Khảo sát BER các giao thức và kỹ thuật trong truyền thông đa chặng của mạng LTE-ADVANCED

Đồ án sẽ tập trungnghiên cứu các giao thức và kỹ thuật sử dụng trong trạm chuyển tiếp trong truyền thông đa chặng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng đường truyền từ tr

cuộc sống hằng ngày của chúng ta Từ khi ra đời năm 1979 đến nay, hệ thống thông tin diđộng đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ 1G đến 4G với tốc độ và chất lượng dịch

vụ ngày càng cao đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Do đó nội dung đồ án sẽ tìm hiểu

và nghiên cứu một kỹ thuật mới trong 4G/LTE-ADVANCED nhằm nâng cao chất lượng

hệ thống; đó là kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin di động Đồ án sẽ tập trungnghiên cứu các giao thức và kỹ thuật sử dụng trong trạm chuyển tiếp trong truyền thông

đa chặng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng đường truyền từ trạmgốc đến thuê bao Qua đó ta có thể thấy được những lợi ích vượt trội mà kỹ thuật chuyểntiếp mang lại cho hệ thống thông tin di động thông qua phần lý thuyết và phần mô môphỏng

Đồ án: “ Khảo sát BER các giao thức và kỹ thuật trong truyền thông đa chặng củamạng LTE-ADVANCED ” giúp chúng ta hiểu thêm về một công nghệ mới được áp dụng

để nâng cao chất lượng hệ thống Để hiểu rõ hơn về công nghệ đó, đồ án được chia thành

4 chương với nội dụng như sau:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động

- Chương 2: Tổng quan về trạm chuyển tiếp

- Chương 3: Các kỹ thuật sử dụng trong chuyển tiếp

- Chương 4: Khảo sát và mô phỏng

Sau khi tìm hiểu đồ án chúng ta có thể hiểu thêm về những vấn đề cơ bản vềchuyển tiếp trong thông tin di động Hiểu hơn những ưu điểm của các giao thức và kỹthuật mang lại cho hệ thống thông tin đa chặng Hơn hết là có cái nhìn tổng quan về kỹthuật chuyển tiếp trong truyền thông đa chặng trong mạng LTE-ADVANCED

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2014

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương đầu tiên của đồ án này chúng ta sẽ nói sơ qua và cho cái nhìntổng quát về hệ thống thông tin di động Chương bao gồm các phần sau:

 Lịch sử phát triển của thông tin di động

 Tổng quan về LTE và LTE-ADVANCED

 Các công nghệ sử dụng trong LTE-ADVANCED

1.2 Sơ lược về hệ thống thông tin di động

Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hòi các kỹthuật tiên tiến và công nghệ cao; nó là một nhánh hết sức quan trọng và phát triểnmạnh mẽ trong lĩnh vực truyền thông Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thôngtin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19, và kể từ đó nó trở thành một công nghệđược sử dụng rộng rãi Đến ngày nay chúng ta đã quá quen với việc sử dụng cácthiết bị di động, dường như chúng đã trở thành một phần không thể thiểu trong cuộcsống Để có được như ngày nay, thì hệ thống thông tin di động đã trải qua lịch sửphát triển lâu dài với những bước ngoặt tương ứng với các thời kì

Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn pháttriển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệthống thông tin di động số thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ bađang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa phươngtiện thế hệ tư đang được nghiên cứu, phát triển và triển khai trên một số nước

Từ những năm 1979 hệ thống 1G thương mại đầu tiên đã được ra đời ở NhậtBản, hệ thống này ban đầu lúc đầu có tốc độ khá thấp, chủ yếu là phục vụ cho thoạinhưng nhu cầu truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấprất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ

sở khai thác mạng hiện có; nó đã khởi đầu cho một quá trình phát triển mạnh mẽ.Sau đó hệ thống 1G nhanh chóng được thay thế bằng hệ thống 2G, hệ thống này cóchất lượng tốt hơn, tốc độ nhanh hơn, cung cấp thêm dịch vụ truyền bản tin thay vìchỉ có thoại như trước đây, và từ đó hệ thống đặc trưng cho 2G là GSM ngày nayđược sử dụng khá phổ biến Cùng với Internet, Intranet đang trở thành một trongnhững hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng Kéo theo sự phát triển của cácthiết bị di động thông minh, đa chức năng ra đời ngày càng nhiều, cùng với đó làcác dịch vụ đa phương tiện phát triển mạnh mẽ, đồng thời nhu cầu truyền tải dữ liệutốc độ cao cũng tăng nhanh, khiến cho các hệ thống trước đó trở nên lỗi thời.Những yêu cầu đó dẫn đến sự ra đời của các thế hệ di động sau này, và các thế hệ3G, 4G ra đời như ta đã biết, các hệ thống này có thể cung cấp cho chúng ta cácdịch vụ đa dạng như gọi video, chơi game, xem tv Với tốc độ nhanh hơn hẳn cũngnhư chất lượng tốt, các thế hệ thông tin di động này hứa hẹn đáp ứng được các nhucầu hiện tại, và sẽ được phát triển rộng rãi trong nay mai

Hình 1.1: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động

1.3 Tổng quan về công nghệ LTE

1.3.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là từ viết tắt của Long Term Evolution miêu tả công việc chuẩn hóa của3GPP để xác định phương thức truy cập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thốngtruyền thông di động LTE được xem như là thế hệ thứ tư, thế hệ tương lai củachuẩn UMTS do 3GPP phát triển Năm 2008, phiên bản phat hành cuối cùng3GPP8, mang lại nhiều hơn sự cải tiến đối với HSDPA và HSUPA, được xem như

là phiên bản đầu tiên của LTE 3GPP phiên bản 9 tập trung vào những mở rộng đốivới LTE Mục tiêu của LTE là cung cấp một dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp,các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linhhoạt khi triển khai Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợlưu lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ,thời gian trễ tối thiểu

Các ưu điểm nổi bật của hệ thống LTE:

- Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mbps và trên kênhđường lên có thể đạt 50Mbps

- Tăng tốc độ truyền dữ liệu trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển

- Đảm bảo hiệu suất di chuyển, giảm độ trể

- Không còn chuyển mạch kênh Tất cả sẽ dựa trên IP.VoIP sẽ dùng cho dịch vụthoại

- Độ phủ sóng từ 5-100km

- Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng3GPP LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điềunày hết sức quan trọng cho nhà cung cấp triển khai 3GPP LTE vì không cần thayđổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có

- OFDMA và MIMO được sử dụng trong LTE thay vì CDMA như trong 3G

1.3.2 Kiến trúc mạng LTE

LTE được thiết kế để hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói, hướng đếncung cấp các kết nối IP giữa các UE (User Equipment) và PDN (Packet DataNetwork) Phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao

gồm cả thoại thông qua các kết nối gói Được xây dựng trên một kiến trúc phẳng,rất đơn giản chỉ với 2 loại nút B phát triển (eNode B) và thực thể quản lý diđộng/cổng (MME/GW – Mobility Management Entity/Gateway).

Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống cho mạng LTE

Hình 1.2 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúctổng quát mạng LTE cơ sở với chỉ mạng truy cập E-UTRAN Hình cũng cho thấy

sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bi người dùng (UE); UTRANphát triển (E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển (EPC); và các vùng dịch vụ

1.3.3 Kiến trúc mạng lõi LTE

Mạng lõi EPC chịu trách nhiệm điều khiển tổng thể UE và thiết lập cácthông báo Các nút logic chính của mạng lõi EPC là :

- Thực thể quản lý di động (MME)

- Cổng phục vụ (S-GW)

- Cổng mạng số liệu gói (P-GW)

Hình 1.3: Kiến trúc mạng lõi LTE

+ Thực thể quản lý di động (MME) : Thực thể quản lý tính di động (MME) là thànhphần điều khiển chính trong EPC Điều khiển các Node xử lý tín hiệu giữa UE vàEPC Giao thức giữa UE và EPC là Non-Access Stratum (NAS)

Các chức năng chính của MME được phân loại như sau :

 Các chức năng liên quan đến quản lý thông báo: chức năng này bao gồmthiết lập duy trì và gởi đi các thông báo và được điều khiển bởi lớp quản lýphiên trong giao thức NAS

 Các chức năng liên quan đến quản lý kết nối: bao gồm việc kết nối và bảomật giữa mạng và UE được điều khiển bởi lớp quản lý tính di động hoặc kếtnối trong giao thức NAS

+ Cổng phục vụ (S-GW): tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông quaS-GW, S-GW như một trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi

UE di chuyển giữa các eNodeB Đối với mỗi UE, S-GW giữ lại thông tin về cácthông báo khi UE trong tình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho dữ liệu hướngxuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE Thêm vào

đó, S-GW còn thực hiện các chức năng điều khiển mạng khách như là thu thậpthông tin để tính cước

+ Cổng mạng số liệu gói (P-GW): chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE, chophép UE truy nhập đến mạng dữ liệu gói (PDN) bằng cách gắn địa chỉ IP từ mạngPDN vào UE; ngoài ra nó còn thực thi QoS, thực hiện chức năng chọn lưu lượng vàlọc các gói IP hướng xuống người sử dụng trong các thông báo QoS khác nhau.

Ngoài các Node này, EPC cũng gồm có những Node và chức năng vật lý khác như HSS (Home Subscriber Server) và PCRF (Policy Control Charging Rules Function)

+ Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF): là một phần tử mạng chịutrách nhiệm cho việc điều khiển chính sách và tính cước Nó tạo ra các quyết định

về cách xử lý các dịch vụ QoS

+Máy chủ thuê bao thường trú (HSS): là kho dữ liệu thuê bao cho tất cả dữ liệungười dùng thường xuyên Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức độ củanút điều khiển mạng tạm trú Lưu trữ bản gốc của hồ sơ thuê bao, trong đó chứathông tin về các dịch vụ áp dụng cho người sử dụng bao gồm cả thông tin về các kếtnối PDN được cho phép và có được phép chuyển đến một mạng khác nào đó haykhông

1.3.4 Mạng truy cập E-UTRAN

Mạng truy cập E-UTRAN chỉ bao gồm mạng lưới các eNodeB Vì thế kiếntrúc E-UTRAN được gọi là một cấu trúc phẳng Các eNodeB kết nối với nhau thôngqua các đường giao tiếp X2, và kết nối với EPC bằng đường giao tiếp S1 Giao tiếpS1 là giao diện giữa E-UTRAN và EPC, nó mang dữ liêu giao thông giữa cáceNodeB và S-GW; nó là một giao diện báo hiệu chỉ giữa các eNodeB và các MME.Giao tiếp X2 là giao diện giữa các eNodeB; các đường giao tiếp này được dùng đểchuẩn bị những cuộc chuyển giao và dùng để gữi chuyển tiếp dữ liệu người dùng(các gói IP) từ mạng cơ sở hiện tại sang mạng cơ sở mới để giảm thiểu dữ liệungười dùng thất thoát trong quá trình chuyển giao

hợp chức năng điều khiển vô tuyến trong eNodeB Điều này cho phép sự tương tácthích hợp giữa những lớp giao thức khác nhau của mạng truy cập vô tuyến, vì vậy

có thể giảm trể và cải thiện hiệu suất

1.3.5 Thiết bị người dùng UE

UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối để liên lạc Thông thường nó là nhữngthiết bị cầm tay như điện thoại thông minh UE chứa có modun nhận dạng thuê baotoàn cầu (USIM), USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng đểlấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyển tải trên giao diện vô tuyến

Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tínhiệu với mạng thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần.Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vịtrí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng Có lẽ quantrọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứngdụng như VoIP có thể sử dụng để thiết lập một cuộc gọi thoai

1.3.6 Vùng dịch vụ (Services)

Bao gồm các dịch vụ của nhà mạng (IMS) và Internet IMS là một kiến trúcmạng dùng để thao tác, quản lý và điều khiển các dịch vụ đa phương tiện đến ngườidùng cố định hay di động Nó là một lớp quản lý dịch vụ chung cho tất cả các dịch

vụ đa phương tiện, độc lập với mạng truy nhập mà người dùng đang kết nối

Ngoài ra nó còn cung cấp cho việc sử dụng mạng Internet Internet cung cấpphương thức để mọi người liên lạc, trao đổi, tương tác và làm việc cùng nhau.Trong khi các mạng truy nhập vận tải dữ liệu không cần thời gian thực thì tronginternet các dịch vụ thời gian thực với chất lượng dịch vụ QoS cao ngày càng đượcphát triển rộng rãi

1.4 Các công nghệ sử dụng trong LTE-ADVANCED

1.4.1 Kết hợp sóng mang (Carrier Aggregation)

Kết hợp sóng mang (CA) là một trong những chức năng quan trọng nhất củaLTE-ADVANCED; sử dụng kỹ thuật kết hợp sóng mang để truyền dẫn băng rộnghơn và chia sẻ phổ tần Độ rộng băng truyền dẫn cao hơn hẳn so với LTE, UL là40MHz và DL lên đến 100Mhz (Trong khi đó LTE cả 2 đường đều là 20MHz)

Hình 1.5: Kết hợp sóng mang trong LTE-ADVANCED

Các sóng mang được kết hợp lại chính là các sóng mang cơ sở trong pháthành 8, điều này chính là yếu tố khiến cho LTE-ADVANCED có thể dể dàng hơntrong khả năng tương thích ngược

Việc sử dụng kết hợp sóng mang đem lại lợi ích cho hiệu năng của hệ thốngtheo 2 cách sau:

+ Tốc độ dữ liệu đỉnh tăng lên khi thực hiện kết hợp phổ từ hai hay nhiều băng tầntần số Tốc độ dử liệu đỉnh theo lí thuyết từ việc kết hợp sử dụng kết hợp sóngmang với tổng cộng phổ tần 40MHz và 8 anten có thể đạt tới 1,2Gbps cho đườngxuống và Mbps cho đường lên (với công nghệ truyền dẫn đa anten đường lên).+ Tăng thông lượng trung bình của người dùng, đặc biệt khi số lượng người dùngquá lớn Lập lịch sóng mang chung trong eNodeB cho phép sự lựa chọn sóng mangtối ưu do đó dẫn đến hiệu năng tốt nhất và cân bằng tải tốt nhất giữa các sóng mang

