Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ thống tin di động LTE Advanced (có code)

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ thống tin di động LTE Advanced (có code) Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ thống tin di động LTE Advanced (có code) Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ thống tin di động LTE Advanced (có code) Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ thống tin di động LTE Advanced (có code)

NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU VÀ PHÁT TRONG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

LTE/LTE-ADVANCED

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XI

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE VÀ LTE – ADVANCED 3

2.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE 3

2.1.1 Quá trình phát triển tiến đến LTE 3

2.1.2 Các chuẩn của công nghệ LTE 4

2.1.3 Kiến trúc LTE 6

2.1.3.1 Tổng quan về kiến trúc cơ bản hệ thống LTE 6

2.1.3.2 Chức năng của các thành phần trong kiến trúc mạng LTE 7

2.1.4 Truy nhập vô tuyến trong LTE 12

2.1.4.1 Truyền dẫn đường xuống 12

2.1.4.2 Truyền dẫn đường lên 12

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDM VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN 17

3.1 KỸ THUẬT OFDM 17

3.1.1 Khái niệm 17

3.1.2 Tính trực giao trong hệ thống OFDM 17

3.1.3 Mô hình hệ thống OFDM 18

3.1.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và song song – nối tiếp: 19

3.1.3.2 Khối điều chế tín hiệu OFDM 19

3.1.3.3 Bộ IFFT và FFT 19

3.1.3.4 Tiền tố lặp (Cyclic Prefix – CP) trong hệ thống OFDM 20

3.1.4 Ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM 20

3.1.4.1 Ưu điểm 20

3.1.4.2 Nhược điểm 21

3.2 CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN 21

3.2.1 Sự suy hao 21

3.2.2 Hiện tượng fading đa đường 22

3.2.3 Hiệu ứng Doppler 23

3.2.4 Nhiễu trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) 23

3.2.5 Trải trễ (Delay spread) 24

3.2.6 Power delay profile (PDP) 24

4.1.1.2 Phân tập phát 29

4.1.2 Phân tập thời gian 30

4.2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU KẾT HỢP 31

4.2.1 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp theo ngưỡng TC (Threshold Combining) 31

4.2.1.1 Nguyên lý 31

4.2.1.2 Ưu nhược điểm của kỹ thuật phân tập kết hợp theo ngưỡng 32

4.2.2 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp lựa chọn SC (Selection Combining) 32

4.2.2.1 Nguyên lý 32

4.2.2.2 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật SC 33

4.2.3 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp tỷ số cực đại MRC (Maximal Ratio Combining) .33 4.2.3.1 Nguyên lý 33

4.2.3.2 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật MRC 34

4.2.4 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp cân bằng độ lợi EGC (Equal-gain Combining) 34

4.2.4.1 Nguyên lý 34

4.2.4.2 Ưu nhược điểm của kỹ thuật EGC 35

4.3 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT 35

4.3.1 Phân tập phát thay đổi tần số FSTD (Frequency shift transmit diversity) 36

4.3.2 Phân tập phát thay đổi thời gian TSTD (Time shift transmit diversity) 37

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38

5.3.1 Lưu đồ thuật toán kỹ thuật MRC 43

5.3.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật MRC 44

5.4 KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU KẾT HỢP CÂN BẰNG ĐỘ LỢI EGC 45

5.4.1 Lưu đồ thuật toán kỹ thuật EGC 45

5.4.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật EGC 46

5.5 SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU 47

5.5.1 Lưu đồ thuật toán so sánh các kỹ thuật phân tập 47

5.5.2 Kết quả mô phỏng so sánh các kỹ thuật phân tập thu 48

5.6 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 49

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 50

6.1 KẾT LUẬN 50

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC A 54

HÌNH 2-2: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG CHO MẠNG CHỈ CÓ E-UTRAN [4] 6

HÌNH 2-3: ENODEB KẾT NỐI TỚI CÁC NÚT LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH [1] 8

HÌNH 2-4: MME KẾT NỐI TỚI CÁC NÚT LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA MME [1] 9

