của một cơ chế khôi phục tự động khi gặp hỏng hóc như vậy là, những người dùng được phục vụ bởi MME hỏng phải đăng kí lại với mạng Những khả năng mắt lưới của giao tiếp S1 được 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

1.2.6 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng

Một đường giao tiếp quan trọng nữa trong các mạng lõi LTE là đường giao tiếp S6 nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thuê bao

Hình 1.4- đường giao tiếp trong mạng lõi

Trong UMTS/GPRS/GSM, cơ sở dữ liệu này được gọi là HLR (Home Location Register)

Trong LTE, HLR được sử dụng lại và được đổi tên thành HSS (Home Subscriber Server) Về cơ bản, HSS là một HLR cải tiến, và chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS, UMTS, LTE Đường giao tiếp S6 dùng giao thức Diameter [9,1.2.4.1] dựa trên IP HSS là một

cơ sở dữ liệu kết hợp, và nó được sử dụng đồng thời bởi các mạng GSM, UMTS và LTE thuộc cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng Vì thế, ngoài đường giao tiếp S6 dành cho LTE

ra, nó tiếp tục hậu thuẫn đường giao tiếp MAP truyền thống

1.2.7 Cấu trúc chuyển vùng roaming

Một mạng hoạt động trong một quốc gia được gọi là mạng di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) Chuyển vùng, nơi người dùng được cho phép kết nối đến các PLMN khác, là một điểm nổi bật của mạng di động, và LTE/SAE cũng không phải là ngoại lệ Khi người sử dụng chuyển vùng, họ sẽ được kết nối đến E-UTRAN, MME và S-GW của mạng LTE khách.Tuy nhiên, LTE/SAE chỉ cho phép sử dụng P-GW hoặc của mạng khách hoặc của mạng nhà.Sử dụng P-GW mạng nhà cho phép người sử dụng truy cập các dịch vụ của mạng nhà ngay khi đang ở trong mạng khách Một P-GW trong mạng khách cho phép ngắt cục bộ (local breakout) đối với mạng Internet trong mạng khách

Hình 1.5 - Cấu trúc chuyển vùng truy cập với P-GW trong mạng nhà

PDN Gateway

Operato’r

IP Services

MME

Serving Gateway

UTRAN

1.2.8 Kết nối với các mạng khác

EPS cũng hỗ trợ kết nối và chuyển giao với các mạng dùng kĩ thuật truy cập vô tuyến khác như GSM, UMTS, CDMA2000 và WIMAX Kiến trúc đó được chỉ ra trên hình

Hình 1.6- Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS

S-GW hoạt động như một trạm di động (mobility anchor) dùng để kết nối với các kĩ thuật 3GPP như GSM và UMTS trong khi P-GW cho phép kết nối với các mạng không phải của 3GPP như CDMA 2000 hay WIMAX

1.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN

1.3.1 Kênh vật lý

Các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dung bao gồm:

 PDSCH (Physical Downlink Shared Channel)

 PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)

 PUCCH (Physical Uplink Control Channel)

 PDCCH (Physical Downlink Control Channel)

 PBCH (Physical Broadcast Channel)

1.3.2 kênh logic

Được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:

 Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Được sử dụng để truyền thông tin điều khiển hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell Trước khi truy nhập hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết được hệ thống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông hệ thống

 Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối di động vì mạng không thể biết được vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế cần phát các bản tin tìm gọi trong nhiều ô (vùng định vị)

 Kênh điều khiển riêng (DCCH) : được sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới một đầu cuối di động Kênh này được sử dụng cho cấu hình riêng của các đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác nhau

 Kênh điều khiển đa phương (MCCH) : được sử dụng để truyền thông tin cần thiết để

UTRAN

PDN Gateway

Serving Gateway

MME 3G-SGGN

UTRAN

E-UE

S3

S4 S11

S1-MME

LTE

-Uu

thu kênh MTCH

 Kênh lưu lượng riêng (DTCH) : Được sử dụng để truyền số liệu của người sử dụng đến một đầu cuối di động Đây là kiểu logic được sử dụng để truyền tất cả số liệu đường lên của người dùng và số liệu đường xuống của người dùng không phải MBMS

