Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
1.2 Thông tin di động tế bào: Nhập môn
1.2.5 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ tư
Hệ thống tế bào số thế hệ thứ tư (4G) này được tạo ra để hỗ trợ dung lượng hệ thống và sự mong muốn về tốc độ dữ liệu. Đòi hỏi nhiều tốc độ dữ liệu cao hơn để cho phép truy cập Internet và ứng dụng video di động. Sự phát triển dài hạn (LTE) còn được gọi là 4G và chỉ hỗ trợ kết nối mạng dựa trên PS. Tiêu chuẩn cũng đang phát triển để sử dụng các tùy chọn phổ được cấp phép, phổ không được cấp phép và phổ được chia sẻ với tất cả mục tiêu chung là tăng tốc độ dữ liệu người dùng, tăng dung lượng hệ thống, giảm độ trễ và cải thiện trải nghiệm của người dùng. ITU xác định các mục tiêu 4G dưới dạng các yêu cầu IMT-2010.
Tại thời điểm mà mạng tế bào phát triển, ngành công nghiệp đã hội tụ một tiêu chuẩn duy nhất là LTE. Hệ thống tế bào LTE dựa trên OFDMA trong đó TTI đã giảm từ 2 ms (được sử dụng trong hệ thống tế bào 3G) xuống còn 1 ms.
Việc giảm TTI này đã cải thiện hiệu suất bằng cách có thể thích ứng nhanh hơn với việc thay đổi các điều kiện kênh, do đó có thể sử dụng nhiều thuật toán để lập lịch hiệu quả hơn. Việc giảm TTI cũng làm giảm độ trễ từ đầu đến cuối. Các tùy chọn băng thông tần số cũng đã tăng: 1.4, 3, 5, 10, 15 và 20 MHz để cung cấp các triển khai băng thông linh hoạt. Để hỗ trợ hiệu quả cho đa truy cập FDMA, OFDMA (thông qua biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) và các hoạt động biến đổi Fourier nhanh FFT) đã được sử dụng để chia dải tần số thành các kênh phụ (hoặc sóng mang con) với khoảng cách 15 kHz. Để giữ độ phức tạp xử lý tín hiệu thu ở mức tối thiểu để khoảng cách giữa sóng mang con nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây. Để cung cấp dịch vụ tốc độ dữ liệu cao hơn, sự hỗ trợ của MIMO là bắt buộc để làm phù hợp nhiều lớp thông qua ghép kênh không gian.
Với hệ thống TDMA, tốc độ dữ liệu tăng (hoặc giảm thời gian symbol) đã khiến máy thu sử dụng bộ cân bằng để loại bỏ nhiễu xuyên kênh (ISI). Tốc độ dữ liệu cao hơn, điều chế bậc cao hơn và độ trễ lan truyền dài hơn gây ra độ phức tạp của bộ cân bằng tăng đáng kể. Với hệ thống WCDMA, tốc độ dữ liệu
tăng (hoặc giảm thời gian chip) buộc máy thu phải sử dụng sự phân tán thời gian của kênh không dây nhưng yêu cầu mức tăng xử lý lớn để chống lại ISI. Với WCDMA, động lực là có băng thông truyền lớn hơn băng thông kết hợp của kênh không dây; tuy nhiên điều ngược lại vẫn đúng đối với OFDM.
OFDM giải quyết nhu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn bằng cách tạo ra nhiều kênh băng hẹp, trong đó mỗi kênh băng hẹp có thể coi là bị nhiễu san phẳng tần số. Điều này cho phép xử lý tín hiệu ở miền tần số, biến OFDM thành một kỹ thuật đa sóng mang rất hiệu quả để giảm thiểu môi trường pha đinh chọn lọc tần số.
Hình 1.12. Sự biểu diễn thời gian/tần số của tín hiệu OFDM cho LTE.
Trong OFDMA, các người dùng được ghép kênh ở cả miền tần số và thời gian, Hình 1.12. Trên giao diện vô tuyến LTE, thành phần của sự phân bổ là một khối tài nguyên vật lý (PRB). Mỗi PRB gồm 12 sóng mang con với 7 symbol OFDM tương đương với 84 symbol điều chế. Phân bổ tối thiểu cho một UE riêng lẻ trong một khung con (1 ms) là 2 PRB với một PRB trong mỗi khe của khung con. Do đó một UE sẽ nhận được tổng cộng 2 PRB/khung con tương đương với 168 symbol điều chế/khung con. Lưu ý rằng không phải tất cả 168 symbol điều chế này có thể được sử dụng để truyền thông tin người dùng, nhưng một số symbol điều chế này được sử dụng để đồng bộ hoặc làm hoa tiêu cho sự đánh giá kênh. Mỗi PRB chứa 12 sóng mang con, do đó có băng thông 12×15 kHz = 180 kHz. Hình 1.12 thể hiện 2 PRB (2 × 7symbol × 12 sóng mang con).