HÌNH 2-5: CÁC KẾT NỐI TỪ S-GW TỚI CÁC NÚT LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH [1] 10

HÌNH 2-6: P-GW KẾT NỐI TỚI CÁC NODE LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH [1] 10

HÌNH 2-7: PCRF KẾT NỐI TỚI CÁC NÚT LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH [1] 11

HÌNH 2-8: VÍ DỤ VỀ KHỐI KẾT TẬP SÓNG MANG [5] 13

HÌNH 2-9: TRUYỀN DẪN ĐA ĐIỂM PHỐI HỢP [6] 14

HÌNH 2-10: CHUYỂN TIẾP TRONG LTE-ADVANCED [5] 15Y HÌNH 3-1: PHỔ CỦA CÁC SÓNG MANG TRỰC GIAO [7] 18

HÌNH 3-2: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG OFDM [8] 18

HÌNH 3-3: BỘ IFFT VÀ FFT [8] 20

HÌNH 3-4: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN NHẬN TÍN HIỆU OFDM 21

Hình 3-5: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền song [Nguồn: Internet] 2 HÌNH 4-1: PHÂN TẬP KHÔNG GIAN [2] 27

HÌNH 4-2: SƠ ĐỒ MINH HỌA THỰC HIỆN PHÂN TẬP THU [2] 28

HÌNH 5-1: GIAO DIỆN CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 38

HÌNH 5-2: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN KỸ THUẬT TC 39

HÌNH 5-3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT TC 40

HÌNH 5-4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA KỸ THUẬT SC 41

HÌNH 5-5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT SC 42

HÌNH 5 6: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN KỸ THUẬT MRC 43

HÌNH 5-7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT MRC 44

HÌNH 5-8: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN KỸ THUẬT EGC 45

HÌNH 5-9: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG EGC 46

HÌNH 5-10: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN THỰC HIỆN SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU 47

HÌNH 5- 11: KẾT QUẢ SO SÁNH 4 KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU 48

CP Cyclic Prefix

FSTD Frequency shift transmit diversity

3GPP Third Generation Partnership ProjectGPRS General Packet Radio Service

HSDPA High Speed Downlink packet Access

HSUPA High Speed Uplink packet Access

ICI Inter-carrier Interference

ISDN Integrated Services Digital Network

S-GW Serving Gateway

TSTD Time shift transmit diversity

UMTS Universal Mobile Telecommunications SystemsUSIM Universal Subscriber Identity Module

UICC Universal Integrated Circuit Card

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu Để đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên4G là một điều tất yếu 3GPP LTE - một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đường tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giá thành dịch vụ cũng như thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụ hiện tại và tương lai Các công nghệ mới ra đời như MIMO-OFDM, anten thông minh giúp nâng cao chất lượng hệ thống Đặc biệt là kỹ thuật phân tập anten ứng dụng trên nềncông nghệ OFDM đang được sử dụng rộng rãi cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng của Fading đa đường và cải thiện độ tin cậy tín hiệu truyền dẫn mà không cần phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông

Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là

“Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của

hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced” làm chủ đề nghiên cứu.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài tiến hành tìm hiểu nguyên lý hoạt động và nghiên cứu các phương pháp phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ thống thông tin di động LTE/LTE-

Advanced Phân tích, so sánh đánh giá các phương pháp phân tập để từ đó đưa ra phương pháp phân tập tối ưu ứng với từng điều kiện cụ thể.

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced

- Kỹ thuật OFDM và các đặc tính kênh truyền

- Các kỹ thuật phân tập được sử dụng trong LTE/LTE-Advanced

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết:

- Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced

- Kỹ thuật OFDM và các đặc tính kênh truyền

- Các kỹ thuật phân tập thu và phát

- Lập trình MATLAB

Tiến hành thực nghiệm:

- Từ tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced, kỹ thuật OFDM, các kỹ thuật phân tập thu và ứng dụng trong MATLAB để mô phỏngchất lượng truyền dẫn vô tuyến trong hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced khi áp dụng các kỹ thuật phân tập so với trường hợp không phân tập và tiến hành so sánh hiệu quả của các kỹ thuật phân tập với nhau

