Hình 2.18 cho thấy phạm vi phủ sóng uplink và downlink cho 3GPP và kế hoạch triển khai phủ sóng ITU-R.
Hình 2.18 Phạm vi phủ sóng LTE (10MHz , FDD)
Bảng 2-10 cho thấy việc tính toán biên độ liên kết chi tiết trong Case 3. Một UE truyền và nhận với độ lợi anten 0 dBi, suy hao penetration 20 dB, nhiễu máy thu downlink hơn tỉ lệ nhiễu nhiệt của 1 dB cho cả dữ liệu và kênh điều khiển, nhiễu máy thu uplink so với tỷ lệ nhiễu nhiệt 1,5 dB cho dữ liệu và 4.5 dB cho kênh điều khiển, và log-normal shadow fading margins 10,5 dB để điều khiển và 6,7 dB cho dữ liệu.
34 | P a g e
Bảng 2-10 LTE link budget for Case 3 scenario with Non-Line-of-Sight (NLOS)
Downlink Uplink PDCCH PDSCH PUCCH PUSCH (42kbps) (2Mbps) (4 kbps) (187 kbps) Bandwidth (RBs) 50 50 1 5 Coverage (m) 945 1053 898 668 Tx power (dBm) 46 46 24 24 Rx sensitivity (dBm) -98.7 -96.6 -119.8 -111.2 Interference+Noise (dBm/Hz) -166 -166 -165 -168 Required SINR (dB) -4.2 -1.7 -9.9 -4.8 2.7 LTE mobility
Handover (Intra-MME/Serving Gateway)
LTE giới thiệu khả năng bổ sung mạng HSPA với tốc độ dữ liệu đỉnh cao hơn, tính linh hoạt lớn hơn cho mạng không đồng nhất và kiến trúc mạng phẳng All-IP. Đây là một sự thay đổi đáng kể mà hiểu đơn giản có nghĩa là LTE sẽ xử lý tất cả mọi thứ nó truyền tải, ngay cả giọng nói, nhƣ dữ liệu. Sự thay đổi lớn khác liên quan đến việc sử dụng công nghệ MIMO, hoặc nhiều anten ở bộ phận thu và phát để cải thiện hiệu suất truyền thông. Thiết lập này có thể đƣợc sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu các băng thông hoặc để giảm nhiễu giao thoa.
Tác động của thủ tục bàn giao LTE phụ thuộc rất nhiều vào loại ứng dụng đƣợc sử dụng. Ví dụ, một gián đoạn ngắn trong một FTP dài phiên (ví dụ nhƣ tập tin tải lớn) có thể chấp nhận đƣợc, trong khi một sự gián đoạn trong một cuộc gọi VoIP hoặc một phiên họp video trực tuyến hoặc phiên FTP ngắn hoặc một ứng dụng chơi game nhạy cảm với độ trễ thì không.
Bài viết này bàn về thủ tục bàn giao LTE tiêu chuẩn hóa cải thiện hiệu suất trong hệ thống LTE. Quá trình bàn giao đƣợc trình bày nhƣ hình 3.16.
35 | P a g e
36 | P a g e
Chương 3 : MIMO
Chương này sẽ giới thiệu về hệ thống MIMO; những nét chính của hệ thống bao gồm mã trước, hợp kênh không gian, phân tập; và các lợi ích, ứng dụng quan trọng của MIMO trong việc truyền dữ liệu vô tuyến.
3.1 Tìm hiểu tổng quan hệ thống MIMO đơn người dùng (single-user) và đa người dùng (multi-user)
Kỹ thuật MIMO (MIMO technique) trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu. Kỹ thuật MIMO tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian, mã hóa ...) nhằm nâng cao chất lƣợng tín hiệu, tốc độ dữ liệu ... (khác với khái niệm beam forming của smart aray antenna nhằm nâng cao độ lợi thu, phát theo không gian...). Tuy vậy, hạn chế của kỹ thuật MIMO là chi phí cho thiết bị cao hơn và giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn.
Kỹ thuật MIMO ngày nay đang đƣợc ứng dụng rất rộng rãi: MIMO-Wifi, MIMO- UMTS ... nhờ tính tối ƣu trong việc sử dụng hiệu quả băng thông, tốc dộ dữ liệu cao, robust với kênh truyền fading ... Kỹ thuật MIMO tƣơng đối đa dạng và phức tạp.
MIMO có thể chia thành 3 mảng chính: Mã trƣớc (Precoding), hợp kênh không gian – SM, và mã phân tập.
