87
Các kết nối giữa PCRF và các nút khác được thể hiện như trong hình trên, mỗi PCRF có thể được kết nối với một hoặc nhiều AF, P-GW và S-GW. Chỉ có một PCRF liên kết với mỗi kết nối PDN đó là một UE duy nhất đã có.
2.2.2.8. Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)
Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) là kho dữ liệu thuê bao cho tất cả dữ liệu người dùng thường xuyên. Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức độ của nút điều khiển mạng tạm trú, chẳng hạn như MME. Nó là một máy chủ cơ sở dữ liệu và được duy trì tại các phịng trung tâm của nhà điều hành.
HSS lưu trữ bản gốc của hồ sơ th bao, trong đó chứa các thơng tin về cácdịch vụ được áp dụng đối với người sử dụng, bao gồm thông tin về các kết nối PDN được cho phép, và liệu có chuyển tới một mạng tạm trú riêng được hay không. HSS cũng lưu những nhận dạng của các P-GW được sử dụng. Khóa thường trực được sử dụng để tính tốn xác thực và được gửi tới mạng tạm trú để xác thực người dùng và các khóa phát sinh tiếp sau để mã hóa và bảo vệ tính tồn vẹn là được lưu trữ tại các trung tâm xác thực(AUC), thường là một phần của HSS. Trong tất cả các tín hiệu liên quan tới các chức năng này thì HSS phải tương tác với MME. Các HSS sẽ cần phải có khả năng kết nối với mọi MME trong toàn bộ hệ mạng lưới, nơi mà các UE của nó được phép di chuyển. Đối với mỗi UE, các hồ sơ HSS sẽ chỉ tới một MME phục vụ tại một thời điểm, và ngay sau đó là báo cáo về một MME mới mà nó phục vụ cho UE, HSS sẽ hủy bỏ vị trí của MME trước.
2.3. CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG MẠNG LTE 2.3.1. Kỹ thuật đa truy nhập cho hƣớng lên trong LTE 2.3.1. Kỹ thuật đa truy nhập cho hƣớng lên trong LTE
Việc truyền OFDMA phải chịu một tỷ lệ công suất đỉnh-đến-trung bình (PAPR) cao, điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE. đó là, khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ
88
khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng thu được. Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên hiệu quả công suất càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy. 3GPP đã tìm một phương án truyền dẫn khác cho hướng lên LTE. SC-FDMA được chọn bởi vì nó kết hợp các kỹ thuật với PAPR thấp của các hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang, như GSM và CDMA, với khả năng chống được đa đường và cấp phát tần số linh hoạt của OFDMA.
2.3.2. Kỹ thuật đa truy nhập cho hƣớng xuống OFDMA trong LTE
Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM khơng chỉ tạo nên lợi ích rõ ràng cho thực thi lớp vật lý, mà còn hợp nhất việc cải thiện hiệu năng lớp 2 nhờ việc đưa ra thêm một mức độ tự do. Nhờ việc sử dụng OFDM có thể khai thác miền thời gian, miền không gian, miền tần số và thậm chí cả miền mã để tối ưu hố việc sử dụng kênh vô tuyến. Chắc chắn rằng nó có ưu thế lớn với truyền dẫn trong mơi trường đa đường với việc làm giảm thiểu sự phức tạp của bộ thu.
Tín hiệu được chia thành các sóng mang nhỏ trực giao, trên mỗi sóng mang đó tín hiệu là “băng hẹp” (vài KHz) và vì vậy tránh được hiệu ứng đa đường, tạo nên một khoảng bảo vệ chèn vào giữa mỗi tín hiệu OFDM. OFDM cũng tạo nên một độ lợi về phân tập tần số, cải thiện hiệu năng của lớp vật lý. Nó cũng tương thích với những công nghệ mở rộng nâng cao khác, như là các anten thông minh và MIMO.