- Đánh giá và nhận xét kết quả mô phỏng theo tỷ lệ lỗi bit BER

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

LTE VÀ LTE – ADVANCED

2.1 Hệ thống thông tin di động LTE

2.1.1 Quá trình phát triển tiến đến LTE

Từ khi ra đời cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trở thành một ngành côngnghiệp viễn thông phát triển rất nhanh chóng Không chỉ có dịch vụ thoại được triểnkhai trên hạ tầng mạng viễn thông di động mà cùng với nó là các loại hình dịch vụkhác như hình ảnh, dữ liệu đang gia tăng cả về số lượng lẫn chất lượng Để đápứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin diđộng không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới

Với sự xuất hiện công nghệ WiMAX 802.16 đã được IEEE chuẩn hóa với tốc độ lêntới hàng trăm Mbps, đứng trước tình hình đó 3GPP đã nghiên cứu và đưa ra côngnghệ LTE Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004 đầu năm 2005 và đến cuối năm

2008 phiên bản đầu tiên của LTE đã ra đời Tổ chức 3GPP là tổ chức chuẩn hóa cáccông nghệ mạng thông tin di động tế bào, được thành lập từ năm 1998 với mục đíchban đầu là chuẩn hóa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) dựa trên sự phát triển củamạng lõi GSM và mạng truy nhập toàn cầu (UTRAN)

LTE với ưu điểm truyền dữ liệu có độ trễ thấp và nâng cao hiệu qủa sử dụng phổtần số, là một bước tiến dài so với chuẩn HSPA của mạng WCDMA, công nghệnguyên thủy của truyền dữ liệu gói 3G LTE được đánh giá đã đạt đến 3.9G, đã tiến

đến rất gần trên con đường phát triển mạng băng thông rộng di động tốc độ cao tiêntiến thế hệ thứ tư, thế hệ 4G.

2.1.2 Các chuẩn của công nghệ LTE

Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữ liệuđường xuống lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO (multiple input - multipleoutput) trong vòng 20MHZ băng thông MIMO cho đường lên là không được sửdụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE, tốc độ dữ liệu đường lên lên tới86Mb/s trong 20MHZ băng thông Ngoài việc cải thiện tốc độ dữ liệu, hệ thốngLTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao hơn từ 2 đến 4 lần của hệ thống HSPA

Độ rộng băng thông linh hoạt: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mởrộng từ 1.4 MHz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên vàxuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông Mứcthông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng khôngcần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng

Tính di động: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển trong vận tốc

từ 0  15km/h, khi di chuyển từ 15 đến 120km/h thì vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao(chỉ giảm đi một ít), đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kếtnối trên toàn mạng tế bào, chức năng có thể hỗ trợ từ 120  350km/h hoặc thậmchí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần

Độ trễ: Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối UE (User Equipment) chuyển từtrạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênhtruyền Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms Nhược điểm của các mạng tổ ong hiệnnay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định, điều này ảnh

hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game…, vì cần thời gian thực Giaodiện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ dưới 10ms cho việctruyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE.

Sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở, kiến trúc đơngiản hóa và sẽ không còn chuyển mạch kênh

Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5km, LTE cung cấp tối ưu về lưulượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động Phạm vi lên đến 30km thì có một sựgiảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cáchđáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫnđược đáp ứng Dung lượng hơn 200 users/cell (với băng thông 5MHz)

Để triển khai LTE, toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng không cần phải thay đổi vì LTE cóthể sử dụng trên nền cơ sở hạ tầng mạng đã có nên LTE tồn tại và phối hợp hoạtđộng cùng với các hệ thống 3GPP khác Người dùng LTE có thể thực hiện các cuộcgọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủsóng của LTE, nó cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khuvực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE Hơn thế nữa, LTE hỗtrợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liênmiền giữa chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh

2.1.3 Kiến trúc LTE

2.1.3.1 Tổng quan về kiến trúc cơ bản hệ thống LTE

Hình 2-2: Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN [4]

Kiến trúc LTE được chia thành bốn vùng chính:

- Thiết bị người dùng (UE)

- Mạng truy cập vô tuyến E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial AccessNetwork)

- Mạng lõi gói phát triển EPC (Evolved Packet Core)

- Các mạng ngoài.

Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ hoàn toàn chuyển mạch góivới tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ cao và độ trễ tối thiểu Với một thiết

kế phẳng hơn, đơn giản hơn, chỉ với 2 nút cụ thể là nút B (eNodeB) và phần tử quản

lý di động (MME/GW) Phần điều khiển mạng vô tuyến RNC được loại bỏ khỏiđường dữ liệu và chức năng của nó được thực hiện trong các eNodeB

UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức mạng IP ở lớp kết nối Chúngđược gọi là hệ thống gói phát triển (EPS) Chức năng chính của lớp nay là cung cấpkết nối dựa trên nền tảng IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìnthấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt trong E-UTRAN và EPC

Một trong những thay đổi lớn trong kiến trúc mạng LTE là trong khu vực mạng lõiEPC không chứa các chuyển mạch kênh, và không có kết nối trực tiếp với các mạngchuyển mạch truyền thống như ISDN hay PSTN

2.1.3.2 Chức năng của các thành phần trong kiến trúc mạng LTE

 Thiết bị người dùng (UE):

- UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường

nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh, máy tính xách tay,hay một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn sử dụng trong mạng 2G, 3G UEcũng có chứa các module nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM) Nó là mộtmodule riêng biệt với phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầucuối (TE) USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thểtháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC) USIM được sử

dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằmbảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến

- Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà cótín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin ngườidùng cần Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động nhưchuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theohướng dẫn của mạng Quan trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sửdụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được sử dụng

để thiết lập một cuộc gọi thoại

 E-UTRAN NodeB (eNodeB):

- Sự phát triển của E-UTRAN tập trung vào nút B phát triển (eNodeB) Tất cảcác chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNodeB là điểm kết thúc chotất cả các giao thức vô tuyến có liên quan E-UTRAN chỉ đơn giản là mộtmạng lưới của các eNodeB kết nối với nhau thông qua giao diện X2 CáceNodeB kết nối trực tiếp với mạng lõi EPC thông qua giao diện S1

- Mỗi eNodeB hỗ trợ các tính năng liên quan đến các quá trình lớp vật lý khitruyền phát và nhận thông qua các giao diện vô tuyến như: điều chế, giảiđiều chế; mã hóa kênh và giải mã hóa

- Ngoài ra eNodeB còn có những tính năng bổ xung thay cho các bộ kiếmsoát trạm gốc trong mạng UTRAN trước đó Ví dụ như: kiểm soát tàinguyên vô tuyến, quản lý tính di động vô tuyến, các giao thức lớp 2 về giaodiện vô tuyến

Hình 2-3: eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]

 Thực thể quản lý di động (MME):

- MME chịu trách nhiệm về những tính năng trong mặt phẳng kiểm soát, liênquan tới việc quản lý các thuê bao và các phiên truyền dẫn Nó hỗ trợ cácphương thức bảo mật liên quan tới việc xác minh người sử dụng, xử lý cácphiên truyền dẫn giữa thiết bị đầu cuối và mạng truy cập, quản lý các thiết

bị rảnh rỗi

Hình 2-4: MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính của MME [1]

 Cổng phục vụ (S-GW):

- Cổng dịch vụ S-GW là một điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói hướngđến mạng truy cập E-UTRAN Khi các thiết bị người sử dụng di chuyểngiữa các eNodeB trong mạng truy cập E-UTRAN, thì S-GW đóng vai trònhư những điểm trung chuyển (chuyển giao) Nó cũng là điểm trung chuyểngiữa mạng truy cập E-UTRAN với các mạng truy cập cũ hơn như 2G/GSM,3G/UMTS

Hình 2-5: Các kết nối từ S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]

 Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW):