3.2 Precoding
Mã trƣớc là cách tạo búp sóng nhiều lớp. Trong cách tạo búp sóng đơn lớp mỗi anten phát sẽ phát các tín hiệu giống nhau với các trọng số pha thích hợp để cực đại công suất tại đầu thu. Kết quả là tạo búp sóng làm tăng hệ số công suất thông qua cấu trúc tổng hợp, và làm giảm hiệu ứng fading do đa đƣờng. Nếu môi trƣờng không có tán xạ thì cách tạo búp sóng này rất có hiệu quả. Nhƣng thật không may những hệ thống trong thực tế đều không nhƣ vậy. Khi sử dụng nhiều anten nhận thì bên phát không thể tạo búp sóng để cực đại tín hiệu trên tất cả các anten nhận. Khi đó mã trƣớc cần đƣợc sử dụng. Trong kĩ thuật này, nhiều luồng tín hiệu độc lập đƣợc phát đồng thời từ các anten
37 | P a g e phát với các trọng số thích hợp sao cho thông lƣợng tại bộ thu cực đại. Mã trƣớc yêu cầu bên phát phải biết thông tin trạng thái kênh (CSI).
3.3 Hợp kênh không gian
Yêu cầu cấu hình anten phù hợp. Trong hợp kênh không gian, tín hiệu tốc độ cao đƣợc chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn, mỗi luồng đƣợc phát bởi một anten khác nhau trên cùng một băng tần. Nếu các luồng tín hiệu này đến bộ thu có sự khác biệt kí hiệu không gian thích hợp thì bộ thu có thể tách biệt các luồng này, tạo thành các kênh song song. Hợp kênh không gian rất hữu hiệu làm tăng dung năng đáng kể trong trƣờng hợp tỉ số SNR cao. Số luồng không gian cực đại đúng bằng hoặc nhỏ hơn số anten nhở nhất ở bên phát và bên thu. Hợp kênh không gian không yêu cầu bên phát phải biết kênh.
Spatial Multiplexing (SM)
Đối với kỹ thuật space-time MIMO nhƣ STBC hay STTC, ta đạt đƣợc độ lợi về phân tập (và mã hóa cho STTC). Tuy nhiên trong cùng điều kiện về băng thông tín hiệu và cùng kỹ thuật điều chế tín hiệu (signal modulation) tức là cùng số bits/symbol, thì STBC và STTC không cho lợi về tốc độ dữ liệu so với kỹ thuật SISO truyền thống.
Đối với kỹ thuật MIMO Spatial Multiplexage, trong cùng điều kiện về băng thông sử
dụng và kỹ thuật điều chế tín hiệu, SM cho phép tăng tốc độ dữ liệu (data rate) bằng số lần của số lƣợng anten phát. Một trong những kỹ thuật SM đƣợc biết đến nhiều nhất là V-BLAS, đƣợc phát triển bởi phòng thí nghiệm Bell Labs.
Trong kỹ thuật V-BLAST, tín hiệu truyền đƣợc sắp xếp dọc (vertically) cho từng anten phát. Mỗi anten sẽ truyền đồng thời 1 stream symbols khác nhau của tín hiệu, do đó tốc độ dữ liệu tăng lên N_t lần (N_t: số anten phát...).
Tại các anten thu, tín hiệu chồng chập của nhiều anten phát khác nhau sẽ đƣởc xử lý bởi bộ giải mã tối ƣu để tìm ra chuỗi dữ liệu ML (maximum likelyhood). Trong trƣờng hợp bộ giải mã tối ƣu đƣợc sử dụng, V-BLAST sẽ đạt đƣợc độ lợi phân tập tỷ lệ với tích số của số anten phát x số anten thu.
3.4 Mã phân tập
Là kĩ thuật khi bên phát không biết thông tin trạng thái kênh. Không nhƣ kĩ thuật SM, mã phân tập chỉ phát đi một luồng tín hiệu đƣợc mã hoá theo kĩ thuật đƣợc gọi là mã không – thời gian. Các anten phát tín hiệu mã hoá trực giao. Kĩ thuật phân tập khai thác tính độc lập của fading trong hệ nhiều anten để nâng cao sự phân tập của tín hiệu. Vì bên phát không biết kênh nên mã phân tập không tạo búp sóng.
Trong thực tế ngƣời ta có thể kết hợp kĩ thuật hợp kênh không gian với mã trƣớc khi bên phát biết trạng thái kênh, hoặc kết hợp với mã phân tập trong trƣờng hợp ngƣợc lại.
38 | P a g e
3.4.1 Sơ lược Space diversity, time diversity
Giả sử rằng máy thu ƣớc lƣợng chính xác hệ số kênh truyền tại mọi thời điểm. Tín hiệu phát, tính hiệu thu, nhiễu Gauss đầu vào máy thu và giá trị kênh truyền tại thời điểm nT là x(nT), y(nT), b(nT) và h(nT).
Phân tập phát (Tranmission diversity): sử dụng 2 hay nhiều anten để truyền cùng 1 tín hiệu.