1.4.2 Kết nối chuyển tiếp (Relay)

Hình 1.6 : Kết nối chuyển tiếp trong LTE-ADVANCED

Tiếp theo là một trong công nghệ mới được sử dụng trong ADVANCED, đó là kết nối chuyển tiếp (Relay) LTE-ADVANCED sử dụng kếtnối chuyển tiếp để tăng hiệu năng của mạng bằng cách thêm vào các nút mạng trongcác vùng, nơi có các vấn đề nhất định về vùng phủ sóng

LTE-Việc mở rộng vùng phủ vô tuyến có thể thực hiện theo nhiều cách:

+ Một cách trực tiếp có thể thực hiện được đó là sử dụng các bộ lặp lựa chọn tần số,đơn giản là khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu tại một vài băng tần nhất định nào

đó Do khuếch đại luôn cả nhiễu làm giảm hệ số SNR nên nó thường được sử dụngvới mục đích như là mở rộng vùng phủ sóng, năng cao mật độ phủ sóng hơn là nângcao chất lượng của hệ thống

+ Một phương pháp khác đó là sử dụng các thiết bị như giải mã và chuyển tiếp tínhiệu Trong trường hợp này, tín hiệu mong muốn được giải mã và sau đó được mãhóa trở lại rồi lại chuyển tiếp đến UE hay eNodeB Nhờ tiến hành giải mã và mãhóa lại tin hiệu tại trạm chuyển tiếp nên giao thức này có thể giúp tăng hệ số SNRnhờ đó nâng cao chất lượng truyền thông tin và thường được sử dụng để cài thiệnchất lượng của tuyển thông tin

1.4.3 Giải pháp đa anten (MIMO)

Kỹ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output) trong lĩnh vực truyềnthông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu Kỹthuật MIMO tận dụng sự phân tập (thời gian, không gian, mã hóa,…) nhằm nângcao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu Tuy nhiên không giống OFDM, MIMO phátđồng thời và cùng tần số Vì thế MIMO được xem là một trong những khía cạnhchính của LTE-ADVANCED giúp cho phép hệ thống đáp ứng được yêu cầu về tốc

độ MIMO có 2 chế độ hoạt động chính là MIMO người sử dụng đơn (SU-MIMO)

và MIMO đa người sử dụng (MU-MIMO)

Hình 1.7: Các chế độ MIMO chính trong LTE-ADVANCED

+ MIMO người sử dụng đơn (Single User MIMO - SU-MIMO) :

 Hai dòng dữ liệu được mã hóa để phù hợp với kênh truyền

 Dung lượng cell tăng và tốc độ dữ liệu tăng

+ MIMO đa người sử dụng (Multi User MIMO - MU-MIMO) :

 Dòng dữ liệu MIMO đa người dùng đến từ các UE khác nhau

 Dung lượng cell tăng ,tốc độ dữ liệu không đổi



Trên thực tế LTE-ADVANCED chọn MIMO đa người dùng làm hướng pháttriển chính là vì :

+ Ở hướng lên, thật khó cho các UE sử dụng MIMO do bởi kích thước của UE hạnchế và công suất ngõ ra của nó Tuy nhiên bản thân kênh truyền hướng lên LTE vẫnthích hợp cho truyền MIMO hướng lên Để tận dụng trọn vẹn kênh truyền này, cácnhà công nghệ thực hiện kỹ thuật anten đa người dùng (multi user MIMO) MU-MIMO cho phép nhiều người dùng truy cập đồng thời cùng một kênh bằng cách sửdụng độ không gian tự do được cung cấp bởi MIMO

+ Về phía trạm cơ sở, các dòng dữ liệu này được phân tách bởi bộ thu sóng MIMO

và được xử lý như là những cuộc truyền từ những thiết bị độc lập, không phụ thuộcvào thiết bị đầu cuối Tuy điều này không làm cho tốc độ truyền của mỗi thiết bịcao hơn, nhưng dung lượng hướng lên tổng thể của cell được gia tăng đáng kể

1.4.4 Hệ thống phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP

Hệ thống phối hợp truyền đa điểm CoMP (Cooperative MultipointTransmission) trong LTE-ADVANCED được xem như là công cụ để tăng vùng phủcủa tốc độ dữ liệu cao, thông lượng biên ô và tăng thông lượng hệ thống

Hình 1.8: Hệ thống phối hợp với 2 nút chuyển tiếp

Hệ thống phối hợp có 1 nút nguồn phát bản tin đến 1 số nút chuyển tiếp vànút đích Các nút chuyển tiếp gửi lại tín hiệu đã được xử lý đến nút đích Nút đíchkết hợp và sử dụng phân tập tín hiệu thu từ các nút chuyển tiếp và từ nút nguồn đểnhận được tín hiệu thu

Lợi ích của hệ thống CoMP trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ:

+ Tăng hiệu quả sử dụng mạng: bằng việc cung cấp kết nối tới nhiều trạm cùng lúc,

dữ liệu có thể tận dụng tối ưu tài nguyên của các trạm phát đó

+ Nâng cao chất lượng thuê bao: sử dụng nhiều tế bào mạng trên 1 thuê bao sẽ tăngkhả năng thu nhận và giảm đáng kể việc mất kết nối

+ Giảm nhiễu: Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm vàcan nhiễu ở thiết bị đầu cuối nhờ sử dụng phân tập tín hiệu thu từ các nút chuyểntiếp và nút nguồn

1.5 Kết luận chương

Kết thúc chương chúng ta có thể hiểu được sơ qua về lịch sử thông tin diđộng và đặc biệt là về kiến trúc mạng LTE và những công nghệ được sử dụng trongLTE-ADVANCED Thông qua những công nghệ đó ta thấy xu hướng của thông tin

di động là ngày càng cố gắng xây dựng hệ thống có chất lượng tốt để phục vụ chonhu cầu sử dụng LTE-ADVANCED là một trong những hệ thống hiện đại đang đitheo xu hướng đó Bên cạnh các công nghệ cơ bản đang sử dụng trong LTE thì mộtloạt công nghệ mới được nghiên cứu áp dụng Và công nghệ chuyển tiếp là mộtcông nghệ khá phù hợp, và hứa hẹn mang lại nhiều hiệu quả tích cực Và chúng ta

sẽ tiếp tục tìm hiễu kĩ hơn về công nghệ này trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TRẠM CHUYỂN TIẾP

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này chúng ta sẽ tập trung vào tìm hiểu một số vấn đế liện quanđến trạm chuyển tiếp:

 Giới thiệu chung và khái niệm về chuyển tiếp

 Phân loại chuyển tiếp

 Mô hình thông tin đa chặng: One-way relay và Two-way relay

 Ưu và nhược điểm của các trạm chuyển tiếp

2.2 Giới thiệu chung và khái niệm về chuyển tiếp

2.2.1 Giới thiệu chung về chuyển tiếp

Dù chưa chính thức được chuẩn hóa nhưng trong chuẩn di động thế hệ 4G,tốc độ truyền dẫn dữ liệu tại giao diện vô tuyến được mong đợi là gấp 10 lần sovới tốc độ hệ thống 3G hiện nay Để đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dẫncao thì một trong những giải pháp là dùng các chùm tín hiệu điều chế tốc độ cao

