1. Nội dung thiết kế tốt nghiệ p:
2.25 Ghép kênh thời gian tần số OFDMA
Máy phát của một hệ thống OFDMA sử dụng khối IFFT để tạo ra tín hiệu. Dữ liệu nguồn được cung cấp tới bộ chuyển đổi nối tiếp-song song và sau đó tiếp tục vào khối IFFT. Sau khối này là các tiền tố vịng mở rộng, mục đích thêm là để tránh nhiễu liên ký tự. Công việc quan trọng bên thu là cân bằng miền tần số bằng cách tác động trở lại các sóng mang con. Bộ cân bằng miền tần số OFDMA chỉ đơn giản là nhân mỗi sóng mang con dựa trên đáp ứng tần số kênh đã được tính (hay điều chỉnh biên độ và pha của mỗi sóng mang con) của kênh. Hình 2.26 thể hiện điều trên.
2.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA
Việc truyền OFDMA phải chịu một tỉ lệ cơng suất đỉnh tới trung bình (PAPR) cao, điều này dẫn tới hiệu quả xấu trong việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE. Khi truyền dữ liệu từ UE tới mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến một mức đủ cao để mạng thu được. Bộ khuếch đại công suất là phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong thiết bị vì thế mà hiệu quả cơng suất càng cao, càng tốt thì tuổi thọ pin càng dài. SC-FDMA được chọn vì nó kết hợp các kỹ thuật với PAPR thấp của các hệ thống đơn sóng mang như GSM, với khả năng chống được đa đường và cấp phát tần số linh hoạt của OFDMA.
2.3.3.1 Kỹ thuật SC-FDMA
Đường lên sử dụng kỹ thuật truy nhập SC-FDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang) cho cả hai chế độ vận hành FDD và TDD kết hợp với tiền tố vịng. Các tín hiệu SC-FDMA có đặc tính PAPR tốt hơn tín hiệu OFDMA. Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu SC-FDMA có những nét tương đồng với xử lý tín hiệu OFDMA nên các tham số của đường xuống và đường lên có thể được cân đối. Cách để tạo ra tín hiệu SC-FDMA sử dụng trong E-UTRAN là DFT trải OFDM. Nguyên tắc được minh họa bởi hình dưới đây.
Sự xử lý DFT là sự khác biệt cơ bản giữa việc tạo tín hiệu SC-FDMA và OFDMA. Trong SC-FDMA, mỗi sóng mang con được sử dụng trong việc truyền dẫn thơng tin. Cịn trong OFDMA, mỗi sóng mang con chỉ mang thơng tin liên quan tới các ký hiệu điều chế cụ thể.
Cấu trúc đường lên cũng tương tự như đường xuống, cũng có hai loại cấu trúc khung. Trong cấu trúc khung loại 1, một khung vơ tuyến cũng có 20 khe chia làm 10 khung con, độ dài mỗi khe là 0.5ms. Trong cấu trúc khung loại 2 bao gồm mười khung con nhưng một hoặc 2 khung con đó là khung đặc biệt như đường lên. Mỗi khe mang 7 ký hiệu SC-FDMA trong trường hợp cấu hình tiền tố vịng thơng thường, và 6 ký hiệu trong cấu hình tiền tố vòng mở rộng. Ký hiệu SC-FDMA số 3 (ký hiệu thứ 4 trong một khe) mang tín hiệu chuẩn cho việc giải điều chế kênh.
Trong đường lên, dữ liệu cấp phát trong bội số của một khối tài nguyên. Tuy nhiên không phải tất cả đều được phép để tham gia vào việc thiết kế DFT trong q trình xử lý tín hiệu đường lên mà chỉ có các chỉ số 2,3 và 5 là được phép. Khác với đường xuống, ở đường lên các UE được gán các khối tài nguyên liên tiếp. Khoảng thời gian truyền dẫn hướng lên là 1ms, dữ liệu người dùng được mang trên kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH). Bằng cách sử dụng nhảy tâng trên PUSCH, các tác dụng của sự phân tập tần số có thể được khai thác và nhiễu có thể được lấy trung bình. Sơ đồ phát tín hiệu hướng lên được thể hiện ở hình 2.28.