Giả sử điều chế QPSK có bốn symbol khác nhau được biểu thị bằng bốn màu
khác nhau. Mỗi màu đại diện cho một phần tử tài nguyên (RE) và mang hai bit với điều chế QPSK.
Một sơ đồ khối cung cấp một ví dụ về việc tạo dạng sóng OFDMA được thể hiện trong Hình 1.13. Chúng ta cũng nêu ra các điểm khác nhau trên chuỗi xử lý có thể ảnh hưởng thường xuyên đến hiệu suất hệ thống. Số lượng sóng mang con (SC) có tác động trực tiếp đến tốc độ dữ liệu và dung lượng người dùng của hệ thống. Từ góc độ hệ thống, giá trị này phải càng lớn càng tốt, tuy nhiên băng thông chiếm dụng cần phải được kiểm soát thông qua chức năng định hình phổ. Công suất đỉnh của symbol OFDM trên công suất trung bình cũng tác động đến băng thông chiếm dụng và tác động đến việc đáp ứng các yêu cầu tuyến tính để giảm thiểu bất kỳ sự tăng phổ. Ngoài ra việc bổ sung của tiền tố tuần hoàn (CP) sẽ loại bỏ ISI khỏi kênh không dây.
Khoảng thời gian CP phải đủ lớn để vượt quá độ dài của phân tán thời gian kênh không dây, nhưng cũng phải nhỏ nhất để có thể tối đa hóa thông tin dữ liệu người dùng trong suốt thời gian của khung con.
Hình 1.13. Sự hình thành dạng sóng OFDMA với k sóng mang con.
Có một số nhược điểm nhất định của OFDM cần được khắc phục trong các hệ thống trong tương lai, chẳng hạn như:
Chi phí CP: Nhu cầu cho việc thêm CP gây ra độ dư cho việc truyền và do đó dẫn đến mất hiệu quả phổ. Tổn thất này lớn hơn khi sử dụng CP dài hoặc khi khoảng cách giữa sóng mang con nhỏ.
Độ nhạy đối với lệch tần số và thời gian: Để giữ tính trực giao trong OFDM, máy phát và máy thu phải có cùng tần số tham chiếu. Bất kỳ lệch tần số nào làm hỏng tính trực giao, gây rò rỉ sóng mang con được gọi là nhiễu sóng mang con (ICI).
Phát xạ ngoài băng tần cao (OOB): OFDM giả định xung hình chữ nhật trong miền thời gian tương đương với hàm sinc trong miền tần số có băng thông vô hạn về mặt lý thuyết và gây ra sự phát xạ (OOB) tương đối cao. Việc thiếu tạo dạng phổ (hoặc lọc hoặc xử lý cửa sổ) đang tạo ra các thùy bên phổ lớn trong phổ truyền.
Tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao: Đường bao của dạng sóng OFDM có sự thay đổi lớn gây ra sự cố khi gặp thiết bị phi tuyến như bộ khuếch đại công suất phát. PAPR cao trong OFDM so với kỹ thuật truyền sóng mang đơn là do sự kết hợp của nhiều sóng mang con riêng lẻ với các pha khác nhau có thể dẫn đến PAPR cao khi được kết hợp lại.
Hình 1.14. Sơ đồ khối kiến trúc mạng LTE 4G.
Các thùy bên phổ có công suất tương đối cao do hình dạng hình chữ nhật giả định. Các thùy bên cao yêu cầu một dải bảo vệ lớn để giảm nhiễu ngoài dải. Áp dụng các kỹ thuật định hình phổ, chẳng hạn như đa sóng mang dựa trên dàn bộ lọc, đa sóng mang lọc vạn năng, v.v. sẽ giúp giảm thùy bên.
Mối quan tâm công suất đỉnh trên công suất trung bình của OFDM có thể được xem như là một tổng có trọng số của các đường hình sin giúp giải thích PAPR lớn của symbol OFDM được tạo ra (cao tới 12 dB). PAPR cao có thể có
vấn đề nếu gặp dạng sóng phi tuyến. Việc giảm yếu tố đỉnh là một kỹ thuật được sử dụng để giảm PAPR và bù cho méo phi tuyến là méo trước dạng số. Dạng sóng đường lên LTE sử dụng phương pháp FDMA sóng mang đơn (SC-FDMA) để giảm tác động của PAPR trên các thiết bị di động.