Ví dụ các chùm tín hiệu điều chế 16-QAM đã được đề xuất trong các tiêu chuẩn3G ở cà 3GPP và 3GPP2, trong chuẩn di động WiMAX, chùm tín hiệu điều chế64-QAM cũng được sử dụng với mục đích cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng.Tuy nhiên nếu duy trì mức công suất phát ngang bằng với công suất sử dụng ởnhững chùm tín hiệu mật độ thấp thì khoảng cách cực tiểu giữa 2 điểm tín hiệutrên chùm tín hiệu sẽ giảm (Hình 2.1) Điều đó đồng nghĩa với việc tỷ lệ lỗi kýhiệu sẽ tăng lên hay nói khác đi để đảm bảo chất lượng dịch vụ (BER) các máyphát phải tăng công suất

Việc tăng công suất trong mạng thông tin di động sẽ khó khăn đối với máyđầu cuối vô tuyền vì các máy đầu cuối vô tuyến như: cell phone, PDA sử dụng pinlàm nguồn nuôi, công suất phát tăng sẽ rút ngắn thời gian sử dụng pin của nhữngthiết bị này.

Hình 2.1: Sự thay đổi khoảng cách cực tiểu của các chùm tia tín hiệu điều chế mật

độ cao

Đề giải quyết hai khó khăn trên thông thường người ta dùng giải pháp thunhỏ kích thước cell và tăng mật độ các trạm thu phát gốc như Hình 2.2(a) Tuyvậy, nhược điểm của giải pháp này là :

- Phải cung cấp thêm các đường truyền dẫn ( thường là các luồng E1 ) từ các trạmBTS mới đến trung tâm điều khiển trạm gốc BSC Nhưng trên thực tế không phảilúc nào các luồng truyền dẫn E1 cũng sẵn có đối với tất cả các nhà khai thác mạng

- Cần phải tổ chức lại mạng lưới như: ấn định lại các tần số vô tuyến cho từng trạmthu phát gốc và dịch chuyển các điểm đặt trạm thu phát gốc

- Cung câp thêm các tần số vô tuyến vì nhiều trạm thu phát gốc mới đã được đưa vào.Điều này có thể chưa khó khăn đối với một số nhà khai thác mạng chưa phát triển.Nhưng đối với những nhà khai thác mạng đã sử dụng gần hết các tần số cấp phépthì việc thêm tần số vô tuyến mới là điều rất khó khăn

- Phải thuê và xây dựng các trạm thu phát mới cũng gây nên những tốn kém nhấtđịnh trong việc triển khai hệ thống vì trong một khu vực việc chọn được một địađiểm tối ưu để đặt trạm gốc là rất khó khăn Đặc biệt là trong tình trạng có nhiềunhà khai thác cùng hoạt động

Những nhược điểm trên dẫn đến giá thành của giải pháp này rất lớn Đối vớinhững nhà khai thác mạng đã phát triển đến mức độ bão hòa (số thuê bao khôngthể tăng vọt) thì những tốn kém trong việc triển khai hệ thống như thế sẽ làm giảmtính cạnh tranh, vì cước phí trên một đơn vị bit thông tin tăng cao.

Hình 2.2: a) Giải pháp thu nhỏ cell và dùng nhiều BTS;

b) Giải pháp dùng trạm chuyển tiếp

Gần đây, người ta đưa ra một giải pháp để khắc phục nhược điểm của giảipháp này mà vẫn duy trì được chất lượng dịch vụ Đó là giải pháp sử dụng trạmchuyển tiếp bên trong các cell (tế bào) Đối với giải pháp sử dụng các trạm chuyểntiếp thì không cần thay đổi kích thước cell, không cần quy hoạch lại mạng cũngnhư cung cấp thêm các đường truyền E1 Các trạm chuyển tiếp có thể được thiết kếhoạt động ở dải tần không cần cấp phép và các trạm chuyển tiếp không cần thiếtphải đặt ở những vị trí quá cao Những ưu điểm này làm cho chi phí của giải phápdùng các trạm chuyển tiếp giảm đi đáng kể và thời gian triển khai cũng được rútngắn lại

2.2.2 Khái niệm về chuyển tiếp

Như đã nói sơ qua trong phần giới thiệu chuyển tiếp thì ta có thể hiểu rằngbên trong mỗi cell ngoài trạm gốc BTS còn có các trạm chuyển tiếp để tiếp nhận vàtruyền lại các tín hiệu từ các trạm gốc và thuê bao, nhờ đó có thể tăng chất lượngcủa hệ thống và mở rộng vùng phủ sóng của mạng di động; các trạm này được gọi

là trạm chuyển tiếp Chuyển tiếp có cấu trúc khá đơn giản, dể dàng cho việc triểnkhai lắp đặt Việc xây dựng các trạm chuyển tiếp đã làm giảm chi phí nâng cao chấtlượng của hệ thống, thời gian triển khai cũng được rút ngắn lại Có thể nói trạmchuyển tiếp là phương pháp tối ưu giúp cho hệ thống nâng cao chất lượng hệ thốngvới chi phí thấp, không cần tái tạo lại mạng lưới cũng như xây dựng thêm các trạmthu phát mới

Hình 2.3: Mô hình hệ thống với trạm chuyển tiếp

Với khả năng nâng cao chất lượng dịch vụ và vùng phủ sóng của mạng diđộng, hệ thống trạm chuyển tiếp đang càng được đầu tư nghiên cứu và triển khairộng rãi Việc triển khai hệ thống các trạm chuyển tiếp cho hệ thống khá dể dàng,

nó không cần thiết phải thay đổi cấu trúc xương sống của mạng hiện tại và nhờ đó

nó có thể được triển khai nhanh chóng trực tiếp cho hệ thống thông tin liên lạc Việctriển khai hệ thống nhiểu trạm chuyển tiếp còn giúp cho hệ thông nâng cao dunglượng với sự phân tập theo không gian dược sử dụng tại các thuê bao

 Dựa theo băng tần sử dụng.