 Kênh lưu lượng đa phương (MTCH) : Được sử dụng để phát các dịch vụ MBMS

1.3.3 Kênh vận chuyển

 Kênh quảng bá (BCH) : Có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung cấp Nó được sử dụng để phát thông tin trên kênh logic

 Kênh tìm gọi (PCH) : Được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh PCCH, PCH

hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm công suất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trước

 Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) : Là kênh truyền tải để phát số liệu đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích ứng tốc độ động và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số Nó cũng hổ trợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống như cơ chế CPC trong HSPA DL-DCH TTI là 1ms

 Kênh đa phương (MCH) : Được sử dụng để hỗ trợ MBMS Nó được đặc trưng bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh Trong trường hợp phát đa ô sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải được điều phối giữa các ô tham gia phátMBS

CHƯƠNG II : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MIMO 2.1 Tổng quan,khái niệm,ưu,nhược điểm của hệ thống MIMO

2.1.1 Tổng quan,khái niệm về MIMO

Hiệu năng kém và dung lượng bị giới hạn của kênh truyền trong truyền dẫn không dây,do đó ta cần nâng cấp gói số lượng nhiều hơn 1 bit/Hz.Đó cũng giống như một vấn đề của

hệ thống MIMO là hình ảnh sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu

Trên thực tế sự hoạt động kém hiệu quả của kênh truyền không dây do hiệu ứng fading đa đường.MIMO lợi dụng sự đa đường này để ta tăng tín hiệu SNR.MIMO cung cấp cơ bản 3 tính năng sau :

- Beamforming-kỹ thuật hướng búp sóng :nó cho phép anten chỉnh theo hướng thích hợp để đạt được SNR tốt hơn bằng cách tăng công suất thu

- Phân tập không gian- tín hiệu máy phát được mã hóa trong không gian cũng như trong miền thời gian với một số dự phòng để cải thiện BER hiệu suất của hệ thống

- Ghép kênh không gian- tập hợp các dòng dữ liệu được truyền song song từ anten khác nhau và xử lý tín hiệu thích hợp được sử dụng ở máy thu để tách các dòng dữ liệu này

Có rất nhiều Viện nghiên cứu, nhóm nghiên cứu, phòng thí nghiệm đã tập chung nghiên cứu rất sâu sắc về MIMO bởi người ta cho rằng: công nghệ MIMO thực sự là nền tảng của hệ thống 3G, 4G và các mạng không dây khác

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

chỉ ra những đặc tính, ưu điểm của: “truyền sóng vô tuyến đa đường” (Radio transmission

multipath)- đây là một phương thức truyền sóng mà trước đó người ta thường quan niệm: Khi truyền sóng đa đường sẽ làm suy yếu sóng vô tuyến tại phía thu Nhưng thực tế hai Ông đã

chứng tỏ rằng: “ Khi tín hiệu vô tuyến được gửi từ phía phát sẽ phản xạ qua rất nhiều vật thể trong môi trường truyền sóng tạo thành nhiều đường riêng biệt rồi mới tới được phía thu và

ta có thể tận dụng hiện tượng này làm tăng dung lượng của hệ thống lên nhiều lần”

Hai Ông còn cho rằng: Nếu ta có thể coi mỗi một kênh là các đường truyền riêng

biệt thì chúng ta có thể định tuyến các đường truyền này và tách chúng ra thành các “đường truyền ảo” Một kênh có nhiều đường truyền ảo như trên thì cũng có thể coi là “một bó các đường truyền ảo” Để tận dụng bó các đường ảo này trong khi truyền dữ liệu người ta sử dụng

một hệ thống nhiều anten phát và nhiều anten thu.nhằm phân tập anten, hệ thống này gọi là MIMO; MIMO sẽ giải mã được luồng số liệu tốc độ cao thông qua các anten của nó Mỗi một

anten này sẽ tách luồng số liệu tốc độ cao thành luồng số liệu có tốc độ thấp hơn “ Bó các đường truyền ảo” ở trên sẽ được dùng để truyền các luồng số liệu tốc độ thấp này một cách

