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

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

Đồ án

-*** -tốt nghiệp đại họcĐề tài:

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

Giỏo viờn hướng dẫn:TS.Nguyễn Phạm Anh DũngSinh viờn thực hiện :Bựi Thị Thựy Dương

Hà Nội, 11-2008

KHOA VIỄN THÔNG 1

-*** -ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên: Bùi Thị Thùy DươngLớp: D04VT1

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

 Tổng quan về thông tin di động 3G+ Tổng quan về kỹ thuật đa anten

 Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ và LTE

Ngày giao đồ án:……/ /2008Ngày nộp đồ án: ……/11/2008

Ngày … tháng 11 năm 2008Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU x

1.3.1.2 Điều chế bậc cao HOM 6

1.3.1.3 Kết nối gói liên tục CPC 7

1.4 Tổng quan công nghệ LTE 9

1.4.1 Các mục tiêu yêu cầu của LTE 10

1.4.1.1 Các khả năng của LTE 10

1.4.1.2 Hiệu năng hệ thống 11

1.4.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai 13

1.4.1.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến 15

2.2 Cấu hình đa anten 17

2.3 Lợi ích của kỹ thuật đa anten 18

2.4 Mô hình MIMO tổng quát 18

2.5 Kênh SVD MIMO 20

2.5.1 Mô hình kênh SVD MIMO 20

2.5.2 Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu 24

2.6 Đa anten thu 25

2.6.1 Mô hình kênh phân tập anten thu 25

2.7.1.1 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thu 33

2.7.1.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và Nr anten thu 37

2.7.1.1 Phân tập trễ 40

2.7.1.2 Phân tập trễ vòng CDD 41

2.7.1.4 Phân tập dựa trên mã hóa không gian-tần số 43

2.7.2 Tạo búp sóng phía phát 44

2.8 Ghép kênh không gian 47

2.8.1 Nguyên lý cơ bản 47

2.8.2 Ghép kênh dựa trên tiền mã hóa 51

2.8.3 Xử lý bộ thu phi tuyến 53

3.1.2 Điều khiển tốc độ cho HSDPA-MIMO 60

3.1.3 HARQ kết hợp mềm cho HSDPA-MIMO 61

3.1.4 Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO 61

3.1.5 Hỗ trợ kênh điều khiển đường lên MIMO 64

3.1.6 Năng lực UE 69

3.3 Kỹ thuật đa anten trong LTE 71

3.3.1.Phân tập phát sử dụng mã hóa khối không gian- tần số hai anten SFBC723.3.2 Phân tập trễ vòng CDD 73

3.3.2 Tạo búp sóng 73

3.3.3 Ghép kênh không gian 74

3.3.4 Tín hiệu hoa tiêu truyền dẫn đa anten đường xuống 76

3.4 Tổng kết 77

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự phát triển công nghệ thông tin di động 3

Hình 1.2 Các phát hành của 3GPP 4

Hình 1.3.Hoạt động giảm HS-SCCH 8

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái trong LTE 11

Hình 1.5 Yêu cầu trễ mặt bằng U trong LTE 11

Hình 1.6 Băng tần hoạt độngcủa LTE 14

Hình 1.7 Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi 16

Hình 1.8 Các trạng thái UE trong UMTS 16

Hình 2.1.Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu 19

Hình 2.2 Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành các kênh phađinh phẳng song song tương đương dựa trên SVD 23

Hình 2.3 Mô hình SVD MIMO tối ưu 24

Hình 2.4 Sơ đồ kết hợp chọn lọc 26

Hình 2.5 Kết hợp anten thu tuyến tính 28

Hình 2.6 Kịch bản đường xuống với một nguồn nhiễu trội 30

Hình 2.7 Kịch bản phía thu với một nguồn nhiễu mạnh từ máy đầu cuối di động 31a) Nhiễu trong ô B) Nhiễu ngoài ô 31