 Dựa theo cơ sở hạ tầng

 Dựa theo các giao thức truyền dẫn

2.3.1 Dựa theo các mô hình thực tế

Hình 2.4: Dựa theo các mô hình thực tế

Việc truyền tín hiệu trong không gian tự do ngoài ảnh hưởng bởi yếu tố suyhao nó còn ảnh hưởng bởi các yếu tố như fading Vì thế việc truyển tải tín hiệu đi

xa nhất là các vùng biên tế bào rất khó khăn, khi đó tín hiệu rất xấu nên thuê baokhông thể kết nối đến trạm gốc Bên cạnh đó việc truyền tải tín hiệu còn bị ảnhhưởng bởi các điều kiện vật lý như các vật cản lớn, tòa nhà cao tầng, địa hình đồinúi Với khả năng nâng cao chất lượng của hệ thống và mở rộng vùng phủ sóng thìviệc lựa chọn sử dụng relay trong các trường hợp đó hoàn toàn có khả năng Dựatheo các mô hình trong thực tế người ta sẽ lựa chọn vị trí đặt chuyển tiếp và giaothức thích hợp để đạt chất lượng tối ưu

2.3.1.1 Ở nông thôn ( vùng dân cư thưa thớt )

Hình 2.5: Chuyển tiếp ở vung nông thôn

Các dịch vụ ở khu vực nông thôn có đặc tính vùng phủ sóng rộng và mật độngười dùng thấp Ở vùng này, thông thường có mật độ người dùng thấp và khôngtập trung Do đó ở vùng này, các nhà mạng thường quan tâm làm sao để mở rộngvùng phủ sóng với chi phí thấp, và trong trường hợp này chuyển tiếp là một giảipháp hiệu quả Ở vùng nông thôn, thì ngoài mật độ người dùng thấp, môi trườngtruyền cũng khá trống trải, nên chất lượng truyền tin cũng đảm bảo hơn Do đó việc

sử dụng các trạm chuyển tiép để mở rộng vùng phủ sóng, giảm thiểu số trạm gốc vàtiết kiệm chi phí là một giải pháp hiệu quả

2.3.1.2 Ở vùng đô thị ( người dùng tập trung )

Hình 2.6: Chuyển tiếp ở vùng đô thị

Các vùng đô thị là các vùng có đặc điểm khá trái ngược so với vùng nôngthôn Ở vùng này thường có mật độ người sử dụng là khá cao, và phân bố khôngđồng đều Mục đích chính triển khai trong khu vực này là nâng cao năng lực củamạng Ở vùng này kích cở các cell thường nhỏ và người ta thường sử dụng cácchuyển tiếp ở các khu vực tập trung để nâng cao cường độ sóng tại các vùng này

Trong vùng này mật độ các tòa nhà cao tần là khá lớn, nó làm cho các đườngtruyền LOS bị hạn chế và hiện tượng fading bóng mờ là khá lớn Khi ta sử dụng cáctrạm chuyển tiếp, thông thường các trạm này được lặp đặt ở nơi cao và có đườngLOS đến trạm gốc cũng như các thuê bao trong khu vực, nhờ đó nó khắc phụcđược các nhược điểm truyền tin trong khu vực thành phố khá hiệu quả

2.3.1.3 Điểm chết ( vùng bị che khuất )

Các điểm chết ở phía sau, xung quanh các tòa nhà cao tầng nơi mà sóng vôtuyến của trạm gốc không thể đến được Các kích thước lớn của các tòa nhà hay cácvật cản dể dàng tạo ra các điểm chết xung quanh nó Môi trường truyền trongtrường họp này tương tự như môi trường trong đô thị Nhiễu chủ yếu do sự phản xạcủa các tòa nhà cao tầng hay vật cản Trong trường hợp này sử dụng chuyển tiếp làcần thiết, và có thể sử dụng relay giãi mã và chuyển tiếp DF để cải thiện chất lượngthông tin

Hình 2.7: Chuyển tiếp trong khu vực điểm chết

2.3.1.4 Các vị trí trong nhà

Chuyển tiếp có thể được sử dụng để đạt được thông lượng dữ liệu cao chocác vị trí trong nhà Do đa số các thuê bao đang ở trong nhà và tại các công sở nênsóng truyền từ các thiết bị thường bị phản xạ và khúc xạ bởi tường và các thiết bịtrong nhà Việc sử dụng chuyển tiếp trong các trong trường hợp này giúp nâng caothông lượng và phục vụ các thuê bao bên trong với vùng phủ sóng yếu

Hình 2.8: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao trong nhà

2.3.1.5 Nhóm thuê bao di chuyển: như trên xe buýt, tàu điện

Việc sử dụng điện thoại di đông thông minh đang ngày càng tăng một cáchmạnh mẽ, người sử dụng trên các phương tiện vận chuyển công cộng trong lúc chờđợi sẽ có xu hướng sử dụng dịch vụ truy cập không dây tốc độ cao Dịch vụ thoạitrên xe buýt hoặc xe lửa thường có nhiều tạp âm và tốc độ dữ liệu thấp Trong điềukiện di chuyển nhanh thì liên lạc giữa trạm gốc và thuê bao trên đó khá xấu, và do

đó xác suất đứt liên lạc cao

Để hổ trợ cho trường hợp này, người ta thường sử dụng các chuyển tiếp gắn

ở trên đỉnh các phương tiện, các chuyển tiếp hoạt động giống như các điểm truynhập duy nhất cho các thiết bị di động bên trong truy nhập vào Với nhu cầu sửdụng với tốc độ dữ liệu và mật độ người dùng khá cao , tốc độ di chuyển nhanh nênchuyển tiếp trong trường hợp này đòi hỏi phải có những kỹ thuật tốt

Hình 2.9: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao di chuyển.

2.3.1.6 Triển khai mạng tạm thời

Hình 2.10: Sử dụng chuyển tiếp để triển khai mạng tạm thời

Chuyển tiếp có thể được sử dụng để cung cấp mạng không dây tạm thờitrong các trường hợp khẩn cấp như thiên tai, khủng bố, hoặc trong các sự kiện nhưtrò chơi thể thao, tập hợp cộng đồng, buổi hòa nhạc cộng động hay vì một lí do nào

đó mà bị gián đoạn liên lạc ở một vùng cụ thể Trong các trường hợp này, mạng tạmthời cần được nhanh chóng triển khai và phải đảm nhận được một phần chức năngcủa một mạng lưới toàn diện

2.3.1.7 Mạng lưới không dây

Hình 2.11: Sử dụng chuyển tiếp làm mạng lưới không dây

Trong một số trường hợp thì người ta sử dụng chuyển tiếp để kết nối, truyềntải thông tin từ một trạm phát sóng hoặc một mạng từ xa về mạng trục Thôngthường người ta thường sử dụng mô hình này để mở rộng vùng phủ sóng cho vùngnúi, vùng có dân cư thưa thớt hay vùng đảo Các chuyển tiếp được triển khai đểhoạt động chỉ như một nút truyền dẫn giữa các eNodeB, mà không phục vụ bất kỳuser nào Để giảm sự ảnh hưởng của thời tiết người ta sử dụng các bước sóng ngắn

để truyền point-to-point Các nút chuyển tiếp này được đặt ở những vị trí cố định.Việc tối ưu hóa chuyển tiếp là quan trọng để đảm bảo chất lượng kênh tốt củatruyền dẫn Khả năng truyền tải của nút chuyển tiếp dự kiến sẽ được nâng cao đểđảm bảo truyền dẫn tốc độ cao trong truyền dẫn không dây

2.3.2 Dựa theo vùng phủ sóng

Hình 2.12: Dựa theo vùng phủ sóng

Trong trường hợp này các nhóm trạm chuyển tiếp được chia thành 2 loại thường được gọi là loại minh bạch và không minh bạch.