đồng thời

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

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

tín hiệu hoàn toàn có thể nhảy từ đường này sang đường kia khi chúng được truyền đi như vậy tại phía thiết bị thu do đó trong mô hình MIMO phải sử dụng các thuật toán đặc biệt hoặc các bộ vi xử lý tín hiệu đặc biệt để tách và khôi phục tín hiệu thu được thành tín hiệu nguyên thủy ban đầu như phía phát

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

Như vậy ta có thể định nghĩa MIMO trong hệ thống thông tin vô tuyến như sau: “Nếu một hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng nhiều anten ở cả phía phát lẫn phía thu thì ta gọi nó

là một hệ thống MIMO”

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

2.1.2 Ưu điểm

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

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

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

 Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cả máy phát và thu)

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

2.1.3 Nhược điểm

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

 Giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn

2.2 Một số khái niệm cơ bản trong MIMO

2.2.1 Tài nguyên vô tuyến

Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia,do đó nó cần sử dụng một cách

có hiệu quả nhất.tài nguyên vô tuyến ở đây có thể được hiểu là các dải tần số được cấp phát giới hạn và cố định cho một mục đích cụ thể nào đó như truyền hình phát thanh,thông tin di động…Vì vậy,để sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả người ta đã đưa ra các phương pháp ghép kênh khách nhau như TDM,FDD,TDD,OFDM…

phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn.lưu ý rằng nhiễu Gaussan là nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian

Hình 2.2- Nhiễu trắng

2.2.2.2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)

Hình 2.3 - Nhiễu liên ký tự ISI

Do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gausian trắng cộng.ISI gây ra do trải trễ

đa đường.Trong môi trường truyền đa đường,kí tự phát đến đầu thu của máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau.Sự mở rộng của chu kỳ kí tự gây ra sự chồng lấn giữa kí tự hiện thời với kí tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên kí tự(ISI)

Để giảm được nhiễu ISI thì hệ thống OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song

nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một kí tự lên nhiều lần.Ngoài ra,OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ(guard interval-GI),thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền,giữa hai kí tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn

2.2.3 Fading

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ

thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí

- Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của

rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông

tin di động

 Fading phẳng(flat fading) xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu.Do các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần tín hiệu hẹp(hẹp hơn độ rộng kênh truyền) nên chịu ảnh hưởng của flat fading.ảnh hưởng của flat fading tác động lên toàn bộ dải tín hiệu truyền trên kênh là như nhau

 Fading lựa chọn tần số xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh tryền.Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn(lớn hơn độ rộng kênh)

sẽ chịu tác động của selective fading.tác hại lớn nhất là gây nhiễu lên kí tự ISI.để khắc phục nó,người ta sử dụng một số biện pháp như phân tập,sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER…

 Fading chậm (slow fading)Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền.VD: Tòa nhà cao tầng,đồi làm cho biên độ tín hiệu suy giảm,còn gọi là hiệu ứng bóng râm(shadowing).Hiện tương này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn,nên tốc độ biến đổi chậm

 Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler,nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thy được sẽ bị dịch đi delta f so với tần số phát tương ứng.mức độ dịch tàn sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu(tại cùng một thời điểm phát).do đó hiện tượng này gọi là fading nhanh

Hình 2.4- hiện tượng fading

2.2.4.1 Beamfomer

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

Tạo búp nhằm hướng búp sóng trong không gian đến người sử dụng nhờ vậy giảm nhiễu đến các người sử dụng khác trong ô Trong trường hợp này phương phát (hay mẫu phát xạ) trùng với phương thu cực đại và các búp có hướng được tạo ra bởi các dàn anten được hiệu chỉnh chẳng hạn bằng mảng tuyến tính đồng dạng (Hình 2.5) hoặc mảng tròn đồng dạng