Hình 2.8 Xử lý tuyến tính không gian/thời gian 2 chiều (2 anten thu) 32

Hình 2.9 Xử lý tuyến tính không gian/ tần số 2 chiều (2 anten thu) 32

Hình 2.10 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu 34

Hình 2.11.Sơ đồ Alamouti hai anten phát và hai anten thu 37

Hình 2.12 Phân tập trễ 2 anten 41

Hình 2.13 Phân tập trễ vòng 2 anten (CDD) 42

Hình 2.14 Phân tập phát không gian- thời gian WCDMA (STTD) 43

Hình 2.15 Phân tập phát không gian/tần số 2 anten 43

Hình 2.16 Tạo búp song cổ điển với độ tương cao anten cao: 44

a) Cấu hình anten b) Cấu trúc búp sóng 44

Hình 2.17 Tạo búp sóng dựa trên tiền mã hóa trong trường hợp tương quan anten thấp 45

Hình 2.18.Tiền mã hóa trên mỗi sóng mang con của OFDM (2 anten phát) 47

Hình 2.19 Cấu hình anten 2x2 49

Hình 2.20 Thu tuyến tính/Giải ghép kênh các tính hiệu được ghép không gian 50

Hình 2.21 Ghép kênh không gian dựa trên tiền mã hóa 51

Hình 2.22 Trực giao hóa tín hiệu ghép không gian thông qua tiền mã hóa 52

Hình 2.23 Truyền dẫn một từ mã (a) và đa từ mã (b) 53

Hình 2.24 Giải ghép kênh/giải mã tín hiệu ghép không gian dựa trên SIC 54

Hình 3.1 Xử lý kênh HS-DSCH trong trường hợp truyền dẫn MIMO 56

Hình 3.2 Sơ đồ D-TxAA 57

Hình 3.3 Mẫu điều chế kênh hoa tiêu chung với A=1+j 59

Hình 3.4 Thông tin kênh HS-DSCH khi hỗ trợ MIMO 61

Hình 3.5.Mã hóa kênh cho kênh HS-DPCCH 64

Hình 3.6.Ví dụ về báo cáo PCI/CQI loại A và B cho UE có cấu hình MIMO 68

Hình 3.7.Tổ hợp PCI/CQI 69

Hình 3.9 Sơ đồ tổng quát tạo tín hiệu băng gốc đường xuống 72Hình 3.10.Mã hóa khối không gian-tần số SFBC trong cơ cấu đa anten LTE 73Hình 3.11.Tạo búp sóng trong trong cơ cấu đa anten LTE 73Hình 3.12.Ghép kênh không gian trong khung hoạt động đa anten LTE (NL=3, NA=4) 74Hình 3.13 Tín hiệu hoa tiêu ghép kênh không gian đường xuống 76

Bảng 1.5 Yêu cầu gián đoạn cho LTE 15

Bảng 2.1 Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát hai anten 38

Bảng 2.2 Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu 38

Bảng 2.3 Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu 38

Bảng 3.1 Biên dịch thông tin sơ đồ điều chế và thông tin khối truyền tải từ DSCH 63

HS-Bảng 3.2 Kết hợp các quá trình HARQ cho truyền dẫn đa luồng (12 quá trình HARQ) 63

Bảng 3.3 Biên dịch HARQ trong hoạt động MIMO 65

Bảng 3.4 Bảng CQI cho UE loại 15 trong trường hợp truyền hai luồng (bản tin loạiA) 66

Bảng 3.5 Bảng CQI cho UE loại 16 trong trường hợp truyền hai luồng (bản tin loạiA) 67

Bảng 3.6 Bảng ánh xạ trọng số tiền mã hóa sang giá trị PCI 69

Bảng 3.7 UE phát hành 7 từ 15-18 hỗ trợ MIMO 71

Bảng 3.8 Bảng mã tiền mã hóa cho trường hợp hai anten phát 75

AMPS Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

Liên minh cho các giải pháp công nghiệp viễn thông

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

Hiệp hội chuẩn truyền thông Trung Quốc

CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

European Conference of Postal and Telecommunications Administations

Hội nghị Châu Âu về quản lý Bưuchính Viễn thông

CPC Continuous Packet Connectivity Kết nối gói liên túcCPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chungCQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