+ Trường hợp minh bạch: Các trạm chuyển tiếp thường nằm trong vùng phủsóng trực tiếp của trạm gốc, trong vùng này tồn tại đường liên lạc trực tiếp từ trạmgốc đến thuê bao, cũng có thể không tồn tại đường LOS dù thuê bao nằm trongvùng phủ sóng Trong trường hợp này các trạm chuyển tiếp dùng để nâng cao chấtlượng đường truyền đối với trường hợp nằm ở vùng biên tế bào và các vùng bị chekhuất

+ Trường hợp không minh bạch : Các trạm chuyển tiếp được đặt ở nhữngvùng xa hơn đó là nơi các thuê bao không nằm trong phạm vi phủ sóng của trạmgốc, ở những vùng này các chuyển tiếp phủ sóng một vùng nhỏ xung quanh nó, nó

có tác dụng như một điểm truy cập cho các thuê bao ở vùng đó Trong trường hợpnày các trạm chuyển tiếp dùng để mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc

a) Trường hợp minh bạch b) Trường hợp không minh bạch

Hình 2.13: Trường hợp minh bạch và trường hợp không minh bạch

2.3.3 Dựa theo băng tần sử dụng

Một cách phân chia thường gặp nữa là theo băng tần sử dụng cho đườngtruyền giữa trạm chuyển tiếp và trạm gốc và giữa trạm chuyển tiếp và trạm thuêbao Theo cách này người ta chia làm hai loại đó là băng tần và ngoài băng tần

+ Trong băng: một trạm chuyển tiếp mà đường truyền giữa nó và trạm gốc sửdụng các tần số sóng mang giống với tần số sóng mang giữa trạm gốc đó với cácthiết bị thuê bao thì được gọi là trạm chuyển tiếp trong băng

a) Trong băng b) Ngoài băng

Hình 2.14: Dựa theo băng tần sử dụng

+Ngoài băng : thì khác với nhóm trong băng, nhóm trạm chuyển tiếp ngoàibăng sử dụng dãi tần số sóng mang dành cho trạm chuyển tiếp và trạm gốc khác vớitrạm gốc và thiết bị thuê bao

2.3.4 Dựa theo cơ sở hạ tầng

2.3.4.1 Trạm chuyển tiếp cố định

Các trạm chuyển tiếp cố định được để cải thiện vùng phủ sóng và nâng caochất lượng đường truyền ở biên tế bào, cứu lấy những điểm chết bị che khuất nằmsau các tòa nhà Ngoài ra nó còn được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng chongười dùng nằm tế bào, sử dụng xây dựng truyền dẫn không dây Các trạm chuyểntiếp có thể được xây dựng trên đỉnh các tòa nhà, chiều cao của anten được giữ thấphơn trạm gốc Việc lắp đặt các trạm chuyển tiếp phải được tính toàn kĩ lưỡng đểđảm bảo chất lượng dịch vụ tốt và chi phí thấp

Hình 2.15: Trạm chuyển tiếp cố định

2.3.4.2 Trạm chuyển tiếp tạm thời

Các trạm chuyển tiếp tạm thời được xây dựng để cải thiện chất lượng và mởrộng vùng phủ sóng ở những nơi có trạm eNodeB hoặc trạm chuyển tiếp cố địnhkhông có khả năng đáp ứng hoặc bị gián đoạn liên lạc

Hình 2.16: Trạm chuyển tiếp tạm thời

2.3.4.2 Trạm chuyển tiếp di động

Hình 2.17: Trạm chuyển tiếp di chuyển

Các trạm chuyển tiếp này thường được gắn lên các loại hình vận chuyển (xebuýt, tàu , ) nhằm mục đích để cung cấp vùng phủ sóng cho các user trong phươngtiện di chuyển Các trạm chuyển tiếp hoạt động giống như một điểm truy cập chocác thiết bị sử dụng trên phương tiện truy cập vào Nó kết nối với trạm gốc đểchuyển tiếp tín hiệu từ user trên xe thông qua điểm truy cập Việc xây dựng trạmchuyển tiếp phải đảm bảo sao cho phương tiện có thể dể dàng di chuyển và hoạtđộng an toàn

2.3.5 Dựa theo các giao thức truyền dẫn

2.3.5.1 Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF

Giao thức truyền dẫn khuếch đại và chuyển tiếp AF tại trạm chuyển tiếp làgiao thức mà tại trạm chuyển tiếp sẽ tiến hành nhận tín hiệu sau đó khuếch đại tínhiệu nhận được rồi chuyển tiếp tín hiệu về đích Hoạt động của trạm chuyển tiếptrong giao thức này được chia làm 2 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Nhận được tín hiệu từ trạm BTS gửi xuống hoặc từ user gửilên, trạm chuyển tiếp tín hành khuếch đại tín hiệu vừa nhận được từ BTS hoặc từuser

+ Giai đoạn 2: Trạm chuyển tiếp tiến hành gửi tín hiệu vừa khuếch đại đếntrạm đích (có thể là trạm BTS ở đường lên hoặc user ở đường xuống)

Hình 2.18: Khuếch đại và chuyển tiếp AFVới giao thức khuếch đại và chuyển tiếp, trạm chuyển tiếp chỉ xử lý tín hiệuqua 2 giai đoạn qua đó thời gian xử lý thấp, cấu trúc hệ thống đơn giản Nhượcđiểm lớn nhất của giao thức này là khi tiến hành khuếch đại tín hiệu nhận được thìtrạm chuyển tiếp sẽ thực hiện khuếch đại cả tín hiệu và nhiễu Qua đó làm tăngcông suất nhiễu ở tín hiệu nhận được tại trạm đích Với những ưu và nhược điểmnày người ta thường sử dụng trạm chuyển tiếp sử dụng giao thức khuếch đại vàchuyển tiếp với mục đích mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc, cứu lấy nhữngđiểm chết nằm ở biên tế bào thay vì tăng chất lượng của hệ thống Sự phân tập kếthợp theo tỉ số tối đa MRC để nâng cao chất lượng đường truyền tại thuê bao sẽđược nói rõ hơn ở chương 3

2.3.5.2 Relay giải mã và chuyển tiếp DF

Giao thức truyền dẫn giải mã và chuyển tiếp DF tại trạm chuyển tiếp là giaothức mà tại trạm chuyển tiếp sẽ tiến hành nhận tín hiệu sau đó giải mã và điều chếlại tín hiệu rồi mới chuyển tiếp tín hiệu về đích Hoạt động của trạm chuyển tiếptrong giao thức này được chia làm 3 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: chúng nhận tín hiệu, tiến hành giải điều chế và giãi mã tínhiệu

+ Giai đoạn 2: chúng tiến hành mã hóa lại tín hiệu và điều chể tín hiệu vừa

mã hóa

+ Giai đoạn 3: chúng khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp

Hình 2.19: Giải mã và chuyển tiếp DF

Với việc giải điều chế và mã hóa tín hiệu nhận được tại trạm chuyển tiếp thì

nó có khả năng loại bỏ được nhiễu nhờ tiến hành giải mã và mã hóa Tuy nhiên giaothức giải mã và chuyển tiếp xử lý tín hiệu qua 3 giai đoạn, làm tăng độ trễ do thờigian xử lỹ tại trạm chuyển tiếp Yêu cầu độ phức tạp tại trạm chuyển tiếp để trạmchuyển tiếp có khả năng giải điều chế và mã hóa lại tín hiệu nhận được Nhờ loại bỏđược nhiễu nên giao thức này có thể làm tăng hệ số SNR của tín hiệu nhận được tại

trạm đích Vì thế trạm chuyển tiếp sử dụng giao thức DF thường được dùng vớimục đích cải thiện chất lượng của đường truyền thông tin.