Kỹ thuật tạo búp thực hiện điều chỉnh pha và biên độ nguồn sóng cáp cho các phần tử anten mảng để điều chỉnh phương pháp phát/thu của anten mảng Việc điều chỉnh này thực hiện bằng cách chọn các trọng số cho từng loại anten Có hai loại tạo búp cơ bản: Tạo búp dựa trên phương tới (DOA: Direction of Arrival) hay vật lý và tạo búp eigen hay toán học

Hình 2.5- Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau

Là kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệu dạng anten mảng (anten mảng trong beamforming là dùng các phần tử anten đặt sát nhau, sau đó điều chỉnh pha cấp sóng cho anten để tạo búp sóng hẹp; điều chỉnh pha các phần tử anten nhằm hướng về máy di động Do phát hẹp nên không gây nhiễu ở cự ly xa) để định hướng truyền của tín hiệu nhằm tăng độ lợi angten phát và độ nhạy phía thu Nhiễu trong tín hiệu nhận được khi dùng kỹ thuật beamforming sẽ giảm, bởi vì beamforming lợi dụng nhiễu để chuyển tín hiệu trực tiếp vào các phần tử anten mảng Trong khi truyền tín hiệu đi các bộ điều khiển tạo búp sóng sẽ điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ nhiễu Đồng thời khi đang truyền tín hiệu người ta có thể nâng công suất của tín hiệu một cách trực tiếp

Tại phía thu các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổ hợp lại khả giống như mẫu ban đầu, đồng thời cũng tại phía thu các bộ tạo búp sóng tại các anten sẽ điều chỉnh các biên độ của tín hiệu thông qua các trọng số của nó như vậy tín hiệu nhận được sẽ được khôi phục như mong muốn

Là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau

để đầu thu có thể chọn trọng số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (forward error correction) cùng với kỹ thuật phân tập Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB.có các loại phân tập sau:

Hình 2.6 - phân loại phân tập

Diversity

Frequency

Diversity

Time Diversity

Space Diversity

Polarization Diversity

 Phân tập tần số

 Phân tập thời gian

 Phân tập không gian

 phân tập phân cực

Nhằm 2 mục đích chính: - Tăng tốc độ phát

- Giảm BER

2.2.5.1 Phân tập tần số(Frequency Diversity )

Phân tập theo tần số là kỹ thuật thu hoặc phát tín hiệu trên hai hoặc nhiều kênh tần số sóng vô tuyến.Tức là cùng một tín hiệu thu được phát trên hai tần số khác nhau đến anten thu,thì tín hiệu nào tốt hơn thì lấy tín hiệu đó.Các hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật phân tập tần số sẽ cải thiện chất lượng tốt hơn,nhưng việc sử dụng phổ tần không đạt hiệu quả cao

Hình 2.7 - Phân tập theo tần số

2.2.5.2 Phân tập gian (Time Diversity)

Kĩ thuật phân tập thời gian thời là phương pháp cơ bản nhất,dùng những khe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu.Như vậy,tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời điểm.Hoặc cùng một tín hiệu thu,có thể thu theo nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất

Hình 2.8- Phân tập theo thời gian

2.2.5.3 Phân tập không gian (Space Diversity)

Phân tập không gian sử dụng nhiều anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu.Trong phân tập không gian,các phiên bản của tín hiệu phá được truyền đến nới thu trên các anten khác nhau trong miền không gian

Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten mà người ta chia phân tập thành 3 loại: phân tập anten phát(hệ thống MISO),phân tập anten thu(hệ thống SIMO),phân tập anten phát

và thu (hệ thống MIMO)