Như trong OFDMA, một tiền tố vòng được đưa vào theo định kỳ nhưng ở SC- FDMA thì tiền tố vịng này có tốc độ ký hiệu là nhanh hơn trong miền thời gian so với OFDMA để việc truyền dữ liệu có thể ngăn ngừa được nhiễu liên ký tự và để đơn giản hóa việc thiết kế máy thu. Máy thu vẫn phải đối phó với nhiễu liên ký tự giữa các tiền tố vịng. Do đó máy thu sẽ chạy bộ cân bằng cho một khối các ký hiệu đến khi đạt được tiền tố vòng mà ngăn chặn sự lan truyền nhiễu liên ký tự sau đó. Cơng nghệ LTE hỗ trợ nhảy tầng bên trong và liên khung con. Nó được cấu hình trên mỗi ơ bởi các lớp cao hơn cho cả hai trường hợp nhảy tầng trên.
2.3.3.2 So sánh OFDMA và SC-FDMA
Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR tốt hơn tín hiệu OFDMA giúp mang lại hiệu quả trong thiết kế các bộ khuếch đại công suất UE. Trong OFDMA, các máy phát sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin song song. Còn trong SC-FDMA, các ký hiệu này được phát đi lần lượt. Vì thế, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát và đây chính là ngun nhân dẫn tới việc sự chênh lệch PAPR ở hai kỹ thuật. Hình 2.29 cho thấy sự khác nhau trong q trình truyền các tín hiệu số liệu theo thời gian.
Trên hình ta coi mỗi người sử dụng được phân thành 4 sóng mang con (P=4) với băng thông con bằng 15KHz. Trong đó mỗi ký hiệu OFDMA hoặc SC-FDMA truyền 4 ký hiệu số liệu được điều chế QPSK cho mỗi người sử dụng. Đối với OFDMA 4 ký hiệu số liệu này được truyền đồng thời với băng tần con cho mỗi ký hiệu là 15KHz trong mỗi khoảng thời gian hiệu dụng TFFT của một lý hiệu OFDMA. Còn trong SC-FDMA, 4 ký hiệu này được truyền lần lượt trong khoảng thời gian bằng 1/P thời gian hiệu dụng ký hiệu SC-FDMA với băng tần con bằng P×15KHz cho mỗi ký hiệu. Trong OFDMA, biến đổi Furie nhanh FFT dùng ở bên thu cho mỗi ký tự đảo, và đảo FFT ở bên phát. Còn ở SC-FDMA sử dụng cả hai thuật toán này ở cả bên phát và bên thu như trên hình 2.26.
2.3.4 Kỹ thuật đa anten MIMO
Cơng nghệ LTE sử dụng kỹ thuật đa anten MIMO để tăng vùng phủ sóng và khả năng của lớp vật lý, giúp hệ thống vơ tuyến cải thiện hiệu suất. Có ba loại chính của kỹ thuật đa anten:
Sử dụng trực tiếp sự phân tập đường dẫn trong đó một sự bức xạ đường dẫn
có thể bị mất mát do fading.
Sử dụng kỹ thuật hướng búp sóng (beamforming) bằng cách điều khiển mối
tương quan pha của các tín hiệu điện phát ra vào anten với năng lượng truyền theo tự nhiên.
Sử dụng sự phân tách không gian thông qua việc sử dụng ghép kênh theo
không gian và sự tạo chùm tia, gọi là kỹ thuật đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO).
Có 4 cách được sử dụng trong kỹ thuật đa anten là:
Đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO): cấu trúc đơn giản nhất với một anten phát
và thu, là cơ sở cho các cấu trúc anten sau.
Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO): cấu trúc sử dụng một anten phát và hai hay
Đa đầu vào đa đầu ra (MIMO): sử dụng hay nhiều máy phát với hai hay
nhiều máy thu, là phương thức truyền cao cấp sử dụng trong công nghệ LTE.
Kỹ thuật đa anten MIMO là một trong những nguyên nhân chính mang lại sức mạnh cho công nghệ LTE. MIMO làm tăng công suất phổ bằng cách phát nhiều luồng dữ liệu cùng một lúc trong cùng một tần số và thời gian. Trong MIMO có nhiều máy thu và nhiều máy phát nhưng không được nhầm lẫn giữa số lượng luồng phát và số anten phát. Hình 2.30 miêu tả MIMO 2x2.