Điều chế OFDM cũng có thể tận dụng như là một cơng nghệ đa truy nhập (đa truy nhập phân chia tần số trực giao, OFDMA). Trong trường hợp này mỗi tín hiệu OFDM có th ểtruyền thơng tin tới một vài thuê bao sử dụng một bộ các sóng mang nhỏ khác nhau (subcarrier, subchannel). Điều này không chỉ cung cấp thêm độ linh hoạt cho việc cấp nguồn tài nguyên (tăng dung lượng), mà cịn có thể tối ưu hoá các lớp chéo của việc sử dụng link vô tuyến. Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm – SDR.
89
Lợi ích của vơ tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR mang lại hiệu suất xử lý cao để phát triển các trạm gốc và thiết bị đầu cuối đa băng, đa chuẩn. Mặc dù trong tương lai các đầu cuối sẽ thích ứng với giao diện vơ tuyến để sẵn sàng cho công nghệ truy nhập vô tuyến, ở thời điểm hiện nay điều này đã được thực hiện nhờ có cơ sở hạ tầng. SDR mang lại nhiều lợi ích cho một số cơ sở hạ tầng. Ví dụ để tăng dung lượng mạng tại thời điểm nhất định, nhà khai thác sẽ cấu hình lại mạng của họ nhờ việc lắp thêm vào trạm gốc vài thiết bị modem. SDR khiến cho việc cấu hình lại này rất dễ dàng. Trong bối cảnh các hệ thống 4G, SDR sẽ tạo điều kiện dễ dàng cho một tập hợp rất nhiều các picocell và microcell đa chuẩn. Đối với nhà sản xuất, việc này có thể là một sự hỗ trợ lớn trong việc cung cấp các thiết bị đa chuẩn, đa băng và giảm đi những nỗ lực phát triển và hạ giá thành thông qua việc xử lý đa kênh một cách đồng thời.
Cụ thể về kỹ thuật OFDMA ta sẽ tiếp tục tìm hiểu trong chương 3.
2.3.3. Kỹ thuật MIMO
MIMO sử dụng ghép kênh tín hiệu giữa rất nhiều các anten phát (đa thành phần không gian) trên miền thời gian hoặc miền tần số. Điều này rất phù hợp với OFDM, bởi vì có thể xử lý các tín hiệu thời gian độc lập ngay khi dạng sóng OFDM được thiết lập chính xác cho kênh. Đặc điểm này của OFDM giúp cho công đoạn xử lý được đơn giản hố đi rất nhiều. Tín hiệu phát đi bởi manten được nanten thu lại. Việc xử lý các tín hiệu thu được có thểmang lại một vài cải thiện hiệu năng: phạm vi, chất lượng của tín hiệu thu và hiệu suất phổ. Triển khai hiệu năng trong mạng tế bào vẫn đang còn là đối tượng cho nhiều nghiên cứu và mô phỏng. Tuy nhiên, nói chung có thể thừa nhận rằng những gì nhận được từ việc sửdụng hiệu quả phổ liên quan trực tiếp tới số lượng anten cực tiểu trong tuyến kết nối.
90
CHƢƠNG III: KỸ THUẬT OFDMA TRONG LTE
Chương này trình bày nền tảng kỹ thuật điều chế và giải điều chế thông tin số, nghiên cứu vấn đề trực giao, và kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA, áp dụng OFDMA cho hướng xuống trong kỹ thuật LTE.
3.1. NỀN TẢNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO TRỰC GIAO
3.1.1. Điều chế tín hiệu và các phƣơng pháp điều chế
3.1.1.1. Điều chế tín hiệu
Điều chế tín hiệu là q trình biến đổi một hay nhiều thơng số của một tín hiệu tuần hồn theo sự thay đổi một tín hiệu mang thơng tin cần truyền đi xa. Tín hiệu tuần hồn gọi là sóng mang. Tín hiệu mang thơng tin gọi là tín hiệu được điều chế. Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thơng số đó của sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thơng tin ban đầu. Các thơng số của sóng mang được dùng trong q trình điều chế có thể là biên độ, pha, tần số.
