Hinh 2.14. Các sơ đồ kết hợp số liệu tại các lớp khác nhau
2.5. Kỹ thuật đa đầu vào, đa đầu ra MIMO (Multiple Input, Multiple Output)
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 4 bộ phát ở phía trạm thu phát và 4 bộ thu ở thiết bị di động. LTE-Advanced thì cho phép tối đa 8 cặp thu phát ở chiều tải xuống và 4 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 dùng 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 8 bộ phát có thể truyền đồng thời 8 luồng tín hiệu tới một máy điện thoại có 8 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 cặp ăng-ten thu phát. Do vậy, trong trường hợp khả quan nhất, 8 cặp thu phát có thể tăng tốc độ dữ liệu lên khoảng 8 lần.
2.5.1. MIMO đường xuống (Downlink ) trong LTE-A 2.5.1.1. Kỹ thuật đường xuống MU-MIMO
Trên đường xuống các sơ đồ MU-MIMO (Multi-user MIMO: MIMO đa người sử dụng) được nghiên cứu để đảm bảo mức độ linh hoạt lập biểu miền tần số cao hơn và tăng cường triệt nhiễu đa người sử dụng. Các phương pháp triệt nhiễu cũng được nghiên cứu, bao gồm cả việc làm cho đầu cuối biết được nhiễu gây ra do người sử dụng cùng chia sẻ tập tài nguyên truyền dẫn cũng như cải thiện tiền mã hóa phía phát.Phát triển sơ đồ MIMO lên đến 8 anten phát tại enodeB cũng được nghiên cứu cho đường xuống so với cực đại chỉ 4 anten phát trong LTE R8. Việc hỗ trợ 8 anten đòi hỏi nghiên cứu thiết kế mới đối với ký hiệu tham chuẩn và phản hồi trạng thái kênh.
Khi tăng từ 4 lên 8 anten, hầu như không thể tăng bậc phân tập khi xét đến các sai lỗi ước tính kênh. Vì thế các sơ đồ phân tập phát của LTE Advance sẽ sử dụng lại các sơ đồ dựa trên SFBC (Space Frequency Block Code) và FSTD (Frequency Switch Transmit Diversity) từ LTE R8. Điều này được thực hiện bằng cách sắp xếp 8 anten vật lý lên 4 anten ảo với chuyển đổi trong suốt (CDD).
2.5.1.2. Kỹ thuật đường xuống SU-MIMO
Để đạt được hiệu suất phổ đỉnh đường 30bit/s/Hz. Yêu cầu cao hơn với SU-MIMO là điều cần thiết. Do đó cần phải tăng số lớp truyền dân của SU-MIMO trong LTE-A lên 8 lớp.
Số lượng các lớp truyền dẫn được lựa chọn bằng cách thích ứng cấp bậc. Vấn đề quan trọng nhất với giao diện vô tuyếntrong việc hỗ trợ lên đến 8 lớp là cấu trúc RS sử dụng để đo CQI và giải điều chế PDSCH ( kênh vật lý chia sẻ đường xuống ). Liên quan đến vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã nhất trí khai thác LTE Advance 8 Tx sẽ được xây dựng trên cơ sở chia các tín hiệu tham chuẩn thành các CSI-RS (Channel State Information RS: RS thông tin trạng thái kênh ) và RS giải điều chế, trong đó CSI-RS để đo trạng thái kênh sẽ được phát thưa để tránh tăng băng thông bổ sung. Khai thác này là khả thi với giả thiết tốc độ di động thấp.
Trong sơ đồ DL SU-MIMO với cấu hình 8X, hai khối truyền tải có thể truyền đến UE được lập biểu. Mỗi khối truyền tải được ấn định một sơ đồ điều chế và mã hóa riêng. Một bit ACK/NACK phản hồi đường lên được sử dụng cho mỗi khối truyền tải. Mỗi khối truyền tải tương ứng với một từ mã. Tối đa 8 lớp được sử dụng, đối với số lớp từ 4 trở xuống, quá trình sắp xếp từ mã lên lớp cũng giống như LTE R8. Đối với số lớp lớn hơn 4 và các trường hợp sắp xếp một từ mã lên ba hoặc 4 lớp ( để phát lại một hoặc hai từ mã cho trường hợp phát ban đầu lớn hơn 4 lớp ) quá trình sắp xếp từ mã vào lớp được thực hiện theo bảng 10.3, trong đó dq(i) ký hiệu cho kí hiệu điều chế thứ i của từ mã q, Xl( i ) là ký hiệu thứ I của lớp thứ l, Nq ký hiệu cho số ký hiệu điều chế trên mã thứ q và Nl ký hiệu cho số ký hiệu điều chế trên lớp thứ l ..
L
3 1
4 1
5 2
6 2
7 2
8 3
Bảng 2.1. Sắp xếp từ mã vào lớp
CW: Code word
Hình 2.15. Sơ đồ sắp xếp từ mã vào lớp
Ngoài phân tập phát, các sơ đồ MIMO vòng hở và vòng kín, các kỹ thuật tạo bup tăng cường cũng được nghiên cứu cho đường xuống của LTE Advanced.
