2.2.1 Giải pháp đa anten (MIMO)
Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced. Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng ở đường 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 cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã). Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced. Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced. Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần.
Hình 2.4 MIMO với 8 cặp thu-phát đường xuống và 4 cặp thu phát đường lên trong LTE-A
MIMO cho phép các trạm thu phát và các thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu bằng nhiều ăng-ten. LTE có hỗ trợ phần nào MIMO nhưng chỉ cho chiều tải xuống. Ngoài ra chuẩn này còn giới hạn số lượng ăng-ten ở mức tối đa là bốn bộ phát ở phía trạm thu phát và bốn bộ thu ở thiết bị di động. LTE-Advanced thì cho phép tối đa tám cặp thu phát ở chiều tải xuống và bốn cặp ở chiều tải lên.
MIMO thực hiện hai chức năng:
Ở môi trường không dây khả năng xẩy ra can nhiễu cao như tại rìa các cell hoặc trong một ô tô đang di chuyển, các bộ phát và thu sẽ phối hợp với nhau để tập trung tín hiệu vô tuyến vào một hướng cụ thể. Chức năng tạo búp sóng (beamforming) này giúp cho tín hiệu thu được mạnh lên mà không cần phải tăng công suất phát.
Khi cường độ tín hiệu mong muốn mạnh còn tín hiệu nhiễu yếu, như khi người dùng đứng yên và ở gần trạm phát thì MIMO có thể được dùng để làm tăng tốc độ dữ liệu hay tăng số lượng người dùng mà không phải dù ng thêm phổ tần số. Kỹ thuật này có tên là “ghép kênh không gian” (spatial multiplexing) giúp nhiều luồng dữ liệu được truyền đi cùng lúc, trên cùng tần số sóng mang. Ví dụ, một trạm thu phát với tám bộ phát có thể truyền đồng thời tám luồng tín hiệu tới một máy điện thoại có tám bộ thu. Do mỗi luồng dữ liệu tới mỗi bộ thu có hướng, cường độ và thời gian hơi khác nhau một chút nên các thuật toán xử lý trong máy có thể kết hợp chúng với nhau và dựa vào những khác biệt này để tìm ra các luồng dữ liệu gốc. Thông thường thì ghép kênh theo không gian có thể làm tăng tốc độ dữ liệu tỷ lệ thuận với số că ̣p ăng-ten thu phát. Do vâ ̣y, trong trường hợp khả quan nhất, tám că ̣p thu phát có thể tăng tốc đô ̣ dữ liê ̣u lên khoảng tám lần.
2.2.2 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 dữ liệu với nhiều trạm thu phát. Kỹ thuật này sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu và tăng tốc độ dữ liệu tại rìa cell, nơi mà có thể khó có được một kết nối tốt. Ví dụ như hai trạm thu phát liền kề có thể cùng lúc gửi dữ liệu giống nhau tới một thiết bị do đó tăng khả năng nhận được tín hiệu tốt của thiết bị đó. Tương tự như vậy, một
thiết bị cũng có thể cùng một lúc tải dữ liệu lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò như một mảng ăng-ten 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 khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt từ một trạm thu phát lớn hơn.
Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối. Định dạng chùm là một cách. Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí. Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ở một nút đơn được mô tả ở Hình 2.5. Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn. Phụ thuộc vào quy mô mở rộng.
Hình 2.5 Truyền dẫn đa điểm phối hợp
2.2.3 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp (Relaying)
Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng tốc độ số liệu. Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự thu được. Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không. Những bộ
lặp như vậy không hiển thị đối với cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc. Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực. Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặp được bật lên. Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động.
Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ. Đây thường được xem là chuyển tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp. Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms. Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các nhiễu và sự thích nghi tốc độ có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối.
Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới) nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự chuyển tiếp (self backhauling).
Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại nhiễu), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng.
Hình 2.6 Chuyển tiếp trong LTE-A
2.2.4 Kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào eICIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination) (enhanced Inter-Cell Interference Coordination)
Kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào được sử dụng trong hệ thống được gọi là mạng phức hợp (Heterogeneous network) giúp giải quyết hiện tượng nghẽn mạng. Trong mạng này, các trạm thu phát công suất thấp sẽ tạo ra các cell nhỏ (small cell) nằm chồng lên mạng lưới các cell lớn (macro cell) do các trạm thu phát thông thường có công suất lớn tạo ra. Các trạm thu phát nhỏ với nhiều mức kích cỡ (còn được gọi bằng các tên metro-, micro-, pico-, hay femtocell) để tăng mức tải dữ liệu trong các vùng nóng (hots pot) như vùng đô thị đông đúc. Những bộ thu phát này có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, không cồng kềnh và lắp đặt thì dễ dàng hơn. Nhưng khi các nhà mạng đặt ngày càng nhiều trạm thu phát vào cùng một khu vực, họ sẽ phải tìm cách để giảm thiểu can nhiễu khó tránh khỏi giữa chúng.