Năng lượng của một hạt photon có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Như vậy, bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ hay nói cách khác, năng lượng của một hạt photon tỷ lệ thuận với tần số dao động.
Trong truyền dẫn thông tin vô tuyến, năng lượng của sóng có vai trị quan trọng trong khoảng cách truyền sóng, vì thề ta tìm cách điều chế để đưa tín hiệu cần truyền có tần số thấp vào sóng mang có tần số cao. Tuy nhiên sóng tần số càng cao đồng nghĩa với yều cầu phải tính tốn đến khả năng suy hao sóng điện từ trong không gian càng kỹ lưỡng. Vậy để đảm bảo truyền được tín hiệu đi xa, ta phải xem xét
91
phương pháp điều chế và bước sóng mang được sử dụng phù hợp. Ta có thể phân loại sóng vơ tuyến với các đặc điểm về bước sóng và tần số như sau:
Bảng 3.1. Phân loại sóng vơ tuyến
- Sóng dài: có năng lượng nhỏ nên khơng truyền đi xa được. Ít bị nước hấp thụ nên được dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất và trong nước.
- Sóng trung: Ban ngày sóng trung bị tần điện li hấp thụ mạnh nên không truyền đi xa được. (Tầng điện li là tầng tầng khí quyển ở độ cao từ 80 km – 800 km có chứa nhiều hạt mang điện tích là các electron, ion dương và ion âm) Ban đêm bị tần điện li phản xạ mạnh nên truyền đi xa được. Được dùng trong thơng tin liên lạc vào ban đêm.
- Sóng ngắn: Có năng lượng lớn, bị tần điện li và mặt đất phản xạ mạnh. Vì vậy từ một đài phát trên mặt đất thì sóng ngắn có thể truyền tới mọi nơi trên mặt đất. Dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất.
- Sóng cực ngắn: Có năng lượng rất lớn và khơng bị tần điện li phản xạ hay hấp thụ. Được dùng trong thơn tin vũ trụ.
Phương pháp điều chế tín hiệu về gơm có điều chế tần số , điều chế biên độ, ngồi ra cịn nhiều phương pháp điều chế khác, như điều chế pha, điều chế mạch xung, điều chế biên mã, điều chế đơn biên... Trong đó cơ bản nhất là hai phương pháp điều chế:
- Điều chế biên độ: điều chế biên độ của sóng mang theo tín hiệu cần truyền mà tần số sóng mang vẫn giữ nguyên.
92
- Điều chế tần số: Điều chế tần số hay được gọi là điều tần – Frequency Modulation (FM) là một phương thức điều chế mà tần số của sóng mang sẽ bị thay đổi phụ thuộc vào biên độ của thông tin nguồn.
Về phạm vi băng sóng điều tần có những tiêu chuẩn khác nhau: Tiêu chuẩn OIRT (tổ chức quốc tế về truyền thanh và truyền hình) có dải sóng từ 65,8 MHz đến 73 MHz. Tiêu chuẩn CCIR (hội đồng tư vấn quốc tế về vơ tuyến điện) có giải tần 87,5 MHz đến 104 MHz. Mỹ và Nhật lại dùng dải rộng hơn là từ 87,5 MHz đến 108 MHz. Người ta đã biết phương pháp điều tần từ lâu, nhưng ít chú ý, vì cho rằng khơng có ưu điểm gì nổi bật so với điều biên. Khoảng năm 1940 thì mới dùng rộng rãi kỹ thuật điều tần, vì phát hiện thấy ưu điểm chống can nhiễu của nó. Hiện nay kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong phát thanh, hệ thống vô tuyến hai chiều (hữu tuyến), hệ thống ghi băng từ và hệ thống truyền dẫn video. Trong hệ thống vô tuyến, điều tần với băng thông đủ cung cấp một lợi thế trong việc triệt tạp âm tự nhiên. Ma-níp dịch tần (FM số) được sử dụng rộng rãi trong các modem dữ liệu và fax.