Tín hiệu thu đƣợc
y(nT) = x(nT)h11(nT) + x(nT)h21 (nT) + b(nT)
Tín hiệu ƣớc lƣợng của x(nT)
Phân tập thu (Reception diversity): sử dụng 2 hay nhiều anten để nhận 1 tín hiệu phát. Tín hiệu thu đƣợc
y1(nT) = x(nT)h11(nT) =b1(nT) y2(nT) = x(nT)h12(nT) =b2(nT)
Tín hiệu ƣớc lƣợng MRC (maximum ratio combining ) của x(nT)
Phân tập thời gian (Time diversity): truyền cùng 1 tín hiệu ở hai thời điểm khác nhau. x(n1T) = x(n2T)
Tín hiệu thu đƣợc
y(n1T) = x(n1T)h(n1T) + b(n1T) y(n2T) = x(n2T)h(n2T) + b(n2T) Tín hiệu ƣớc lƣợng của x(nT)
3.4.2 Space time block code (STBC)
Kỹ thuật phân tậpđơn giản, hiệu quả sử dụng 2 anten phát đƣợc giới thiệu bởi Alamouti và đƣợc tổng quát hóa cho trƣờng hợp nhiều anten phát bất kỳ bởi Tarork .
39 | P a g e
STBC sử dụng phƣơng pháp sắp xếp trực giao lại thứ tự các tín hiệu tại các anten phát. Ta có matrix tính hiệu phát X ( [X_ij] với i tƣợng trƣng cho anten Tx phát thứ i và j la symbol phát thứ j của anten i):
Alamouti codes 2 anten phát (2 Tx):
Block Matrix tín hiệu có dạng (với s1 và s2 là 2 symbol tín hiệu liên tiếp nhau)
Tín hiệu tại anten thu
Tín hiệu ƣớc lƣợng của s1 và s2 sẽ đƣợc tổng hợp theo không gian-thời gian từ tín hiệu y1 và y2:
Kết luận
Sau khi tổng hợp trực giao không gian-thời gian, năng lƣợng nhiễu không thay đổi nhƣng năng lƣợng tín hiệu tăng (Space-Time diversity gain).
Với Space-Time Block Code Alamouti, tốc độ dữ liệu không bị suy giảm (full rate) nhƣng ta vẫn đạt đƣợc độ lợi phân tập tương đương với trường hợp 2 anten thu
(mục 1: phân cực 2 anten phát < phân cực 2 anten thu).
Với số lƣợng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ đƣợc tổng hợp nhƣ trên, sau đó sẽ đƣợc tổng hợp MRC lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu).
Orthogonal STBC Tarokh cho số anten phát bất kỳ:
Tarokh tổng quát hóa matrix STBC cho số anten phát bất kỳ (Tx = 3,4,5,6,8 ...) cho tín hiệu thực (BPSK, PAM ...) [2]. Tuy nhiên đối với tín hiệu phức (modulation QPSK, M- PSK, M-QAM ...), để đảm bảo full-diversity, Tarokh chứng minh không tồn tại ma trận phát cho trƣờng hợp số anten phát lớn hơn 4 và đối với số aten phát 3 và 4 thì không tồn tại full-rate matrix [2], maximun rate = 3/4. Ma trận tín hiệu trực giao cho 3, 4 anten phát cho tín hiệu thực và phức:
40 | P a g e
Full-rate matrix cho 3 anten phát (3 Tx).
Full-rate matrix cho 4 anten phát (4 Tx).
Rate 3/4 matrix for complex symbol: 3 anten Tx
4 anten Tx
3.4.3 Spacetime trellis codes (STTC)
Trong Space-time Block Codes, tín hiệu phát đƣợc tạo thành bằng cách sắp xếp trực giao các symbols dữ liệu lên các anten phát khác nhau (các symbols đƣợc sắp xếp thành dạng block, nên gọi là block code). Đối với STTC, các tín hiệu phát cho từng anten đƣợc tạo ra nhờ vào các đa thức sinh generation function và có thể biểu diễn dƣới dạng trellis ( giống giống trellis code nhƣ convolution codes hay trellis codes modulation ...) Tại các anten thu, tín hiệu thu tại từng anten sẽ đƣợc sử dụng giải thuật Viterbi để tìm đƣờng đi trong trellis (trellis path) có xác suất lỗi nhỏ nhất (gần giống với kỹ thuật viterbi để tìm trellis path trong giải mã convolution codes, TCM...) và từ đó xác định đƣợc dữ liệu truyền.