Hình 2.30 MIMO 2x2
Trong MIMO, việc truyền từ mỗi anten phải được nhận dạng duy nhất để mỗi máy thu có thể xác định được cái gì kết hợp trong việc truyền mà nó nhận được. Việc nhận dạng này được thực hiện với các tín hiệu chỉ đạo bằng cách sử dụng các mẫu trực giao cho mỗi anten. Sự phân tập không gian kênh vô tuyến là nguyên nhân giúp kỹ thuật MIMO tăng tốc độ dữ liệu truyền. Hình thức cơ bản nhất của MIMO là gán một dòng dữ liệu cho mỗi anten và được ánh xạ trực tiếp. Dạng tiên tiến hơn của MIMO bao gồm tiền mã hóa đặc biệt để phù hợp với việc truyền dẫn ở chế độ đặc biệt của kênh. Với kỹ thuật này làm hiệu quả máy phát phải có sự hiểu biết về điều kiện kênh truyền. Trong trường hợp FDD các điều kiện này phải được cung cấp trong thời gian thực bởi thông tin phản hồi từ UE. Như vậy, nó làm phức tạp việc tối ưu hóa nhưng lại giúp hệ thống cung cấp hiệu suất cao hơn. Trong trường hợp TDD, tiền mã hóa khơng u cầu nhận phản hồi như trong FDD. Những điều kiện lý tưởng cho việc truyền phát MIMO là không thể được trong không gian tự
trường trong nhà. Trong kỹ thuật đa anten có những khái niệm như từ mã (CW0, CW1) để biểu diễn dữ liệu người dùng trước khi nó được định dạng để truyền; lớp là thuật ngữ tương ứng với luồng; tiền mã hóa để chỉnh sửa các tín hiệu lớp trước khi truyền, có thể thực hiện với sự phân tập, tạo chùm tia và ghép kênh.
2.3.4.1 Chế độ truyền dẫn đa anten hướng xuống
Có 7 chế độ truyền dẫn đa anten cho hướng xuống trong công nghệ LTE để tối ưu hiệu suất dưới các điều kiện vơ tuyến khác nhau. Đó là:
Cổng đơn anten hay 0-MIMO: sử dụng một máy phát, UE phải có ít nhất 2
máy thu. Nó được thực hiện bằng cách sử dụng tỉ lệ tối đa việc kết hợp các luồng nhận được để cải thiện SNR trong điều kiện kém.
Phân tạp phát (MISO): công nghệ LTE hỗ trợ 2 hoặc 4 anten cho phân tạp
phát. Chế độ này không làm tăng tốc độ dữ liệu, các từ mà CW0 và CW1 giống nhau.
Ghép kênh khơng gian vịng mở, khơng có tiền mã hóa: được hỗ trợ cho cấu
hình 2 hoặc 4 anten. Các cấu hình phổ biến là 2x2 hoặc 4x2 SU-MIMO. Dữ liệu được chia làm hai từ mã là các luồng CW0 và CW1.
Ghép kênh khơng gian vịng đóng, có tiền mã hóa: MIMO vịng kín u cầu
tiền mã hóa của các luồng dữ liệu. Tùy thuộc vào từ mã sử dụng, mỗi từ mã biểu diễn cho các pha và công suất khác nhau trên các anten. Trong FDD, các máy phát phải có kiến về kênh truyền như CQI, chỉ số ma trận tiền mã hóa (PMI) và chỉ số bậc (RI).
MIMO đa-người sử dụng MIMO, UE tách biệt: gọi là MU-MIMO trường
hợp đặc biệt của chế độ 3.
Vịng đóng bậc bằng 1 tiền mã hóa-MISO, lái chùm tia (beamsteering): là
chế độ dự phòng khi các phản hồi chế độ 4 có bậc bằng 1. Chế độ này đưa ra độ lệch về pha và biên độ với tồn bộ tín hiệu được cung cấp cho mỗi anten phát mục đích là để tập chung năng lượng theo một hướng cụ thể. Cũng làm được tương tự ở bên thu để làm tăng độ nhạy thu theo một hướng. Trong
Cổng đơn-anten; cổng 5 MISO; lái chùm tia: tương tự như chế độ 6 ngoại
trừ một anten bổ xung (cổng 5) được sử dụng để tạo thành một chùm tia dành riêng hướng tới UE mà vẫn mang tín hiệu chuẩn.
Một trong những thách thức đối với việc hỗ trợ cả MIMO và hệ thống hướng búp sóng là sự hạn chế bởi sự xung đột nhau trên các thiết kế anten. Hệ thống lái chùm tia dựa vào sự tương quan của các tín hiệu truyền đi.
2.3.4.2 Chế độ đa anten hướng lên
Có 3 loại kỹ thuật đa anten áp dụng cho hướng lên trong LTE:
Phân tập thu tại eNodeB
SU-MIMO cho UE đơn: các UE sẽ phải yêu cầu hai máy phát để thực hiện
SU-MIMO. Điều này yêu cầu chi phí cao và kích cỡ lớn và mức tiêu thụ pin cao.
MU-MIMO cho nhiều UE: không làm gia tăng tốc độ dữ liệu người dùng
riêng lẻ mà lại cung cấp sự gia tăng dung lượng ô tương tự nhau hoặc tốt hơn so mới SU-MIMO. Hình 2.31 là chế độ MU-MIMO cho 2 UE.