3.1.1.2. Điều tần
Điều chế Tần số được sử dụng ngày càng rộng rãi hơn bởi tính ổn định của nó và đồng thời cũng có thể mang được thông tin nhiều hơn. Như đã đề cập ở mục trên, điều chế tần số được áp dụng trong kỹ thuật vô tuyến điện và kỹ thuật xử lý tín hiệu. Ở phương pháp điều chế tàn số ta truyền thơng tin trên một sóng mang cao tần, tần số tín hiệu sau điều chế thay đối theo tín hiệu cần truyền, trong khi biên độ của sóng mang cao tần không thay đổi.
Giả sử tín hiệu dữ liệu băng gốc (bản tin) cần được truyền là xm(t), và sóng mang cao tần hình sin xc(t) = Accos (2πfct) Bộ điều chế kết hợp sóng mang với tín hiệu băng gốc để có được tín hiệu truyền là:
93 y(t) = AC cos ( 2π 𝑓(τ)𝑑τ0𝑡 )
= AC cos ( 2π [𝑓0𝑡 𝑐 + 𝑓𝛥 𝑥𝑚 τ ]𝑑τ ) = AC cos ( 2πfct + 2π𝑓𝛥 𝑥0𝑡 𝑚 τ 𝑑τ )
Trong đó:
fc: Tần số sóng mang cao tần.
Ac: Biên độ song mang cao tần.
f(t): là tần số tức thời của bộ tạo dao động.
fΔ: độ lệch tần số đặc trưng cho độ lệch cực đại so với fc trên một hướng, giả sử xm(t) có giới hạn trong khoảng (-1, +1).
3.1.1.3. Điều biên
Điều chế biên độ hay còn gọi là điều biên là một kỹ thuật được sử dụng trong điện tử viễn thông, phổ biến nhất là dùng để truyền thơng tin qua một sóng mang vơ tuyến. Kỹ thuật này là thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo biên độ của tín hiệu thơng tin cần gửi đi, hay nói cách khác là điều chế sóng mang bằng biên độ theo tín hiệu mang tin. Ví dụ, thay đổi cường độ tín hiệu có thể được dùng để phản ánh các âm thanh được tái tạo lại bởi một người nói, hoặc để xác định độ chói của các điểm ảnh truyền hình. (Trái ngược với điều biên là điều tần, cũng thường được sử dụng để truyền âm thanh, trong đó tần số truyền được thay đổi; và điều pha thường được sử dụng trong điều khiển từ xa, trong đó pha của tín hiệu sóng mang được thay đổi). Vào giữa những năm 1870, một dạng điều biên-ban đầu được gọi là "những dòng gợn" là phương pháp đầu tiên thành công tạo âm thanh chất lượng tốt qua các đường dây điện thoại. Bắt đầu với các thuyết minh âm thanh của Reginald Fessenden vào năm 1906, nó cũng là phương pháp đầu tiên được sử dụng cho đài phát thanh, và ngày nay vẫn được sử dụng
94
cho nhiều hình thức viễn thơng-"AM" thường được dùng để chỉ dải sóng quảng bá là dải sóng trung.
3.1.2. Các phƣơng pháp điều chế đơn sóng mang, đa sóng mang
3.1.2.1. Phương pháp điều chế đơn sóng mang
Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dịng tín hiệu được truyền đi trên tồn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mỗi tín hiệu có độ dài là: TSC= 1/B.
Ký hiệu Tsc là độ dài của một mẫu tín hiệu với đơn vị là giây (s) cịn B là bề rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là hertz (Hz). Phổ tín hiệu của hệ thống điều chế đơn tần được mơ tả như ở hình 3.3, trong đó tồn bộ hệ thống được điều chế trên sóng mang là f0. Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Tốc độ lấy mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu kỳ lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ. Do vậy, phương pháp điều chế đơn sóng mang có các nhược điểm cơ bản sau:
- Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn. Điều này được giả thích như sau: Giả thiết trễ truyền dẫn lớn nhất của kên là τmax. , tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh và độ dài mẫu tín hiệu TSC là: RSC = τmax
TSC