Cuối cùng, để giảm thiểu ISI và cung cấp thuộc tính của tích chập tuần hoàn, một phần nhỏ của phần cuối của mỗi symbol được thêm vào đầu của mỗi symbol OFDM được phát. Kích thước CP phụ thuộc vào độ trễ lan truyền và việc LTE sử dụng CP ngắn và dài. Đối với LTE, CP ngắn cú giỏ trị là 4.7 às , xấp xỉ 8% tổng thời gian symbol. Nói chung, nếu trong một triển khai cụ thể dự kiến không có sự phân tán độ trễ lớn thì nên sử dụng CP thời gian ngắn hơn hoặc rút ngắn.
Sơ đồ khối kiến trúc mạng 4G LTE được thể hiện trong Hình 1.14. Lưu ý rằng bây giờ chúng ta có một tiêu chuẩn di động toàn cầu duy nhất. Lõi gói tiến hóa (EPC) đã thay thế các chức năng mạng lõi (CN) và eNodeB đã thay thế các chức năng NodeB. EUTRAN bao gồm các nhóm eNodeB và EPC. Kết nối EUTRAN đến EPC bao gồm cả tín hiệu mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng. Đây là khởi đầu của nỗ lực phân tách các nhánh điều khiển và người dùng để cho phép các tốc độ phát triển khác nhau và các trường hợp/tùy chọn triển khai mạng.
Hình 1.15. Nét nổi bật của 3GPP.
Trong LTE, SCS được đặt thành 15 kHz, có nghĩa là thời lượng symbol OFDM là 66.67 às. Cú 14 symbol dữ liệu trờn mỗi khe thời gian (1 ms) và mỗi symbol OFDM yêu cầu một CP, kết quả là tương đương 15 symbol (dữ liệu + CP) trong một khe thời gian. Kích thước FFT lớn nhất là 2048 tạo ra tần số lấy mẫu là 30.72M mẫu/giây. Dưới đây chúng ta liệt kê một số tính năng LTE trong lịch phát hành của cơ quan tiêu chuẩn 3GPP.
Tốc độ dữ liệu tăng lên khi sử dụng HOM, MIMO và CA
Các tính năng mới được thêm vào: DC, V2X, IoT, D2D, v.v.
Công nghệ tiên tiến để hỗ trợ việc cải thiện hiệu suất: đa điểm phối hợp (CoMP), giảm độ trễ, tạo búp sóng
Sự linh hoạt của RAT và phổ tần: được cấp phép, chia sẻ, không được cấp phép và sự kết hợp LTE-WiFi.
Như đã thảo luận trước đó, một số mầm mống được tạo ra trong hệ thống tế bào 3G để đánh giá thuận lợi việc chúng sẽ trở thành thế hệ sau như thế nào. Ví dụ, hiệu quả kết hợp sóng mang và MIMO ngày càng trở nên thiết yếu hơn và HOM thì có hiệu quả. Trên thực tế, cả ba kỹ thuật đã được thử nghiệm thành công và được triển khai thương mại, đòi hỏi chúng đạt được tốc độ dữ liệu lớn hơn 1 Gbps trong LTE.
Hình 1.15 cũng cho thấy sự phát triển hệ thống tế bào để tăng tốc độ dữ liệu, tăng dung lượng người dùng và giảm độ trễ. Xu hướng mới này cho thấy rõ việc bổ sung các dịch vụ mới (hoặc tính năng, các trường hợp sử dụng) bắt buộc khi nhu cầu xã hội ngày càng tăng. Các dịch vụ mới này không thực sự được giải quyết khi 4G xuất hiện vào năm 2006. Sự phổ biến của các dịch vụ dự kiến mới này đang tăng rất nhanh (được thể hiện trong Hình 1.3).
Mạng này cũng đang trải qua sự phát triển của riêng nó. Mạng kết nối phần mềm (SDN) và “mặt sóng” dựa vào sự ảo hóa chức năng mạng (NFV) đã tách khỏi trung tâm dữ liệu, đi qua mạng lõi và vào mạng truy cập không dây. Các tải CN và RAN này đã bắt đầu được triển khai trên nền tảng dựa trên CPU mục đích chung và đồng nhất (thay vì logic chuyên dụng truyền thống + bộ xử lý tín
hiệu số + phương pháp vi điều khiển). Điều này đã tạo điệu kiện cho sự phát triển của RAN trên nền tảng đám mây sử dụng lợi ích của ngành công nghệ thông tin và truyền thông (CNTT-TT). 4G sẽ triển khai các công nghệ này và khi chúng thành công thì dự kiến 5G sẽ là một bản nâng cấp mạng.