Đối với cấu hình với hai và 4 anten, bảng mã cho tiền mã hóa của LTE Advanced cũng giống như các bảng mã LTE R10. Đối với cấu hình 8 phương pháp anten bảng mã kép được sử dụng. Trong phương pháp bảng mã kép, tiền mã hóa nhận được bằng cách nhân các ma trận W1 với ma trận W2, trong đó W1 là ma trận đường chéo khối phù hợp với với ma trận đồng phương sai của thiết lập cấu hình anten phân cực kép và W2 là lựa chọn anten và ma trận đồng pha. Cấu hình này đảm bảo hiệu năng tốt cho cả các kênh tương quan không gian cao và thấp.
2.5.2. MIMO đường lên ( Uplink ) trong LTE-A Kỹ thuật đường lên SU-MIMO
Trên đường lên, SU-MIMO (single user MIMO: MIMO đơn người sử dụng ) được coi là một trong số các kỹ thuật then chốt đảm bảo cải thiện đáng kể thông lượng người sử dụng tại biên ô so với LTE R8 cũng như hiệu suất phổ đỉnh trung bình. UE trong LTE- Advance được đặc tả với cấu hình 4 anten phát. Tùy thuộc vào số lớp truyền dẫn, các ký hiệu điều chế liên quan đến từng khối truyền tải sẽ được sắp xếp lên một hoặc hai lớp theo nguyên lý giống như LTE-R8 SU-MIMO đường xuống. Cấp hạng truyền dẫn có thể kích ứng động. Có thể lập cấu hình UL SU-MIMO đường xuống có hoặc không có chuyển dịch lớp. Trong trường hợp dịch chuyển lớp, chuyển dịch được thực hiện trong miền thời gian. Nếu chuyển dịch được lập cấu hình, các HARQ-ACK được gộp chung vào một HARQ-ACK. Một bit ACK/NACK được phát đến UE tùy theo các khối truyền tải được phát thành công hay thất bại. Nếu chuyển dịch lớp không được lập cấu hình, mỗi khối truyền tải có riêng một phản hồi báo hiệu ACK/NACK.
Tiền mã hóa được thực hiện theo bảng mã quy định trước. Nếu chuyển dịch lớp không được lập cấu hình, tiền mã hóa được thực hiện sau sắp xếp lớp. Nếu chuyển dịch lớp được lập cấu hình, tiền mã hóa được thực hiên sau thao tác chuyển dịch lớp. Mỗi sóng mang phần tử được áp dụng một ma trận tiền mã hóa. Trong trường hợp cấp hạng đầy đủ, ma trận tiền mã hóa là ma trận đơn vị
Chỉ số
bảng mã ,i Số lớp L
1 2 0
1 2 3 4 5
Bảng 2.1. Bảng mã tiền mã hóa 3 bit cho UL SU-MIMO với hai anten
Chỉ số bản
g mã
Bảng mã
Từ 0 đến
7 Từ 8
đến 15 Từ 16 đến
23
Bảng 10.6. Bảng mã tiền mã hóa 6 bit cho UL SU-MIMO với 4 anten
Các đầu cuối SU-MIMO được xây dựng trên sơ đồ phân tập phát vong hở khi việc thu thập thông tin trạng thái kênh không thể hoặc không khả thi. Vì thế hiệu năng tốt của các sơ đồ phân tập phát vòng hở trong các điều kiện kênh khác nhau là rất quan trọng để đảm bảo phủ sóng và dung lượn người sử dụng cho các đầu cuối SU-MIMO.
Một trong các tính năng then chốt đối với các sơ đồ phân tập phát đường lên là khi cần thiết có thể sử dụng công suất phát từ tất cả các bộ khuếch đại công suất khả dụng.
Phân tập phát vòng kín (CL) nghĩa là tiền mã hóa luồng đơn với chỉ thị vecto tiền mã hóa do enodeB quyết định là một sơ đồ tốt để phát kênh số liệu từ các đầu cuối SU- MIMO có nhiều anten và bộ khuếch đại công suất của LTE-Advance. Phân tập phát vòng kín được kỳ vọng sẽ cải thiện thông lượng trung bình của người sử dụng. Phân tập phát vòng kín vượt trội so với phân tập phát vòng hở trong các điều kiện di động thấp cà đảm bảo phản hồi đủ nhanh.
Ghép kênh không gian đa luồng được kỳ vọng sẽ cải thiện thông lượng trung bình của người sử dụng và tốc độ số liệu đỉnh đường lên. Tương tự như truyền dẫn đơn luồng, các sơ đồ ghép kênh không gian đa luồng đòi hỏi các thiết kế liên quan đến nhau với các ma trận tiền mã hóa và các ký hiệu tham chuẩn, các quá trình xử lý HARQ, sắp xếp lớp và tín hiệu điều khiển.