Dedicated Physical Control

DRX Discontinuous Reception Thu không liên tụcDTX Discontinuous Transmission Phát không liên tụcD-TxAA Dual Transmit -Diversity Adaptive Array

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GPRS

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

FDD Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo tần số

FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần sốFDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Mạng truy nhập vô tuyến GSM/ EDGE

GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chuntgGSM

Global System for Mobile communications

Hệ thống thông tin di dộng toàn cầu

HOM High Order Modulation Điều chế bậc caoHSDPA

High Speed Downlink Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống

HS-High Speed Dedicated Physical Control Channel

Kênh vật lý điều khiển riêng tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ caoHS-

HS-High Speed Physical Downlink Shared Channel

Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao

SCCH

HS-High Speed Shared Control Channel

Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao

IMS Internet Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện Internet

MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra

MMSE Minimum Mean Square Error

Sai lỗi trung bình bình phương cực tiểu

MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ lớn nhấtMU-

PARC Per-Antenna Rate Control

PCI Precoding Control Indicator Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa

PDC Personal Digital Cellular

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyếnRLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống

SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin

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

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

Phân tập phát không gian thời gian

SVD Sigular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

TDD Time Division Duplex

Ghéo song công phân chia theo thời gian

TDM Time Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo thời gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

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

thêm nhiều đặc tính mới và tiến bộ, một trong số đó là kỹ thuật đa anten MIMO.Những năm gần đây các hệ thống đa anten MIMO đã trở thành các chủ đềthu hút nhiều tổ chức nghiên cứu trên toàn cầu Hệ thống MIMO rất có triển vọngtrong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau bởi lẽ nó không chỉ cho phép đạtđược hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn nữa mà còn có tính khả thi về phần cứngcũng như phần mềm do sự tiến bộ của các công nghệ xử lý tín hiệu số DSP và biếnđổi tương tự số tốc ADC độ cao.

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

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

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

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

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

Chương 1 của đồ án sẽ giới thiệu một cách khái quát về sự phát triển củahệ thống thông tin di động đồng thời trình bày những nét cơ bản nhất của hai côngnghệ HSPA+ và LTE.

Chương 2:Tổng quan về kỹ thuật đa anten

Trong chương này, đồ án sẽ trình bày một số kỹ thuật đa anten cơ bản nhấtcũng như các kỹ thuật đa anten được sử dụng trong hệ thống thông tin di động sau3G.

Chương 3:Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ và LTE

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

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

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

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

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

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008Sinh viên

Bùi Thị Thùy Dương

Bùi Thị Thùy Dương-D04VT1 xi

1.2 Sự phát triển của thông tin di động

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

Công nghệ thông tin di động 1G

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

Thông thường các công nghệ 1G được triển khai tại một số nước hoặc nhómcác nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế và khôngcó ý định sử dụng cho quốc tế.

Công nghệ thông tin di động 2G

Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế Thiết kế2G nhấn mạnh đến tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụngtruyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến Tính năng cuối cùng chính là yêu cầu đối với2G Các thí dụ điển hình về hệ thống 2G là GSM và CDMAone (dựa trên tiêuchuẩn TIA IS95) Ở Châu Âu, CEPT đã đề xướng dự án GSM để phát triển một hệthống di động toàn Châu Âu Các hoạt động của GSM tiếp tục được thực hiện trongnăm 1989 với ETSI Sau khi tính toán các đề xuất dựa trên TDMA, CDMA vàFDMA giữa những năm 1980, chuẩn GSM cuối cùng đã được xây dựng trênTDMA Cùng lúc đó, việc phát triển chuẩn tế bào cũng được TIA thực hiện ở Mỹvới chuẩn IS-54 dựa trên TDMA, sau này được gọi đơn giản là US-TDMA Tiếpsau đó, sự phát triển chuẩn CDMA đã được TIA hoàn thành trong năm 1993 vớitên gọi là IS-95 Ở Nhật Bản, chuẩn TDMA 2G cũng được phát triển với tên gọi làPDC.

Các chuẩn này có chiều hướng “băng hẹp”, với các dịch vụ “băng thôngthấp” như voice Hệ thống 2G cũng mang lại cơ hội để cung cấp các dịch vụ dữ liệuthông qua mạng di động Các dịch vụ dữ liệu đầu tiên được giới thiệu trong 2G làtin nhăn văn bản SMS và dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cho phép truyền e-mailvà các ứng dụng dữ liệu khác Tốc độ dữ liệu đỉnh vào thời gian đầu là 9,6 kbps.Các tốc độ cao hơn được đưa ra sau đó bằng cách gán nhiều khe thời gian chongười dùng và thay đổi sơ đồ mã hóa.

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

Công nghệ thông tin di động 3G

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

Ở Châu Âu, 3G được đặt tên là UMTS Đầu năm 1998, ETSI đã lựa chọnWCDMA là công nghệ cho UMTS WCDMA có thể có hai giải pháp cho giao diệnvô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số và ghép song công phân chia theothời gian Chuẩn WCDMA được thực hiện song song trong ETSI và ARIB cho đếncuối năm 1998 khi 3GPP được hình thành bởi các tổ chức phát triển chuẩn từ các

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

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

Hình 1.1 Sự phát triển công nghệ thông tin di động

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

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

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

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

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

Phát hành 7:(Chưa hoàn chỉnh) Cung cấp các chức năng dữ liêu GSM nângcao, đồng thời bao gồm các cải tiến cho các tính năng từ các phiên bản trước Kếtquả làm tăng hiệu suất, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng cường dung lượngvà chống nhiễu tốt hơn Do đó, nó thường được gọi là 3G+ (phát triển 3G ) Ngoàira trong phát hành 7, HSPA+ còn hỗ trợ dịch vụ VoIP.

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

Hình 1.2 Các phát hành của 3GPP

1.3 Tổng quan HSPA+

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

Yêu cầu quan trọng đối với một hệ thống tế bào cung cấp dịch vụ dữ liệu góilà tốc độ dữ liệu cao và trễ thấp, dùy trì vùng phủ tốt và cung cấp dung lượng cao.Để đạt được điều này, HSPA giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản trong phần II củaWCDMA như điều chế bậc cao, chế độ lập lịch nhanh (phụ thuộc kênh) và điềukhiển tốc độ, ARQ lai nhanh với kết hợp mềm Nhìn chung, HSPA cung cấp tốc độdữ liệu đường xuống và đường lên xấpxỉ 14 và 5,7 Mbit/s, RTT giảm xuống đồngthời cải thiện dung lượng so với R99 Những nhà khai thác UMTS đã nhanh chóngtriển khai các dịch vụ di động băng rộng của HSPA và tăng dung lượng dữ liệu

1.3.1 Khả năng của HSPA+

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

 HSPA+ nhân đôi dung lượng dữ liệu so với HSPA, do đó giảm giá thànhcho các dịch vụ dữ liệu đồng thời nâng cao mạng băng rộng di động. HSPA+ cung cấp dung lượng thoại thông qua VoIP gấp 3 lần so với thoại

chuyển mạch kênh trong phát hành 99 với cùng chất lượng và mã hóa. HSPA+ VoIP giúp tăng dung lượng dữ liệu trong mô hình hòa trộn VoIP

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

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

 HSPA+ là một giải pháp tối ưu với sóng mang 5 MHz và nó cung cấpdung lượng thoại và dữ liệu xấp xỉ LTE trong cùng dải 5 MHz và cùng sốanten.

64QAM đường xuống,16 QAM đường lên

Tốc độ dữ liệu đường xuống tăng 50%Nhân đôi tốc độ dữ liệu đường lênTăng dung lượng đường lên và xuốngKết nối gói lên tục CPC

DTX/DRX-Hoạt độnggiảm HS-SCCH

Cải thiện dung lượng VoIP

Tăng thời gian đàm thoại lên 50%Trạng thái hoạt động

CELL_FACH nâng cao

Thiết lập cuộc gọi nhanh

Bảng 1.1.Các đặc tính chủ yếu của HSPA+

1.3.2.1 MIMO

HSPA+ hỗ trợ MIMO 2x2 đường xuống, sử dụng hai anten phát ở Node B đểtruyền luồng dữ liệu trực giao tới hai anten thu ở phía UE Sử dụng hai anten cộngthêm xử lý tín hiệu số ở cả hai phía thu phát, MIMO có thể tăng dung lượng của hệthống và nhân đôi tốc độ dữ liệu mà không cần tăng công suất ở Node B hoặc băngthông.

Trong những điều kiện nhất định, dữ liệu trong hệ thống MIMO 2x2 có thểđược phát trên hai luồng trực giao Để có hiệu quả nhất, MIMO cần SNR cao ở UEvà môi trường tán xạ lý tưởng SNR cao đảm bảo cho UE có thể giải mã thành côngtín hiệu đến trong khi công suất được phân đều trên hai anten Môi trường tán xạ lýtưởng đảm bảo hai luồng dữ liệu trực giao khi chúng được truyền tới UE.

Mặt khác, trong môi trường LOS, khó có thể hỗ trợ các luồng trực giao, dođó mà độ lợi MIMO có giới hạn MIMO mang lại lợi ích nhất trong môi trường đôthị vì tán xạ tốt và kích thước ô nhỏ Còn với môi trường nông thôn với kích thướcô lớn và tán xạ ít, MIMO không mang lại lợi ích to lớn HSPA+ đưa ra sơ đồ D-TxAA cho MIMO 2x2 mà đồ án sẽ trình bày trong chương sau Trong những pháthành sau (phát hành 8 và xa hơn nữa), MIMO bậc cao và UL MIMO sẽ được xemxét

1.3.1.2 Điều chế bậc cao HOM

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

Tốc độ dữ liệuđỉnh HSPA+

MIMO (2x2 DL MIMO) Không MIMO

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

11 Mbps (16-QAM)

5,76 Mbps (QPSK)11 Mbps (16-QAM)

Bảng 1.2 Tốc độ dữ liệu HSPA+

1.3.1.3 Kết nối gói liên tục CPC

CPC bao gồm một vài đặc tính với mục đích tối ưu hóa sự hỗ trợ cho ngườidùng dữ liệu gói trong mạng HSPA Với việc gia tăng các dịch vụ dữ liệu gói, mộtsố lượng lớn người sử dụng phải được hỗ trợ trong một ô Họ phải được duy trì kếtnối trong một thời gian dài, mặc dù có thể họ chỉ ở trạng thái truyền dữ liệu tíchcực trong một thời gian nào đó Do đó, các kết nối phải được duy trì, đồng thời phảitránh bị ngắt kết nối và tái thiết lập kết nối để người sử dụng cảm nhận được trễ lànhỏ nhất.

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

Phát không liên tục đường lên DTX.

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

Mặc dù kênh DPCCH đường lên không được phát liên tục, nhưng nó vẫnđược phát trong một vài thời điểm theo mẫu đã biết trước Hoạt động này mục đíchđể duy trì đồng bộ và điều khiển công suất Trong trường hợp E-DCH và HS-DPCCH sử dụng, thì DPCCH đường lên sẽ được phát song song.

Để linh hoạt hơn, hai mẫu hoạt động DPCCH đường lên được đưa ra với mỗimột UE:

 UE DTX chu kỳ 1  UE DTX chu kỳ 2

UE DTX chu kỳ 2 được sử dụng khi không có họat động truyền dữ liệu UEDTX chu kỳ 1 được sử dụng tạm thời phụ thuộc vào khoảng thời gian không hoạtđộng của E-DCH Sau quá trình truyền dẫn đường lên cuối cùng trên kênh E-DCH,UE sẽ chờ trong một khoảng thời gian, được gọi là “ngưỡng không họat động củaUE DTX chu kỳ 2”, sau đó nó sẽ chuyển sang DTX chu kỳ 1.

Thu không liên tục đường xuống DRX

Trong HSPA phát hành 5, UE phải duy trì kênh HS-SCCH liên tục để theodõi dữ liệu đường xuống Trong HSPA+, mạng có thể giới hạn phân khung mà ở đóUE giám sát kênh HS-SCCH để làm giảm công suất tiêu tốn UE Hoạt động DRXđược điều khiển bởi tham số chu kỳ UE_DRX, với các giá trị có thể có là 4, 5, 8,10, 16, hoặc 20 phân khung Ví dụ, nếu chu kỳ UE_DRX là 5 phân khung, thì cứsau 5 phân khung UE chỉ phải duy trì kênh HS-SCCH.

DRX cũng tác động đến việc duy trì kênh điều khiển đường xuống E-RGCHvà E-AGCH Nhìn chung, khi việc truyền dữ liệu đường lên đang tiếp diễn hoặcvừa mới kết thúc, UE sẽ phải giám sát các kênh này Nếu không có dữ liệu đườnglên và quá trình truyền dẫn cuối cùng vạch ra một ngưỡng thời gian, thì UE có thểdừng việc giám sát các kênh này.

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

Chế độ hoạt động giảm HS-SCCH

Khối truyền tải trên HS-DSCH

Khối truyền tải trên HS-DSCH

Khối truyền tải trên HS-DSCHBước 1: Khởi tạo truyền dẫn

Không HS-SCCH

ACK hoặc DTXBước 2: Truyền lại lần 1

HS-SCCH loại 2

Bước 3: Truyền lại lần 2 HS-SCCH loại 2

ACK hoặc NACK

ACK hoặc NACK

Hình 1.3.Hoạt động giảm HS-SCCH

Chế độ hoạt động giảm HS-SCCH là một chế độ đặc biệt, nó làm giảm tiêuđề HS-SCCH và hạn chế sự tiêu tốn công suất cho UE Nó thay đổi cấu trúc thôngthường của việc nhận dữ liệu HSDPA Thông thường, UE sẽ đọc liên tục trên kênhHS-SCCH UE được đánh địa chỉ thông qua nhận dạng UE (16 bit H-RNTI/HSDPA Radio Network Temporary Identifier) trên kênh HS-SCCH Ngay khi UEnhận biết các thông tin điều khiển liên quan trên HS-SCCH, nó sẽ chuyển tới tàinguyên HS-PDSCH và nhận dữ liệu gói Sơ đồ này về cơ bản sẽ thay đổi trong chếđộ hoạt động giảm HS-SCCH Hoạt động này đựợc tối ưu hóa cho các dịch vụ góinhỏ như VoIP Trạm gốc sẽ quyết định cho từng gói ở chế độ giảm HS-SCCH haykhông, có nghĩa là chế độ thường vẫn được thực hiện.Nguyên lý của hoạt động nàyđược miêu tả trong hình 1.3.

1.3.1.4 Trạng thái CELL_FACH nâng cao

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

Để giảm bớt công suất tiêu tán cho UE, WCDMA cũng như các hệ thống tếbào khác, có một số trạng thái: URA_PCH, CELL_PCH, CELL_FACH vàCELL_DCH Công suất tiêu tán sẽ thấp nhất khi UE thuộc một trong hai trạng tháiđặc biệt, CELL_PCH và URA_PCH Trong những trạng thái này, UE “ngủ” và chỉ“thức dậy” để kiểm tra bản tin Để trao đổi dữ liệu, UE cần chuyển sang trạng tháiCELL_FACH hoặc CELL_DCH.

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

1.4 Tổng quan công nghệ LTE

Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RANđể có thể triển khai vào năm 2010 Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành,tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận cao và cải thiện khai thác bảo dưỡngcũng như cung cấp dịch vụ Để đạt đựơc các mục tiêu này cần đưa ra một công

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

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ, mục tiêu nghiên của LTE và SAE như sau:1 Về phần vô tuyến (LTE):

 Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dung, trễ. Đơn giản hóa mạng vô tuyến.

 Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS.2 Về phần mạng (SAE):

Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng.Đơn giản mạng lõi.

Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ.

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

1.4.1 Các mục tiêu yêu cầu của LTE

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

1.4.1.1 Các khả năng của LTE

a Tốc độ số liệu đỉnh

Mục tiêu LTE cho các yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến100Mbps khi băng thông đựơc cấp phát là 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnh đườnglên lên đến 50 Mbps khi băng thông được cấp phát là 20MHz (2,5bps/Hz) Các mụctiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm: (1) khảnăng đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả năng đường lên với một anten tại

UE

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

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

<50ms

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái trong LTE

LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong chếdộ rỗi – Idle của R6) vào trạng thái tich cực (như trong R6 CELL_DCH) Nó cũngcần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ (như trong R6CELL_PCH) sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH).

Yêu cầu trễ mặt bằng người sử dụng đảm bảo trễ nhỏ hơn 10ms Trể mặtbằng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong UE (hoặcnode biên của UTRAN) đến lớp IP trong node biên của UTRAN (hoặc UE), nodebiên của UTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩn đảm bảo trễ măt bằngU của LTE nhỏ hơn 5ms trong điều kiện không tải (nghĩa là một người sử dụng vớimột luồng số liệu đơi với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề )

xuất phổ tần được định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đobằng bit/s/Hz

2,6Thông lượng người

c Vùng phủ

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

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

d MBMS tăng cường

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập tới chế độ quảng bá và chế độ phátđa phương LTE phải đảm bảo các dịch vụ tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp.Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tươngứng với 16 kênh TV trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz.Tất nhiên LTE đảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộnlẫn với nhau.

1.4.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai

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

a Triển khai phổ tần

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

 Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm vớiGERAN/UTRAN trên các kênh lân cận.

 Đồng tồn tại trên các kênh lân cận hoặc chồng lấn tại biên giới cácnước.

 E-UTRA phải có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mangkhác).

 Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về cácnguyên tắc băng tần độc lập.

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

Hỗ trợ cả phổ đơn và phổ kép đã có trong đặc tả của 3GPP ngay từ phát hànhR3, mặc dù hiện nay mới triển khai FDD cho WCDMA và HSPA LTE hỗ trợ cảFDD và TDD trong cùng một công nghệ truy nhập vô tuyến.

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

1,25 MHzMHz2,5

HSPA và LTE trong băng 5 MHz

Cung cấp cùng hiệu năngLTE cho các băng tần rộng hơn

Hiệu năng tốt hơn trong các băng tần rộng hơn

Hình 1.6 Băng tần hoạt độngcủa LTE

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

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

Tất cả các đầu cuối LTE hỗ trợ khai thác UTRAN/GERAN phải có khả nănghỗ trợ đo, chuyển giao đến/từ cả hai hệ thống UTRAN và GERAN Ngoài ra LTEcầnphải hỗ trợ đo giữa các RAT chẳng hạn bằng cách cung cấp cho các UE các cơhội đo trên đường lên và đường xuống thông qua lập biểu.

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

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

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

Bảng 1.5 Yêu cầu gián đoạn cho LTE

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

1.4.1.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến

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

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

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

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

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

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

1.4.1.5 Các vấn đề về mức độ phức tạp

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

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

LTE_Idle (Chờ)

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

Hình 1.7 Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi

Hình 1.8 Các trạng thái UE trong UMTS

1.5 Tổng kết

Như vậy, chương 1 đã trình bày tổng quan quá trình phát triển của thông tindi động từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G) Có thể nói HSPAlà hậu 3G và LTE là tiền 4G với công nghệ LTE sẽ đem lại cho viễn thông di độngthế giới tiến gần đến 4G hơn.

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

2.2 Cấu hình đa anten

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

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

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

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

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

2.3 Lợi ích của kỹ thuật đa anten

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

Nhiều anten phát/ thu có thể được sử dụng để phân tập, chống lại fadingkênh vô tuyến Trong trường hợp này, kênh khác nhau trên các anten khác nhau sẽcó độ tương quan thấp Để đạt được điều đó thì khoảng cách giữa các anten phải đủlớn (phân tập không gian) hoặc sử dụng các anten có phân cực khác nhau (phân tậpphân cực).

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

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

2.4 Mô hình MIMO tổng quát

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

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

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

 là tạp âm Gaus trắng phức của Nr máy thu.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 địnhbởi biểu thức sau:



như sau:

2.5 Kênh SVD MIMO

2.5.1 Mô hình kênh SVD MIMO

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

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

Trong đó  là vector AWGN phức có phân bố Νc(0,)và EηηH σ2INr

22 N0

 ; N0 là mật độ phổ công suất tạp âm.

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

Với U và V là các ma trận nhất phân có kích thước Nr xNr và Nt xNtToán tử (.)H là chuyển vị Hermitian

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

D là ma trận có kích thước Nr x Nt, gồm NA giá trị đơn không âm được kýhiệu là 1/2

 , , 1/2

λ trên đường chéo chính của nó Trong đó NA=min (Nt, Nr), và ivới i=1,2, ,N là các giá trị eigen của ma trận HHH Các giá trị eigen của ma trậnHHH được xác định như sau:

tNrN,HHQ H

(2.7)

vector eigen của HHH Số các giá trị eigen khác không của HHH chính bằng hạngcủa ma trận này.

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

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

Trong trường hợp này ma trận V chỉ có Nr hàng sử dụng được, còn Nt- Nrhàng còn lại không sử dụng được Khi này Nr phần tử đầu của ma trận x được sửdụng và Nt- Nr phần tử còn lại của nó được đặt vào không Trường hợp đặc biệt cóNt anten phát nhưng chỉ có một anten thu (Nr = 1) Khi này ma trận U có kích thước1x1 và chỉ sử dụng được một hàng của ma trận V.

Trường hợp thứ hai tương ứng với khi số anten thu nhiều hơn số anten phát(Nt <Nr) Trong trường hợp này vẫn như trước ta có V là ma trận Nt x Nt và U là matrận Nr x Nr, nhưng ma trận D là ma trận Nt x Nr được tạo thành từ ma trận đườngchéo Nt x Nt theo sau là Nr – Nt hàng bằng không:

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

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

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

Trong đó : ~yUHy

Phương trình này dẫn đến mô hình SVD MIMO sau:

Hình 2.2 Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành các kênh phađinhphẳng song song tương đương dựa trên SVD

n được coi là độ lợi kênh và có thể được sử dụng để đánh giá BER tại phíathu Nếu ta sử dụng tách sóng nhất quán và coi rằng đã biết i thì SNR tại máy thuđược xác định như sau:

λx

 là mật độ phổ công suất tạp âm AWGN.

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

Với Eb là năng lượng bit.

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

Trong đó Prn là xác suất lỗi bit của một kênh không gian.Xác suất lỗi bit trung bình được tính như sau:

2.5.2 Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu

Giả sử x được nhân trước mới ma trận V và y được nhân trước với ma trậnUH ta được các biểu thức sau:

(2.17)Vì ma trận D là ma trận được chéo hóa, nên ta có thể phân hóa quan hệ giữaz và x vào dạng:

nn1/2n

Hình 2.3 Mô hình SVD MIMO tối ưu

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

2.6 Đa anten thu

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

2.6.1 Mô hình kênh phân tập anten thu

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