Giao thức eICIC của LTE-A được xây dựng dựa trên kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào ICIC (Inter-Cell Interference Coordination) của LTE vốn để giúp giảm can nhiễu giữa hai cell lớn (macro cell) trong mạng đồng nhất (Homogeneous network).
Hình 2.7 Mạng đồng nhất và mạng phức hợp
Sử dụng eICIC, một trạm thu phát có thể giảm công suất phát ở những tần số và khoảng thời gian cụ thể trong khi một trạm kế bên sử dụng những tài nguyên đó để liên lạc với các máy đang ở rìa vùng phủ sóng của nó. Tuy nhiên phương pháp chia sẻ phổ này chỉ có tác dụng với các luồng dữ liệu. Để liên lạc được với một thiết bị di động và giúp nó hiểu được luồng dữ liệu thì trạm phát phải truyền đi các tín hiệu điều khiển trong đó có chứa các thông tin về quản lý như lịch trình hoạt động, các yêu cầu phát lại, và các chỉ dẫn để giải mã. Do thiết bị di động chờ các thông điệp này tới trên các tần số và thời điểm cụ thể nên mô ̣t trạm phát không thể thoải mái cho các trạm bên cạnh dùng những tài nguyên đó mỗi khi chúng cần. LTE giải quyết vấn đề này bằng cách phát các tín hiệu điều khiển có thể chịu được lượng can nhiễu tương đối cao.
Tuy vậy, sự xuất hiện của các cell nhỏ lại làm cho mọi việc phức tạp hơn. Ví dụ khi một số thiết bị di động muốn thiết lập kết nối tới một cell nhỏ đang nằm trong một cell lớn, thì các tín hiệu điều khiển từ cell lớn có thể lấn át những tín hiệu này từ cell nhỏ. Giao thức eICIC xử lý tình huống này theo một trong hai cách sau.
Nếu hệ thống mạng có sử dụng kỹ thuâ ̣t cộng gộp sóng mang để ghép hai hay nhiều kênh tần số thì cell lớn và cell nhỏ sẽ chỉ việc sử dụng các kênh tách biệt để gửi các tín hiệu điều khiển, kỹ thuật này còn được gọi là lập lịch chéo sóng mang CCS (cross-carrier scheduling). Lập lịch chéo sóng mang sử dụng kênh điều khiển vật lý đường xuống PDCCH (Physical Downlink Control Channel) của một trong các sóng mang thành phần trong cell lớn và cell nhỏ mang tín hiệu điều khiển đường xống DCI (Downlink Control Information) để sắp xếp người dùng trên kênh chia sẻ vật lý đường xống PDSCH_kênh mang dữ liệu (Physical Downlink Shared Channel). PDCCH có thể được truyền đi với công suất cao hơn so với các kênh lưu lượng. Do đó, sử dụng các sóng mang khác nhau cho PDCCH trong các cell lớn và cell nhỏ làm giảm nguy cơ can nhiễu PDCCH.
Trong hình dưới đây, là một ví dụ điển hình đối với kết hợp sóng mang với lập lịch chéo sóng mang 2 thành phần sóng mang được dùng, cả hai có độ rộng 6 khối tài nguyên vật lý PRB (Physical Resource Block). Sóng mang thành phần mầu xanh blue từ macro-eBN được dùng như sóng mang thành phần chính PCC (Primary Component Carrier), sóng mang thành phần màu xanh green được dùng như sóng mang thành phần thứ hai SCC (Primary Component Carrier). Sóng mang thành phần chính PCC với kênh điều khiển vật lý đường xuống có công suất phát cao hơn sóng mang thành phần thứ 2 SCC do đó cell phục vụ chính lớn hơn cell phuc vụ thứ 2. Trạm cơ sở BS trong small cell dùng sóng mang màu xanh green như là sóng mang thành phần chính PCC còn sóng mang màu xanh blue như sóng mang thành phần thứ 2 SCC, cả 2 được phát với cùng công suất nhưng sự mở rộng cell CRE được dùng cho sóng mang thành phần chính màu xanh green PCC. Khu vực màu đỏ được chỉ định dùng cho kênh điều khiển vật lý đường xuống PDCCH mang thông tin điều khiển đường xuống DCI.