Cũng giống như S-GW, P-GW là điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói nhưnghướng tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài (Packet Data Networks) P-GW hỗ trợcác tính năng về chính sách dịch vụ cũng như lọc các gói dữ liệu và hỗ trợ tínhphí…

Hình 2-6: P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính [1]

 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF):

Máy chủ PCRF quản lý các chính sách dịch vụ và gửi thông tin về chất lượng dịch

vụ cho mỗi phiên người sử dụng và các thông tin về quy tắc tính toán PCRF là sựkết hợp của 2 nút chức năng PDF (The Policy Decision Function) và CRF (TheCharging Rules Function) PDF là thực thể mạng có nhiệm vụ đưa ra những chínhsách dịch vụ Vai trò của CRF là cung cấp các quy tắc tính phí áp dụng cho từngdòng dữ liệu phục vụ CRF chọn lựa những quy tắc tính phí chính xác dựa trênthông tin cung cấp từ P-CSCF, cũng như bộ nhận dạng ứng dụng, loại dòng tín hiệu(audio, video…), tốc độ dữ liệu…

Hình 2-7: PCRF kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]

 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS):

HSS là sự kết hợp của HLR (Home Location Register) và AUC (AuthenticationCenter), 2 khối chức năng đã xuất hiện trong các mạng 2G/GSM và 3G/UMTS

- Phần HLR của HSS có nhiệm vụ lưu trữ và cập nhật khi cần thiết cơ sở dữliệu chứa tất cả các thông tin đăng ký của người sử dụng, bao gồm: thông tinnhận dạng người sử dụng và địa chỉ, thông tin chi tiết của người sử dụng(trạng thái hoạt động, chất lượng gói dịch vụ…)

- Phần AUC của HSS có nhiệm vụ tạo ta những thông tin bảo mật từ chuỗinhận dạng người sử dụng Thông tin bảo mật này cung cấp cho HLR và xahơn là thông tin đến các thực thể khác của mạng Thông tin bảo mật nàyđược sử dụng chủ yếu cho: việc xác minh qua lại các thiết bị mạng, mã hóa

đường truyền dẫn vô tuyến, đảm bảo dữ liệu và tín hiệu báo hiệu đượctruyền giữa mạng và thiết bị người sử dụng không bị nghe trộm hay xâmnhập.

2.1.4 Truy nhập vô tuyến trong LTE

2.1.4.1 Truyền dẫn đường xuống

Truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM OFDM là một sơ đồtruyền dẫn hấp dẫn vì một số lý do, do thời gian ký hiệu OFDM kết hợp với chutrình tiền tố khá dài, OFDM đảm bảo độ bền chắc chống lại chọn lọc tần số củakênh vô tuyến cao hơn Khả năng đề kháng chống fading chọn lọc sẵn có là một giảipháp lý tưởng cho đường xuống đặc biệt được kết hợp với ghép kênh không gian.Một số lợi ích OFDM:

- OFDM cung cấp tới truy nhập miền tần số, vì thế cho phép mở rộng mức độ

tự do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA

- OFDM dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt (ít nhất từ quan điểmbăng gốc) bằng cách thay đối số lượng các sóng mang con sử dụng chotruyền dẫn

- OFDM cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá/đa phương, trong

đó cùng một thông tin được phát đi từ nhiều trạm gốc

2.1.4.2 Truyền dẫn đường lên

Truyền dẫn đường lên của LTE là truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên OFDM trảiphổ được sử dụng (DFTs-OFDM) Sử dụng điều chế đơn sóng mang cho phép giảmPAPR so với truyền dẫn đa sóng mang như OFDM PAPR càng nhỏ thì công suấtphát trung bình càng cao đối với một bộ khuếch đại công suất cho trước Vì thếtruyền dẫn đơn sóng mang cho phép đạt được hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công

suất cao hơn và điều này dẫn tới tăng vùng phủ Điều này thực sự quan trọng đốivới đầu cuối di động có công suất hạn chế Đồng thời vấn đề xử lý méo tín hiệu đơnsóng mang do Fading chọn lọc tần số gây ra trên đường lên cũng không phải là vấn