2.4 Chuyển giao trong công nghệ mạng LTE
Chuyển giao là phương tiện cần thiết để thuê bao có thể di chuyển được trong mạng. Khi thuê bao di chuyển từ vùng phủ sóng của một cell này sang một cell khác thì kết nối với một cell mới phải được thiết lập và kết nối với cell cũ phải được hủy bỏ.
Lý do cơ bản để chuyển giao là kết nối vô tuyến không thỏa mãn tiêu chuẩn nhất định và do đó UE hay E-UTRAN sẽ thực hiện công việc để cải thiện điều đó. Các điều kiện chuyển giao thường gặp là điều kiện chất lượng tín hiệu, tính chất di chuyển của thuê bao, sự phân bố lưu lượng và băng tần… Trình tự trong chuyển giao gồm có 3 pha: đo lường, quyết định, và thực hiện. Đo lường là nhiệm vụ quan trọng trong quá trình chuyển giao vì mức tín hiệu trên đường truyền dẫn vô tuyến thay đổi rất lớn tùy thuộc vào fading và tổn hao đường truyền, số lượng các báo cáo đo lường quá nhiều sẽ ảnh hưởng đến tải của hệ thống. Để thực hiện chuyển giao, trong suốt quá trình kết nối các UE liên tục đo cường độ tín hiệu của các cell lân cận và thông báo kết quả tới mạng và eNodeB. Pha quyết định chuyển giao gồm đánh giá tổng thể về QoS của kết nối và so sánh nó với các thuộc tính QoS u cầu và ước lượng từ các cell lân cận. Căn cứ vào quyết định chuyển giao, có thể phân chia chuyển giao thành 2 loại là chuyển giao quyết định bởi mạng (NEHO) với eNodeB thực hiện quyết định chuyển giao và chuyển giao quyết định bởi thuê bao di động (MEHO) với UE quyết định chuyển giao nhưng eNodeB mới là quyết định cuối cùng. Hình 2.32 miêu tả nguyên tắc chuyển giao
Trình tự chuyển giao giữa hai cell trong LTE được thực hiện như sau:
UE truyền báo cáo đo lường tới eNodeB. Trong báo cáo này là đo lường cho
một cell đích với mức RSRP cao hơn cell đang phục vụ.
eNodeB nguồn quyết định chuyển giao là cần thiết, khi đó xác định cell đích
là phù hợp và yêu cầu truy cập tới eNodeB đích đang điều khiển cell đích.
eNodeB đích chấp nhận yêu cầu chuyển giao và cung cấp cho eNodeB
nguồn các thơng số địi hỏi cho UE để truy cập đến cell đích để chuyển giao có thể thực thi. Các thơng số đó bao gồm cell ID, tần số sóng mang và tài nguyên.
eNodeB nguồn gửi một bản tin “mobility from E-UTRAN” đến UE.
UE nhận được bản tin, ngắt kết nối vô tuyến với eNodeB nguồn và thiết lập
kết nối với eNodeB đích. Trong thời gian này đường truyền dữ liệu bị ngắt. Hình 2.33 miêu tả sự chuyển giao eNodeB của một UE. UE đi từ eNodeB nguồn (eNB1) vào eNodeB đích (eNB2). UE gửi một báo cáo về đo lường vô tuyến tới eNB1 và chỉ ra rằng chất lượng tín hiệu vào eNB2 là tốt hơn. Trước khi chuyển giao, nguồn eNB1 sẽ gửi những thông tin ghép nối và hoàn cảnh của UE tới eNB2 (HO yêu cầu) vào giao diện X2. eNB2 sẽ cấu hình tài ngun cần thiết theo thơng tin đã nhận và dự trữ một nhận dạng tạm thời ô (C-RNTI) và tùy chọn mở đầu một kênh RACH.
Khi eNB2 phát tín hiệu qua bản tin phản hồi HO tới eNB1 báo rằng nó đã sẵn sàng chuyển giao thì eNB1 lệnh cho UE (lệnh HO) thay đổi phần tử mang vô tuyến tới eNB2. UE nhận lệnh HO với các thông số cần thiết và được điều khiển bởi eNB1 để thực hiện lệnh HO. Sau khi nhận lệnh HO, UE thực hiện đồng bộ với eNB2 và truy nhập ô đích thơng qua kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH). Sau đó, UE gửi bản tin xác nhận HO (C-RNTI) cùng với báo cáo tình trạng bộ đệm đường lên cho biết thủ tục chuyển giao đã hoàn thành. Sau khi nhận được bản tin xác nhận