Hình 2.9 Lập lịch chéo sóng mang trong EICIC
Đối với các mạng chỉ sử dụng một kênh tần số, eICIC có một giải pháp khác. Đó là việc cell lớn và cell nhỏ sử dụng cùng tần số nhưng trong các khoảng thời gian khác nhau bằng cách sử dụng khung con gần như trống ABS (Almost Blank Subframe). Khung con gần như trống là khung con không mang dữ liệu. Trong cell lớn và cell nhỏ, đặc biệt người dùng vùng biên cell nhỏ có thể dùng chung tần số mà không gây can nhiễu lẫn nhau bằng cách sử dụng khung ABS trong khoảng thời gian khác nhau để truyền cả tín hiệu điều khiển và dữ liệu.
Hình 2.10 Sử dụng ABS trong eICIC
Việc cộng gộp sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của LTE-A phiên bản 10 để tăng tổng băng thông có sẵn cho một thiết bị di động và do đó đạt được tốc độ bit tối đa. Mỗi sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần CC (Component Carrier), sóng mang thành phần có thể có băng thông 1,4; 3; 5; 10; 15 MHz hoặc 20 MHz. Trong LTE, thông thường chỉ có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền kề có độ rộng tối đa là 20 MHz. Còn trong LTE- A, công nghệ cộng gộp sóng mang cho phép kết hợp những kênh nhỏ hay còn gọi là sóng mang trên các băng tần khác nhau, tách biệt thành “một kênh cực lớn”, do đó về cơ bản có thể tăng tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi khách hàng lên nhiều lần. Chuẩn LTE-Advanced cho phép nhà mạng kết hợp tối đa năm sóng mang với băng thông 20 MHz thành một kênh có băng thông 100 MHz cao gấp năm lần băng thông của LTE thông thường.
Hình 2.11 Cộng gộp sóng mang trong LTE-A
2.2 Cấp phát băng tần cho LTE-A
Theo thông tin từ Cục Tần số vô tuyến điện, Bộ Thông tin và Truyền thông, thực hiện kết quả Hội nghị Thông tin Vô tuyến thế giới 2015 (WRC-15) được tổ chức tại Geneva (Thụy Sĩ) vào tháng 11/2015, Việt Nam sẽ có thêm 493 MHz phổ tần số cho thông tin di động tại các băng tần số mà WRC-15 đã bổ sung thêm là 694 - 806 MHz, 1.427 – 1.518 MHz, 3.300 - 3.400 MHz và 4.800 - 4.990 MHz.
Cụ thể:
Băng tần (694/698 – 806) MHz
Đây là băng tần hiện được nhiều quốc gia sử dụng cho truyền hình tương tự mặt đất và dự kiến sẽ được sử du ̣ng cho IMT (Information Mobile Telecommunication) sau khi hoàn thành lộ trình số hóa truyền hình tương tự mă ̣t đất. Hiện tại, Hoa Kỳ đã triển khai cung cấp dịch vụ 4G trên băng tần này. Tại WRC-07 có 09 quốc gia thuộc khu vực 3 của Liên minh Viễn thông quốc tế - ITU (Việt Nam thuộc khu vực này) quy hoạch sử dụng băng tần (698 - 790) MHz cho IMT. Tại WRC- 15, Việt Nam cùng với một số quốc gia khác thuộc khu vực 3 đã có đề xuất tham gia vào danh sách các nước ủng hộ phân bổ băng tần (698 - 790) MHz cho IMT, nâng số lượng sử dụng băng tần này cho IMT là 26 nước; cùng với đó, các quốc gia thuộc khu vực 1 (các nước châu Âu) cũng đã đạt được đồng thuận phân bổ băng tần (694 - 790) MHz cho IMT. Như vâ ̣y, băng tần (790 - 806) MHz được quy hoạch sử dụng cho IMT tại cả ba khu vực. Sự đồng thuận cao về sử dụng băng tần (694/698 - 806) MHz cho IMT được coi là thành công lớn của WRC-15, bước đầu tiến tới sự hài hòa quy hoạch băng tần này trong khu vực và quốc tế.
Hình 2.12 Quy hoạch truyền hình số VHF/UHF
Băng tần (1.427 - 1.518) MHz
Băng tần này trước đây được sử dụng cho hệ thống vi ba mặt đất. Tuy nhiên, đây là băng tần thấp và phù hợp cho triển khai cung cấp dịch vụ thông tin di động, nên đã được ITU nghiên cứu để sử dụng cho IMT. Sau nhiều năm nghiên cứu, tại WRC-15 các nước thành viên ITU đã nhất trí quy hoạch băng tần (1.427-1.518) MHz cho IMT trên toàn cầu.
Băng tần (3.300 - 3.400) MHz