đề quan trọng vì nó được thực hiện tại trạm gốc nơi có khả năng xử lý tín hiệu mạnhhơn

2.2 Công Nghệ LTE-Advanced

2.2.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẽ phổ tần

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được thỏamãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so vớinhững gì được cung cấp ở phiên bản đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫnlên đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced Việc mởrộng độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thíchphổ Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong

đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độrộng băng cần thiết Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽxuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTEAdvanced

có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập

Dưới đây là 5 sóng mang con thành phần tạp thành độ rộng băng tổng cộng là100MHz

Hình 2-8: Ví dụ về khối kết tập sóng mang [5]

2.2.2 Giải pháp đa anten mở rộng

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian làcác thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóngmột vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced Thiết kế đa anten LTE hiện tạicung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng ởđường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã Cấu trúc này cung cấp cả

sự ghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũngnhư là định dạng chùm (dựa trên sổ mã)

2.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Về cơ bản, phối hợp đa điểm cho phép một thiết bị di động cùng một lúc trao đổi dữliệu với nhiều trạm thu phát Kỹ thuật này sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu và tăngtốc độ dữ liệu tại rìa cell, nơi không có được một kết nối tốt Ví dụ như hai trạm thuphát liền kề có thể cùng lúc gửi dữ liệu giống nhau tới một thiết bị do đó tăng khảnăng nhận được tín hiệu tốt của thiết bị đó Tương tự như vậy, một thiết bị cũng cóthể cùng một lúc tải dữ liệu lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò nhưmột mảng anten ảo sẽ cùng nhau xử lý tín hiệu thu được để loại bỏ lỗi Hoặc thiết bị

có thể tải dữ liệu lên qua cell nhỏ ở gần bên, giúp giảm năng lượng phát trong khivẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt từ một trạm thu phát lớn hơn

Hình 2-9: Truyền dẫn đa điểm phối hợp [6]

Downlink 16.3 (4x4 MIMO) 30 (8x8 MIMO)

LTE-Advanced (phiên bản R10, R11) thực sự là công nghệ mạng di động 4G, cònLTE (phiên bản R8, R9) chỉ được xem như là công nghệ 3.9G LTE-Advanced, nhưtên gọi của nó, thực chất chỉ là bản nâng cấp của LTE nhằm hướng đến thỏa mãncác yêu cầu của IMT-Advanced Việc nâng cấp này được thể hiện ở chỗ các côngnghệ đã được sử dụng trong LTE thì vẫn được sử dụng trong LTE-Advanced(OFDMA, SC-FDMA, MIMO, AMC, Hybrid ARQ…) Tuy nhiên có một số cảitiến để phát huy tối đa hiệu quả của chúng như: MIMO tăng cường, với cấu hìnhcao hơn (8x8 MIMO)…

Đồng thời LTE-Advanced còn ứng dụng thêm nhiều công nghệ kỹ thuật mới đểnâng cao các đặc tính của hệ thống như:

- Tổng hợp sóng mang (Carrier Aggregation)

- Đa anten cải tiến (Multi-antenna Enhancements).

- Trạm chuyển tiếp (Relays)

- Mạng không đồng nhất (Heterogeneous Networks)

- Phối hợp đa diểm (Coordinated Multipoint – CoMP)

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDM VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN

3.1 Kỹ thuật OFDM

3.1.1 Khái niệm

Kỹ thuật OFDM là một dạng đặc biệt của kỹ thuật điều chế đa sóng mang, nó hoạtđộng theo nguyên lý truyền dòng dữ liệu tốc độ cao trên các sóng mang con tốc độthấp hơn OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh cómột dạng sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác cónghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ ký tự Vì vậy phổ của mỗi sóngmang bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác trong hệ thống Kết quả

là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ OFDM cung cấp liên kết và chất lượng

thông tốt hơn các công nghệ truyền dẫn khác

3.1.2 Tính trực giao trong hệ thống OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau Tính trực giao là mộttính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênhtruyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này Mất đi tính trực giao

sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôiphục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu Trong OFDM, các sóng mang con đượcchồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyênnhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao

Tính trực giao của các sóng mang con thể hiện ở chỗ: Tại mỗi đỉnh của mỗi sóngmang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng không, vì vậy cácsóng mang này không gây nhiễu lẫn nhau.