Dung lượng kênh truyền
Shannon capacity of Gaussian channel: C = log2(1 + γ) bps/Hz
41 | P a g e The capacity is expressed by the maximum achievable data rate for an arbitrarily low probability of error
SISO systems :
SIMO Systems:
MISO Systems :
In case :
As CSI knows at TX site, capacity can get:
3.5 Ứng dụng của MIMO
Lợi ích chính của hệ MIMO là tăng đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy của kênh truyền. Kĩ thuật hợp kênh không gian đòi hỏi độ phức tạp của bộ thu, do đó nó thƣờng đƣợc kết hợp với kĩ thuật hợp kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), hoặc OFDMA. Chuẩn IEEE 802.16e kết hợp chặt chẽ với kĩ thuật MIMO – OFDMA và chuẩn IEEE 802.11n sử dụng MIMO – OFDM.
Hệ MIMO cũng đƣợc sử dụng trong chuẩn di động 3GPP và 3GPP2 và đang đƣợc phát triển kĩ thuật truyền thông MIMO nâng cao nhƣ là kĩ thuật xuyên lớp, kĩ thuật nhiều ngƣời dùng và ad-hoc trong MIMO.
Xuyên lớp MIMO giải quyết các vấn đề xuyên lớp xảy ra trong hệ thống MIMO, do đó làm tăng hiệu quả sử dụng kênh. Kĩ thuật xuyên lớp này cũng làm tăng hiệu quả sử dụng kênh SISO. Các kĩ thuật xuyên lớp thƣờng gặp là điều chế và mã hoá thích nghi (AMC), liên kết thích nghi.
MIMO nhiều ngƣời dùng có thể khai thác sự giao thoa công suất của nhiều ngƣời sử dụng nhƣ là một tài nguyên không gian cho kĩ thuật xử lý phát tiên tiến, còn trong chế
2 2 2 lo g (1 P | | ) ( / / ) C h b s Hz 2 2 2 1 lo g (1 | | ) ( / / ) R N i P C h i b s Hz 2 2 2 1 lo g (1 | | ) ( / / ) T N i T P C h i b s Hz N 2 2 |hi | |hj | i j, 1 . . .NT CMIS O CS IS O 2 2 2 1 lo g (1 | | ) ( / / ) T N i P C h i b s Hz
42 | P a g e độ một ngƣời dùng, hệ MIMO chỉ sử dụng nhiều anten. Ví dụ cho xử lý phát tiên tiến của hệ MIMO nhiều ngƣời dùng là giao thoa liên quan đến mã trƣớc.
Ad – hoc MIMO là một kĩ thuật rất hữu dụng cho mạng tế bào tƣơng lai, nó tập trung vào mạng vô tuyến mắt cáo hay mạng vô tuyến ad – hoc. Trong mạng ad – hoc nhiều nút phát liên lạc với nhiều nút thu. Để có thể tối ƣu dung năng của kênh Ad – hoc, khái niệm và kĩ thuật MIMO đƣợc áp dụng cho các liên kết trong cụm nút thu và phát. Không giống với hệ anten trong hệ MIMO một ngƣời dùng, các nút này đƣợc đặt nhƣ một hạng phân bố. Để đạt đƣợc dung năng trong mạng này cần quản lý sự phân bố tài nguyên sóng vô tuyến hiệu quả nhƣ sự hoạt động đồng thời của các nút và khái niệm mã trang nhiễm bẩn.
Tóm lại, hệ MIMO với những kĩ thuật phân tập, mã trƣớc và nhiều ngƣời dùng làm tăng đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy kênh truyền, đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu phát triển hứa hẹn đêm lại cho chúng ta nhiều lợi ích hơn nữa trong truyền thông vô tuyến.
43 | P a g e
Chương 4 : Mô phỏng
4.1 Tóm tắt lý thuyết
4.1.1 Hệ thống truyền thông
Các hệ thống thông tin không dây có thể đƣợc phân loại thành 4 hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO và MIMO nhƣ hình 4.1.
Hình 4.1 Các hệ thống thông tin không dây Hệ thống SISO
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế/giải điều chế. Hệ thống SISO thƣờng đƣợc dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân nhƣ Wifi hay Bluetooth. Dung lƣợng hệ thống phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu đƣợc xác định bởi công thức Shanon
C=log2 (1+SNR) bit/s/Hz
Hệ thống SIMO
Nhằm cải thiện chất lƣợng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn lại sử dụng đa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu đƣợc gọi là hệ thống
44 | P a g e SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lƣợng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức sau
C=log2(1+N.SNR) bit/s/Hz
Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu đƣợc gọi là hệ thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lƣợng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết đƣợc thông tin kênh truyền, dung lƣợng hệ thống tăng theo hàm Log của số anten phát và có thể đƣợc xác định gần đúng theo biểu thức sau
C=log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz
Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lƣợng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lƣợng hệ thống có thể đƣợc cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian nhƣ V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền đƣợc biết tại cả