2.4 Hệ thống thông tin đa chặng

2.4.1 Mô hình One-way relay

Hệ thống thông tin bao gồm một trạm gốc, một trạm chuyển tiếp và một thuêbao Quá trình trao đổi thông tin được mô tả như sau :

+ Trong khe thời gian đầu tiên: thông tin truyền từ trạm gốc tới relay

+ Trong khe thời gian thứ hai: trạm chuyển tiếp sẽ nhận thông tin, xử lý vàchuyển tiếp đến thuê bao

+ Trong khe thời gian thứ ba: thuê bao nhận thông tin từ trạm chuyển tiếp.+ Trong khe thời gian thứ tư: trạm chuyển tiếp sẽ nhận thông tin từ thuê bao,

xử lý và chuyển tiếp đến trạm gốc

Hình 2.20: Mô hình One-way relay

Việc sử dụng 4 khe thời gian cho một chu kỳ trao đổi thông tin giữa trạm gốc

và trạm thuê bao là một nhược điểm của hệ thống này, tốc độ đường truyền sẽkhông cao do tốn quá nhiều khe thời gian Trong một khe thời gian chỉ có 1 hướngtín hiệu được chuyển đi nên hệ thống này được gọi là One-way relay Ưu điểmchính của hệ thống này là ở trong một khe thời gian trạm chuyển tiếp chỉ xử lý mộttín hiệu đến hoặc đi nên chất lượng của hệ thống khá tốt Nhưng đối với yêu cầuphát triển mạng bây giờ thì tốc độ ngày càng được nâng cao, với việc sử dụng 4 khethời gian nên tốc độ không cao thì One-way relay không phải là một hệ thống tốiưu

2.4.2 Mô hình two-way relay

Hệ thống two-way relay ra đời khắc phục được nhược điểm đó là sử dụng tớibốn khe thời gian trong hệ thống one-way relay Trong mô hình two-way relay,người ta sử dụng hai khe thời gian cho một chu kì trao đổi dữ liệu.Quá trình trao đổi

dữ liệu được mô tả như sau:

+ Trong khe thời gian thứ nhất: trạm chuyển tiếp sẽ thu nhận thông tinchuyển đến đồng thời từ trạm gốc và từ thuê bao,

+ Trong khe thời gian thứ hai: chúng chuyển đồng thời tín hiệu nhận trongkhe thời gian thứ nhất cho cả trạm gốc và thuê bao

Hình 2.21: Mô hình Two-way relay

Hệ thống Two-way relay đã giải quyết được vấn đề sử dụng đến 4 khe thờigian ở hệ thống One-way relay Qua đó tiết kiệm được khe thời gian và giảm độ trểtrong việc xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp Trong một khe thời gian có đến 2hướng tín hiệu được truyền đi nên được gọi là hệ thống Two-way relay Trong mộtkhe thời gian trạm chuyển tiếp vừa thực hiện nhận tín hiệu và thực hiện chuyển tiếptín hiệu gây ra hiện tượng can nhiễu của hai tín hiệu đến và đi của trạm chuyển tiếp.Với nhu cầu tốc độ tăng cao thì hệ thống Two-way relay rất thích hợp, vấn đề xử lýcan nhiễu có thể được giải quyết Sau này việc phát triển Two-way relay cho đangười dùng nhằm tăng dung lượng của hệ thống nhưng cần có những biện pháp xử

lý can nhiễu Chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu trong chương 3

2.5 Ưu và nhược điểm của trạm chuyển tiếp

+ Trạm chuyển tiếp có bán kính vùng phủ nhỏ do công suất phát thấp, độ lợi antenthấp và tổn hao đường truyền cao theo số mũ

+ Trạm chuyển tiếp cần có tài nguyên vô tuyến để cho các đường kết nối relay, đểkết nối với eNodeB

+ Trạm chuyển tiếp cũng là nguyên nhân gây ra trễ hệ thống trong quá trình xử lýtín hiệu trước khi truyền đi

2.6 Kết luận chương

Qua chương này giúp ta hiểu thêm về khái niệm, cách phân loại các trạmchuyển tiếp Từ đó ta thấy được công nghệ chuyển tiếp mang lại khá nhiều hiệu quảcho hệ thống thông tin di động Với hệ thống chuyển tiếp, ta có thể dể dàng mở

rộng vùng phủ sóng của trạm eNodeB, hổ trợ cho các thuê bao truyền nhận dữ liệutốt hơn Các trạm chuyển tiếp thực hiện công việc của mình thông qua các giaothức, hai giao thức phổ biến đó là khuếch đại và chuyển tiếp AF và giãi mã vàchuyển tiếp DF Mỗi phương thức truyền dẫn có những ưu và nhược điểm riêng, tùyvào nhu cầu sử dụng trạm chuyển tiếp của nhà cung cấp mạng sẽ được sử dụng vớinhững mục đích khác nhau Khuếch đại và chuyển tiếp AF; thì khá đơn giản tuynhiên chúng lại khuếch đại lun nhiễu Giãi mã và chuyển tiếp DF; thì hạn chế đượcnhiễu tích lũy tuy nhiên lại phức tạp và trễ xử lý lớn Thông tin đa chặng sử dụngcác trạm chuyển tiếp hiện nay thường theo hai mô hình One-way relay và Two-wayrelay Với One-way relay, tại một thời điểm thông tin thu và phát ở chuyển tiếp chỉ

từ một nguồn Mô hình này đơng giản nhưng lại mất đến 4 khe thời gian cho mộtchu kì trao đổi thông tin Two-way relay thì chỉ sử dụng hai khe thời gian, vì tại mộtthời điểm tín hiệu thu và phát ở chuyển tiếp là từ hai nguồn khác nhau Vì vậy nókhá phức tạp để xử lý, và các tín hiệu nhận được từ 2 nguồn gây nhiễu lên nhau.Phần tiếp theo của đồ án ta sẽ tập trung nghiên cứu về chi tiết về AF, DF và tiền mãhóa Zero-forcing cho SDMA

CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG CHUYỂN TIẾP

3.1 Giới thiệu chương

Trong chương này chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu các kỹ thuật được sửdụng trong trạm chuyển tiếp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, để hiểu rõ về các

kỹ thuật đó chúng ta sẽ nghiên cứu các phần sau:

 Phân tích hiệu suất của phân tập kết hợp theo tỉ số tối đa MRC

+ MRC cho giao thức khuếch đại và chuyển tiếp AF

+ MRC cho giao thức giải mã và chuyển tiếp DF

 SDMA đa truy cập phân chia theo không gian

 Tiền mã hóa Zero-forcing cho SDMA

 Kỹ thuật Network coding cho Two-way relay

3.2 Phân tập thu kết hợp theo tỉ số tối đa MRC

Trong chương 2 chúng ta đã tìm hiểu sơ qua về các giao thức được sử dụngtrong các trạm chuyển tiếp đó là: khuếch đại và chuyển tiếp AF và giải mã và

chuyển tiếp DF Trong chương này chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu về kỹ thuật phântập thu kết hợp theo tỉ số tối đa MRC (Maximum Ration Combining) Tín hiệungoài đường truyền trực tiếp từ trạm gốc đến user, các user còn nhận được tín hiệu

từ trạm chuyển tiếp đến user Tín hiệu nhận được tại user là tổng của 2 tín hiệu này.Tùy thuộc vào biện độ và pha của 2 tín hiệu mà tín hiệu nhận được tăng cường haysuy giảm Kỹ thuật phân tập thu theo tỉ số tối đa được sử dụng để tăng độ tin cậytrong việc truyền tin mà không phải tăng công suất phát hay băng thông

3.2.1 MRC cho chuyển tiếp AF

Hình 3.1: Hệ thống thông tin di động có chuyển tiếp AF

Ta xét một hệ thống thông tin di động bao gồm nguồn phát S, user đích D, và trạm chuyển tiếp R Quá trình truyền tin được diễn ra theo 2 giai đoạn.

+ Giai đoạn 1: Nguồn phát S truyền tín hiệu cho user đích D và trạm chuyển tiếp R

Tín hiệu nhận được tại user đích bằng đường truyền từ nguồn phát S đến user đích D:

= (3.1)

Với là công suất tín hiệu truyền đi theo mỗi mẫu từ nguồn, s là tín hiệu truyền đi,

là hệ số đường truyền giữa nguồn S và đích D, là nhiễu Gauss trên đường truyền giữa nguồn S và đích D.

Tín hiệu nhận được tại chuyển tiếp bằng đường truyền từ nguồn phát S đến trạm chuyển tiếp R:

=(3.2)

Tương tự là công suất tín hiệu truyền đi theo mỗi mẫu từ nguồn, s là tín

hiệu truyền đi, là hệ số đường truyền giữa nguồn S và chuyển tiếp R, là nhiễu Gauss giữa nguồn S và chuyển tiếp R.

+ Giai đoạn 2: Các trạm chuyển tiếp R thực hiện khuếch đại tín hiệu nhận được từ nguồn phát S và truyền tín hiệu đó đến user đích D.

Tín hiệu nhận được tại user đích D từ chuyển tiếp R.

Tín hiệu kết hợp nhận được tại user đích D bằng cách sử dụng phân tập kết

hợp theo tỉ số tối đa MRC :

=+ (3.5)

3.2.2 MRC cho chuyển tiếp DF

Hình 3.2: Hệ thống thông tin di động có chuyển tiếp DF

Ta xét một hệ thống thông tin di động bao gồm nguồn phát S, user đích D, và trạm chuyển tiếp R Quá trình truyền tin được diễn ra theo 3 giai đoạn.

+ Giai đoạn 1: Nguồn phát S truyền tín hiệu cho user đích D và trạm chuyển tiếp R

Tín hiệu nhận được tại user đích bằng đường truyền từ nguồn phát S đến user đích D:

= (3.6)

Với là công suất tín hiệu truyền đi theo mỗi mẫu từ nguồn, s là tín hiệu truyền đi,

là hệ số đường truyền giữa nguồn S và đích D, là nhiễu Gauss trên đường truyền giữa nguồn S và đích D

Tín hiệu nhận được tại chuyển tiếp bằng đường truyền từ nguồn phát S đến trạm chuyển tiếp R:

=(3.7)

Tương tự là công suất tín hiệu truyền đi theo mỗi mẫu từ nguồn, s là tín

hiệu truyền đi, là hệ số đường truyền giữa nguồn S và chuyển tiếp R, là nhiễu Gauss giữa nguồn S và chuyển tiếp R.

+Giai đoạn 2: Sau khi trạm chuyển tiếp R nhận được tín hiệu từ nguồn phát S; trạm

chuyển tiếp tiến hành giãi mã lại tín hiệu và điều chế lại tín hiệu

+Giai đoạn 3: Trạm chuyển tiếp tiếp tục truyền tín hiệu vừa điều chế với nănglượng mỗi symbol là đến user đích

Tín hiệu nhận được tại user đích D từ chuyển tiếp R.

= (3.8)

Tín hiệu kết hợp nhận được tại user đích D bằng cách sử dụng phân tập kết

hợp theo tỉ số tối đa MRC :

= (3.9)

3.3 Hệ thống SDMA

3.3.1 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA

Ngày nay các hệ thống thông tin di động thường được thiết kế để phục vụcho đa người dùng, với nhu cầu về tốc độ truyền nhận ngày càng lớn nhưng vớilượng tài nguyên băng thông hạn chế Để đáp ứng được yêu cầu này thì các kỹ thuậtghép kênh và kỹ thuật đa truy cập đã lần lượt ra đời Các kỹ thuật đó cho phép chia

sẽ một kênh vật lý chung để cùng nhau truyền nhận dữ liệu, và vì thế ta có thể dểdàng tiết kiệm được tài nguyên đồng thời băng thông dành cho mỗi thuê bao là lớnhơn Tuy nhiên để có thể sử dụng chung kênh vật lý để chia sẽ tài nguyên hạn chế,thì các luồng tín hiệu phải được phân biệt với nhau bằng một hình thức nào đó.Ví

dụ kỹ thuật FDMA phân biệt theo tần số, TDMA theo thời gian, CDMA theo mã,OFDMA theo tần số trực giao Trong phần này ta sẽ tập trung tìm hiểu về kỹ thuậtphân chia theo không gian SDMA, đây là kỹ thuật mới hứa hẹn nâng cao được dunglượng của hệ thống

Hình 3.3: SDMA đa truy cập phân chia theo không gian.

Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA được sử dụng ở tất cả các hệthống thông tin vô tuyển tổ ong Các hệ thống tổ ong cho phép đa truy cập đến kênh

vô tuyến chung tùy theo vị trí của máy di động trên mặt đất Nhiều người sử dụngchia sẽ đồng thời cùng một tần số, các người sử dụng này phải đủ cách xa nhau đểgiảm thiểu ảnh hưởng của nhiều đồng kênh (nhiễu cùng tần số) Tập các tần sốtrong một cell có thể lặp lại ở các cell khác trong hệ thống đảm bảo đủ khoảng cáchgiữa các cell sử dụng tần số để ngăn chặn nhiễu giao thao đồng kênh Người tathường dùng các cluster gồm 3 cell, 4 cell hoặc 7 cell để cấu tạo nên hệ thông thôngtin vô tuyến

Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA có thể cho phép nhiều người

sử dụng chia sẽ đồng thời cùng một tần số, trên cùng một khe thời gian nhưng phải

đủ cách xa nhau Nhưng trên thực tế, việc tập trung các thuê bao di động tại mộtkhu vực địa lý là chuyện thường xuyện xảy ra Việc xử lý can nhiễu đồi với nhữngtrường hợp đó như thế nào Phần tiếp theo chúng ta sẽ đề cập đến kỹ thuật tiền mãhóa, một kỹ thuật giúp cho hệ thống xử lý được các thành phần can nhiễu

3.3.2 Kỹ thuật tiền mã hóa

3.3.2.1 Khái niệm tiền mã hóa