Hình 3-1: Phổ của các sóng mang trực giao [7]

3.1.3 Mô hình hệ thống OFDM

Hình 3-2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM [8]

 Nguyên lý làm việc:

- Đầu tiên dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệusong song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P(Serial/Parallel) Mỗi dòng

dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán FEC(ForwardError Correcting) và được sắp xếp theo một trình tự tổng hợp Những ký tựtổng hợp được được đưa đầu vào của khối IFFT Khối này sẽ tính toán cácmẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số

- Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI dotruyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường Cuối cùng bộ lọc phía phátđịnh dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyềntrên các kênh

- Trong quá trình truyền trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởngnhư nhiễu Gausian trắng cộng AWGN

- Ở phía thu tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạtđược tại bộ thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từmiền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toánFFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng sự dịch chuyển về biên độ

và pha của sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh Các

ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuốicùng ta sẽ nhận được dòng bít dữ liệu nối tiếp ban đầu

3.1.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và song song – nối tiếp:

Có nhiệm vụ chuyển đổi dòng dữ liệu tốc độ cao thành N dòng dữ liệu tốc độ thấphơn sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng Bằngcách sử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp – song song ta đã chuyển kênh truyền fadingchọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng

3.1.3.2 Khối điều chế tín hiệu OFDM

Phương pháp điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc độtruyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

Một số phương pháp điều chế thường dùng trong OFDM là:

- M-PSK (Phase Shift Keying)

- M-QAM (Quarature Amplitude Modulation)

3.1.3.3 Bộ IFFT và FFT

Phép biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho phép tạo ra tín hiệuOFDM dễ dàng bằng cách điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trựcgiao một cách chính xác và đơn giản Phép biến đổi FFT (Fast Fourier Tranform)cho phép ra giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM

Hình 3-3: Bộ IFFT và FFT [8]

3.1.3.4 Tiền tố lặp (Cyclic Prefix – CP) trong hệ thống OFDM

Để hạn chế ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự ISI (Inter-Symbol Interference), nhiễuxuyên kênh ICI (Inter-carrier Interference) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu vềtính trực giao của sóng mang phụ, ta chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tựOFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải bằng hoặc lớn hơn

giá trị trải trễ cực đại nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại

bỏ được các nhiễu xuyên ký tự

3.1.4 Ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM

- Loại bỏ được nhiễu xuyên kênh ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI

- Hạn chế ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằngcách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền fadingphẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

3.1.4.2 Nhược điểm

- Nhạy với hiệu ứng Doppler, làm tần số sóng mang trung tâm bị lệch, dẫn đến

bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giảiđiều chế các symbol Đồng thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gianmột cách chính xác

- Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to AveragePower Ratio) lớn

- Làm suy hao một phần hiệu suất đường truyền do sử dụng chuỗi bảo vệ

3.2 Các đặc tính kênh truyền

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát vàmáy thu

Hình 3-4: Sơ đồ khối hệ thống truyền nhận tín hiệu OFDM

Đặc tính kênh truyền vô tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởngtrực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng Trong các hệ thống vô tuyếnthông thường, các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trướckhi thiết kế hệ thống Nhưng trong các hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề nàyphức tạp hơn Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận đượcthông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh.Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trườngtruyền vô tuyến Các yếu tố này là:

3.2.1 Sự suy hao

Suy hao là sự giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đếnmáy thu do sự hấp thụ tín hiệu bởi nước, không khí, và bị vật chắn, bị phản xạ từmặt đất Thông thường thì suy hao nằm trong khoảng 50 đến 150dB tùy theokhoảng cách

3.2.2 Hiện tượng fading đa đường

Fading đa đường là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông không dây gây ra do hiện tượng đa đường dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu không giống nhau tại các thời điểm hoặc tại các tần số khác nhau.

Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông, núi, biển… gây ra các hiện tượng sau đây:

- Phản xạ (Reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.

- Tán xạ (Scaterring): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.

- Nhiễu xạ (Diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng

Hình 3-5: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền song [Nguồn: Internet]

(a) Hiện tượng phản xạ.

(b) Hiện tượng tán xạ.

(c) Hiện tượng nhiễu xạ.

Do các bản sao này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo cácđường dài ngắn khác nhau nên:

- Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ phagiữa các thành phần này là khác nhau

- Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này làkhác nhau

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và phacủa các bản sao:

- Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khicác bản sao đồng pha

- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bảnsao ngược pha

3.2.3 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát.Bản chất của hiện tượng này là tần số của sóng mang thu được sẽ khác với tần sốsóng mang fC được truyền đi một khoảng gọi là tần số Doppler

3.2.4 Nhiễu trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise)

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu lànhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu và nhiễu liên ô Các loạinhiễu này có thể gây ra nhiễu liên ký tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên

điều chế IMD (Inter Modulation Distortion) Nhiễu này làm giảm tỷ số tín hiệu trênnhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống.

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cáchchính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loạinhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ côngsuất là đồng đều nhất trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian.3.2.5 Trải trễ (Delay spread)

Là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu và tín hiệu phản xạ thu được cuốicùng tại bộ thu do hiện tượng fading đa đường

3.2.6 Power delay profile (PDP)

PDP tiêu biểu cho công suất trung bình với trễ đa đường Nó cung cấp một chỉ địnhcủa việc phân tán và phân bố công suất phát trên các đường khác nhau trong trễtruyền đa đường PDP của kênh được lấy giá trị trung bình trong khoảng không giantheo các vị trí khác nhau

3.2.7 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM

3.2.7.1 Tín hiệu phát và thu OFDM

Mỗi ký tự OFDM bao gồm N sóng mang con mang thông tin Xk,m(k = 0, 1, 2, , 1), trong đó N là kích thước của hàm truyền Fourier nhanh (FFT) và biến đổi ngượcFourier nhanh (IFFT) được sử dụng trong truyền dẫn đa sóng mang con

N-Sau khi thực hiện biến đổi ngược Fourier nhanh và chèn mã bảo vệm tín hiệu phátcủa ký tự OFDM thứ m có dạng như sau:

Tại bên thu, sau khi thực hiện loại bỏ CP và FFT, samples nhận được trong miền tần

số có thể được xác định như sau:

3.2.7.2 Kênh truyền block-fading

Vì kênh truyền bị ảnh hưởng bởi block-fading nên tại sóng mang con thứ k, ở mộtnhánh của anten thu thì với bất cứ một ký tự OFDM nào đều cho thông số H nhưnhau

Thông số kênh truyền H tại sóng mang con thứ k của ký tự m là:

CHƯƠNG 4 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP

4.1 Tổng quan về phân tập trong truyền dẫn vô tuyến

Phân tập là một khái niêm rất phổ biến và quen thuộc trong viễn thông đặc biệt

là thông tin di động Phân tập là một kỹ thuật dùng để nâng cao độ tin cậy của việctruyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyềnkhác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợpnhững tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất

Như vậy mục đích chính của phân tập là giúp bên thu có thể thu được một tín hiệuvới BER tốt nhất có thể Cụ thể trong thông tin di đông thì nó cải thiện chất lượngtín hiệu thu bị suy giảm, sai hỏng do Fading nhờ việc kết hợp tín hiệu thu đa đườngđến từ nguồn phát Hạn chế ảnh hưởng của Fading đa đường, tăng độ tin cậy củaviệc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

Phân tập có thể thực hiện ở cả bên thu lẫn bên phát

Trong thông tin di động kỹ thuật phân tập có thể phân ra làm 3 loại:

Phân tập không gian

Phân tập thời gian

Phân tập tần số