Hình 2.9 – các phương pháp phân tập

Trong phân tập anten thu,nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập.Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường.Trong hệ thống thực tế,để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu,ta có thể kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập để có một hệ thống phân tập tốt hơn như phân tập không gian thời gian(STC),phân tập

theo không gian tần số (SFC)…

2.2.5.4 Phân tập phân cực (Polarization Diversity)

Trong thời gian trở lại đây,phân tập phân cực được sử dụng để giảm thiểu fading đa đường.Tại các trạm cơ sở,điều này sẽ giảm kích thước của các anten.Kĩ thuật phân tập không gian thường được sử dụng trong các trạm gốc nhưng kĩ thuật này đòi hỏi phải có hai anten nằm ngang cách nhau trên một sector.Kỹ thuật phân tập phân cực này có chứa một anten kép phân cực,trong đó chỉ có một anten trên mỗi sector là cần thiết.Trong phân tập không gian,sự phân tập thì các anten được đặt cách nhau,trong khi kỹ thuật phân tập phân cực sử dụng tất cả các anten trung tâm có pha trùng nhau

Tín hiệu truyền đi là điện trường nằm ngang hoặc thẳng đứng không tương quan ở

cả hai là điện thoại di động và các trạm thu cơ sở.Các thành phần phân cực ngang và dọc, Ex

và Ey , truyền bởi hai anten phân cực tại trạm gốc và nhận bởi hai ăng-ten phân cực tại điện thoại di động có thể cung cấp hai tín hiệu fading không tương quan Các giải tương quan (decorrelation) tín hiệu trong mỗi phân cực được gây ra bởi nhiều phản xạ trong các kênh giữa trạm di động và trạm gốc Sau khi phản xạ ngẫu nhiên đủ,trạng thái phân cực của tín hiệu sẽ được độc lập của phân cực truyền,trong công nghệ này điện và từ trường của các tín hiệu mang thông tin được sửa đôi và số lượng của tín hiệu này được sử dụng để gửi các thông tin tương tự và do đó loại được trực giao của phân cực

CHƯƠNG III: MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO 3.1 Mô hình MIMO tổng quát

Như đã giới thiệu ở chương II, trong MIMO tại phía phát có thể gửi nhiều luồng dữ liệu đồng thời thông qua hệ anten phát Các luồng dữ liệu này được mô phỏng như là ma trận kênh H với nhiều đường truyền giữa các anten phát phía phát và anten thu phía thu Như vậy phía thu thu được tín hiệu dạng vector gọi là vector tín hiệu Ta có thể mô phỏng hóa mô hình truyền dẫn gồm mã hóa, đan xen ghép đa người dùng trong băng tần gốc như sau:

L NY   HN XN NwN L N

t L

Trong đó :

 X là ma trận điều chế không gian thời gian

 L là độ dài khối của ma trận điều chế (hay mã không gian thời gian)

 Nb là số búp phát

 Nt là số anten phát

 Nr là số anten thu

 W là ma trận tạo búp NbNt

 Y là ma trận NrL của các tín hiệu thu

 H là ma trận kênh trong đó mỗi cột biểu thị một vectơ kênh từ nhiều anten phát đến

một anten thu

 η Là tạp âm Gauss phức

Hình sau mô tả mô hình MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu

Hình 3.1- Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu

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

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

Giả sử x= [ … , - là các số liệu phát

y= [ … , - là các số liệu thu

η= [ … , - là tạp âm gauss trắng phức của máy thu Nr

T là ký hiệu phép toán chuyển vị

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

Có thể viết lại quan hệ vào ta kênh ma trận , trong phương trình trên là:

Y = H.x + η (3.1)

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

SVD(Singular Value Decomposition)

3.2.1 Mô hình kênh SVD MIMO

SVD (singular value decomposition) là một dạng khai triển của ma trận có rất nhiều ứng dụng trong những vấn đề liên quan đến nghịch đảo và số hóa các dữ liệu.Hiện nay phân tích SVD của ma trận xuất hiện rất nhiều trong các ứng dụng thực tế như về tín hiệu số, tính các giá trị xấp xỉ trong kĩ thuật, công nghệ thông tin, và được ứng dụng trong các công cụ tìm kiếm trên các website

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

Ta viết lại phương trình (3.1) Y= Hx +

Hình 3.2 - xây dựng mô hình kênh SVD MIMO

Lúc này phân chia giá trị đơn SVD [49,5],cho ta: