Các hế thống thông tin không dây luôn đƣợc nghiên cứu nhằm cải thiện chất lƣợng, dung lƣợng của hệ thống cũng nhƣ khả năng chống lại hiện tƣợng đa đƣờng . đối với các hệ thống thông tin chất lƣợng của tín hiệu có thể đƣợc cải thiện bằng cách tăng công suất , dung lƣợng của hệ thống có thể tăng khi tăng băng thông. Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức gới hạn nào đó, vì công suất phát càng tăng thì hế thống càng gây nhiễu cho các hệ thống xung quanh, băng thông của hệ thống cũng không thể tăng lên mãi vì việc phân bố băng thông đã đƣợc định chuẩn sẵn .
MIMO (multi input multi output) hay còn gọi là kỹ thuật sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu để truyền và nhận dữ liệu. Hệ thống MIMO có thể tăng dung lƣợng kênh truyền , sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lƣợng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu (STB, STTC) mà không cần tăng công suất phát cũng nhƣ tăng băng thông của hệ thống.
MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt đƣợc các yêu cầu đầy tham vọng về thông lƣợng và hiệu quả trải phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu. Với hƣớng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) đƣợc xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng đƣợc đề cập và đƣa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt đƣợc tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO.
35
Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian và phát phân tập là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE.
Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến. Các chuỗi dữ liệu này có thể là của một ngƣời dùng đơn lẻ (single user MIMO hay SU-MIMO) hay nhiều ngƣời dùng (Multi User MIMO hay MU-MIMO).
2.3.2. SU- MIMO đường xuống trong LTE
Sơ đồ SU-MIMO đƣợc áp dụng cho PDSCH (kênh vật lý chia sẻ đƣờng xuống). Bằng ghép kênh không gian của SU-MIMO, hệ thống LTE cung cấp tốc độ đƣờng xuống 150Mbps với hai anten phát và 300Mbps với bốn anten phát. Tồn tại hai chế độ khai thác trong ghép kênh không gian SU-MIMO: chế độ ghép kênh không gian vòng kín và ghép kênh không gian vòng hở.
Mô hình truyền dẫn SU-MIMO tổng quát cho trƣờng hợp truyền dẫn vòng kín đƣợc cho trên hình 2.9 Mô hình trên hình vẽ sử dụng cấp hạng L với P cửa anten cho truyền dẫn SU-MIMO từ eNodeB đến UE (đƣờng xuống) trên tài nguyên thời gian tần số đƣợc cấp phát riêng cho UE. Để mô hình này hoạt động số lƣợng anten phát tại eNodeB (P) và số lƣợng các anten tại UE (M) phải bằng hoặc lớn số luồng (≥L). Mô hình này cũng áp dụng cho SU-MIMO vòng hở với ngoại lệ là trong SU- MIMO vòng hở không có thông tin chọn tiền mã hóa phản hồi từ UE.
Hình 2.9 Mô hình truyền dẫn SU-MIMO tổng quát. Quá trình xử lý tín hiệu số phía phát trong SU-MIMO đƣờng xuống
36
Ghép kênh không gian vòng kín với L lớp và N anten phát (N≥L) đƣợc minh họa trên hình 2.10.
Hình 2.10 Xử lý tín hiệu SU-MIMO vòng kín phía phát Chuỗi xử lý tín hiệu trên hình 2 bao gồm ba quá trình xử lý chính:
- Sắp xếp Q từ mã cần phát vào L lớp khác nhau (phân luồng cho các từ mã) - Tiền mã hóa
- Sắp xếp các từ mã sau tiền mã hóa lên các tài nguyên truyền dẫn trƣớc khi đƣa đến N anten để phát đi
Quá trình xử lý tín hiệu số phía thu trong SU-MIMO đƣờng xuống
Xử lý thu tuyến tính có thể đƣợc sử dụng kết hợp với quá trình khôi phục tín hiệu ghép không gian. Tuy nhiên, hệ thống có thể đạt đƣợc hiệu năng giải điều chế tốt hơn nếu áp dụng xử lý thu phi tuyến trong trƣờng hợp ghép kênh không gian.
Giải pháp máy thu tối ƣu cho các tín hiệu ghép không gian là áp dụng tách tín hiệu khả giống cực đại (ML: Maximum-Likelihood). Tuy nhiên trong nhiều trƣờng hợp, tách tín hiệu ML quá phức tạp. Vì thế đã có một số đề xuất để giảm độ phức tạp cho hầu hết các sơ đồ ML.
Một giải pháp khác, xử lý phi tuyến để giải điều chế các tín hiệu ghép không gian đƣợc gọi là khử nhiễu lần lƣợt (SIC: Successive Interferrence Cancellation). SIC dựa trên giả thiết là các tín hiệu đã đƣợc mã hóa riêng biệt trƣớc khi ghép không gian. Quá trình này thƣờng đƣợc gọi là truyền dẫn nhiều từ mã (Multi- Codeword). Trong trƣờng hợp đa từ mã, các CRC cá lẻ đƣợc gắn vào các khối
37
thông tin nhỏ hơn (cho từng từ mã) và sau đó các khối nhỏ này đƣợc mã hóa kênh và điều chế riêng rẽ. Cần lƣu ý rằng trong trƣờng hợp truyền dẫn đa từ mã, điều chế và mã hóa khác nhau có thể đƣợc áp dụng cho từng luồng cá lẻ dẫn đến sơ đồ PARC (per antenna control: điều khiển theo từng anten). Truyền dẫn đa từ mã cho phép loại nhiễu sau giải mã hiệu quả hơn bằng cách sử dụng máy thu MMSE-SIC. Sở dĩ nhƣ vậy vì có thể kiểm tra CRC trên từng từ mã trƣớc khi loại bỏ nó từ tổng tín hiệu. Bằng cách làm này, chỉ các từ mã thu đúng là đƣợc loại bỏ nhờ vậy tránh đƣợc truyền lan nhiễu trong quá trình loại bỏ.
2.3.3 MU - MIMO trong LTE
2.3.3.1. MIMO đa ngƣời sử dụng (MU-MIMO) đƣờng xuống
Các sơ đồ đƣợc trình bày trên đây đều liên quan đến truyền dẫn cho một ngƣời sử dụng (UE). Ghép kênh không gian chia sẻ SINR cao giữa một số lớp để đạt đƣợc tốc độ số liệu đỉnh cao cho một ngƣời sử dụng. Tuy nhiên ta cũng có thể sử dụng cùng một nguyên tắc chia sẻ SINR cao của ghép kênh không gian để truyền dẫn đến nhiều ngƣời sử dụng đồng thời. Thực chất, MIMO đa ngƣời sử dụng (MU-MIMO) là phân đoạn không gian và truyền dẫn đến nhiều ngƣời sử dụng đồng thời trên các phần tử tài nguyên giống nhau, mặc dù từ các ô khác nhau, có thể đƣợc xem nhƣ là một dạng ghép kênh không gian. Tuy nhiên 3GPP cũng đồng ý hỗ trợ sơ đẳng ghép kênh không gian cho các UE khác nhau trong cùng một ô. Sơ đồ này giống nhƣ đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) nhƣng trong 3GPP đựơc gọi là MU-MIMO (MIMO đa ngƣời sử dụng). Khác với SU- MIMO, mục tiêu của MU-MIMO là hỗ trợ SDMA cho các cấu hình anten tƣơng thích, nghĩa là các cấu hình anten đƣợc đặt cách nhau nửa bƣớc sóng tại phía eNodeB dẫn đến các kênh có tƣơng quan cao. Bằng cách lập biểu đồng thời cho một số UE nằm tại các phƣơng vật lý đủ cách biệt nhau và tập trung truyền dẫn vào các búp hẹp đến từng UE để có thể duy trì nhiễu thấp giữa các UE đựơc lập biểu đồng thời trong cùng một ô. Vì kênh có tƣơng quan cao, mỗi UE đƣợc phục vụ bởi tạo
38
búp cấp hạng đơn (Rank-1). Rõ ràng rằng điều này hƣớng đến các kịch bản có trải góc nhỏ tại eNodeB.
Trong chế độ MU-MIMO, truyền dẫn đến một số đầu cuối đƣợc thực hiện trên cùng một tài nguyên thời gian-tần số bằng cách khai thác phân tập không gian của kênh truyền sóng. Để khai thác toàn diện các chế độ truyền dẫn MU-MIMO, các không gian dự định cho truyền dẫn đến các đầu cuối đích phải đủ phân cách, lý tƣởng phải trực giao tại cả đầu phát lẫn đầu thu. Về lý thuyết độ lợi hiệu năng của MU-MIMO so với SU-MIMO đƣợc kỳ vọng tăng đáng kể trong các kênh tƣơng quan không gian cùng với tăng số lƣợng anten tại eNodeB.
LTE đã đƣa ra rất nhiều chức năng cần thiết cho kiểu SDMA kinh điển này. Tạo búp dựa trên trên bảng mã đƣợc hỗ trợ bởi sơ đồ tiền mã hóa phụ thuộc kênh cho truyền dẫn rank-3. Vì thế các UE đƣợc lập cấu hình cho sơ đồ tiền mã hóa phụ thuộc kênh rank-1 và báo cáo vectơ tiền mã hóa tƣơng ứng cho eNodeB. Nhƣ vậy một chức năng thực sự quan trọng đặc thù MU-MIMO là các UE phải có khả năng rút ra đựơc tỷ số công suất giữa các tín hiệu tham chuẩn và và công suất trên một phần tử tài nguyên số liệu và anten sử dụng để truyền dẫn cho nó để có thể thực hiện giải điều chế. Vấn đề tỷ số công suất là rất quan trọng vì các UE chia sẻ cùng tài nguyên và vì thế có thể chia sẻ công suất hữu hạn của các PA. Điều này có thể dẫn đến thăng giáng công suất với tốc độ khung con truyền dẫn đến UE. Vì UE không nhất thiết phải ƣớc tính mù tỷ số công suất này cho tất cả các điều chế khác nhau, nên cần thông báo các thăng giáng công suất này đến UE. Đối với truyền dẫn QPSK, UE có thể không cần biết tỷ số công suất, nhƣng đối với điều chế bậc cao hơn (16QAM, 64QAM) UE cần đƣợc thông báo tỷ số công suất tất nhiên không phải cho mỗi khung con.
Vấn đề căn bản trong MU-MIMO là các UE có thể đƣợc lập biểu đồng thời (cung cấp cùng một tài nguyên) nếu các búp sóng ƣu việt của chúng đủ phân cách. Bộ lập biểu cần phối hợp các UE có số liệu cần truyền, báo cáo các búp tƣơng thích và có địa lý đủ cao.Vì thế để MU-MIMO có lợi, tải hệ thông phải cao với nhiều UE
39
tích cực yêu cầu số liệu trong từng khung. Điều này cho phép bộ lập biểu tìm đựơc nhiều UE có thể đƣợc lập biểu đồng thời trên các búp ít gây nhiễu nội ô.
Đối với MU-MIMO đƣờng xuống, có thể chia kỹ thuật này theo các loại đang đƣợc nghiên cứu tại 3GPP: các luồng cố định và các luồng đặc thù ngƣời sử dụng.
Trong MU-MIMO luồng cố định, eNodeB sẽ phát nhiều luồng còn bộ lập biểu sẽ ấn định từng ngƣời sử dụng vào luồng thích hợp để đạt đƣợc hiệu năng tốt nhất. Phƣơng pháp này phù hợp cho trƣờng hợp tốc độ di động cao và có thể làm việc không cần các hoa tiêu dành riêng.. Ngoài ra hiệu năng của phƣơng pháp này có thể đƣợc cải thiện với sử dụng các phần tử anten gần nhau trong không gian với các búp hẹp hơn. Trong trƣờng hợp các luồng đặc thù ngƣời sử dụng, các luồng đƣợc tạo ra cho từng ngƣời sử dụng tùy theo CQI của từng ngƣời sử dụng.
Trong trƣờng hợp UE phản hồi CSI đến eNodeB, các luồng đặc thù ngƣời sử dụng sẽ cải thiện SINR nhiều hơn các luồng cố định. Điều quan trọng là kênh không đựơc thay đổi đáng kể trong khi đo CQI và phản hồi về eNodeB. Phƣơng pháp này phù hợp cho các kịch bản di động tốc độ thấp và trung bình. Các kỹ thuật MU- MIMO đƣợc phân loại thành các kỹ thuật bảng mã đơn nhất và bảng mã không đơn nhất.
MU-MIMO dựa trên bảng mã đơn nhất tạo búp từ một bảng mã đơn nhất tối ƣu. Tuy nhiên phƣơng pháp bảng mã không đơn nhất có hiệu năng tốt hơn MU- MIMO bảng mã đơn nhất vì kênh thực tế mã UE trải nghiệm không phù hợp hoàn toàn với từ mã đơn nhất. Điều này sẽ gây ra nhiễu giữa các ngƣời sử dụng và giảm hiệu năng. Trong trƣờng hợp MU-MIMO dựa trên bảng mã không đơn nhất các búp có thể hƣớng chính xác đến UE, nhƣng nếu sử dụng các luồng bảng mã không đơn nhất đặc thù ngƣời sử dụng thì cần có tín hiệu tham chuẩn đặc thù ngƣời sử dụng để ƣớc tính kênh.
Hình 2.11 trình bày mô hình MU-MIMO với tạo búp dựa trên bảng mã cho nhiều UE sử dụng cùng một tài nguyên thời gian-tần số.
40
Hình 2.11 MU-MIMO với tạo búp dựa trên bảng mã cho nhiều UE sử dụng cùng tài nguyên thời gian tần số.
2.3.3.2. MIMO đa ngƣời sử dụng (MU-MIMO) đƣờng lên
Trong R8, UE sử dụng một anten phát và nhiều anten thu. Vì thế SU- MIMO không thể sử dụng trên đƣờng lên nhƣng có thể sử dụng MU-MIMO đƣờng lên. Hỗ trợ nhiều anten phát tại UE chỉ đƣợc áp dụng cho LTE-Advanced. Khi kênh không gian giữa UE1 và eNodeB rất khác kênh không gian giữa UE2 và eNodeB, cả hai UE đều có thể sử dụng cùng một tài nguyên thời gian tần số. Hình 2.12 cho thấy thí dụ về MU-MIMO đƣờng lên cho UE1 và UE2. MU-MIMO có lợi khi có nhiều ngƣời sử dụng trong một đoạn ô (các ngƣời sử dụng VoIP) và số anten thu tại eNodeB lớn hơn hoặc bằng hai.
Hình 2.12 MU-MIMO đƣờng lên.
Để hỗ trợ MU-MIMO đƣờng lên, các tín hiệu tham chuẩn cho các UE đƣợc lập biểu phải khác nhau và phải có tƣơng quan chéo tốt. Nếu hai hay nhiều ngƣời sử dụng trong cùng một đoạn ô đƣợc ấn định cùng một tài nguyên tần số, các tín hiệu tham chuẩn cho chúng phải đƣợc rút ra từ cùng một chuỗi với ’dịch vòng’ trong
41
miền thời gian. Trong LTE, để eNodeB có thể phân biệt và giải điều chế các tín hiệu của cá UE đƣợc lập biểu cho truyền dẫn MU-MIMO, eNodeB cần ấn định các tín hiệu tham chuẩn cho các UE này. Hình 2.14 cho thấy cấu trúc khe nơi tín hiệu tham chuẩn đƣợc phát, trong đó ký hiệu OFDM thứ tƣ đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu tham chuẩn còn các ký hiệu khác dùng để truyền số liệu.
Hình 2.13 Ghép kênh số liệu và tín hiệu tham chuẩn trên đƣờng lên Nhiễu đối với tín hiệu của ngƣời sử dụng gồm hai phần: nhiễu nội ô do các ngƣời sử dụng khác tham gia vào UL MU-MIMO và nhiễu giữa các ô do các ngƣời sử dụng trong các đoạn ô khác. Vì các UE trong một đoạn ô hoạt động với các mức MCS khác nhau và đa đƣờng có thể tạo ra giá trị không cũng nhƣ đỉnh trên một truyền dẫn, nên nhiễu giữa các ô đối với các ngƣời sử dụng này từ góc độ các ô lân cận có thể không nhƣ nhau trong miền tần số. Một ngƣời sử dụng có thể chọn để đánh giá mẫu không gian của nhiễu giữa các ô trên một hay nhiều khối tài nguyên. Có nhiều giải thuật thu UL MIMO sử dụng cho LTE UL MIMO. Khi sử dụng MU- MIMO, hai UE phát trên các sóng mang con giống nhau tại cùng một thời điểm. Vì thế xảy ra nhiễu giữa hai UE này. Với máy thu MMSE tại BTS, có thể giảm đáng kể nhiễu giữa các UE.
Quyết định chọn hai hay nhiều UE hơn cho MU-MIMO có thể dựa trên các yếu tố khác nhau nhƣ: tƣơng quan không gian giữa các tín hiệu tham chuẩn, các tín hiệu thăm dò kênh, các ký hiệu số liệu đƣợc điều chế từ các UE khác nhau, v.v…Một trong số các giải thuật đơn giản nhất là sử dụng phƣơng pháp chọn cặp ngẫu nhiên, trong đó hai UE đựơc chọn một cách ngẫu nhiên để sử dụng các khối tài nguyên giống nhau.
42
Kết chƣơng:
Đƣờng xuống download OFDMA dựa trên kỹ thuật OFDM; đặc điểm OFDM là sử dụng các sóng mang con băng hẹp và các sóng mang con trực giao nhau, nguyên tắc thu phát tín hiệu dựa trên các biến đổi Fourier, giới thiệu các đặc điểm về ghép kênh, phân tập tần số, mã hóa kênh và đa truy cập.
OFDMA dùng đƣợc cho cả đƣờng xuống và lên nhƣng do PARP cao nên LTE dùng đƣờng lên upload SC-FDMA để tiết kiệm công suất cho thiết bị cầm tay, SC- FDMA khác OFDMA ở cách sắp xếp và truyền các sóng mang con.
MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt đƣợc các yêu cầu đầy tham vọng về thông lƣợng và hiệu quả trải phổ, trình bày kỹ thuật đa anten MIMO gồm SU- MIMO và MU-MIMO.
43
CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP THOẠI TRONG LTE
3.1 Giới thiệu chung về thoại trong LTE. [11] [12]
3.1.1. Giới thiệu
LTE (Long Term Evolution) là một kiến trúc toàn IP đƣợc thiết kế để cung cấp dịch vụ dữ liệu Internet di động tốc độ cao. LTE không tƣơng thích để kế thừa dịch vụ thoại trên nền chuyển mạch của mạng di động 2G/3G. Điều này trở thành một cản trở quan trọng đối với các nhà cung cấp dịch vụ vì nó ảnh hƣởng đến 2 dịch vụ thoại và tin nhắn SMS. Đây là 2 dịch vụ truyền thống chiếm tỷ trọng lớn trong