Phần này xem xét các tính năng kỹ thuật chính của LTE downlink và uplink có ảnh hƣởng đến công suất hệ thống. Đặc biệt, vai trò của các truy cập trực giao nhiều đề án OFDMA và SC-FDMA đƣợc nhấn mạnh , cùng với downlink MIMO, trong việc đạt đƣợc các cải tiến năng lực đáng kể trong Release 6 HSDPA và HSUPA.
Đánh giá hoạt động mở rộng cho LTE đã đƣợc tiến hành trong 3GPP, và kết quả quan trọng đƣợc trình bày ở đây là hiệu suất phổ tế bào trung bình và rìa tế bào, dung lƣợng VoIP, và vùng phủ sóng.
2.6.1 Các nhân tố ảnh hưởng tới công suất hệ thống LTE
Các phần trƣớc đã giải thích các đặc tính kỹ thuật mới nhất cải thiện đáng kể hiệu năng hệ thống của LTE so với hệ thống cũ. Điểm khác nhau chính trong downlink và uplink là hệ thống LTE cung cấp cho phân bổ nguồn lực trực giao trong lĩnh vực tần số, cho phép đạt đƣợc sự đa dạng miền tần số nhiều ngƣời sử dụng để khai thác. Ngoài ra, downlink LTE hỗ trợ truyền dẫn với hai hoặc bốn lớp không gian qua nhiều antenna, trong đó tăng cả tốc độ dữ liệu đỉnh, hiệu suất phổ tế bào trung bình và rìa tế bào.
2.6.1.1 Multiple Access Techniques
27 | P a g e cho phép phân bổ nguồn tài nguyên phụ thuộc vào kênh linh hoạt nhiều ngƣời sử dụng trong lĩnh vực tần số và thời gian. Giảm ISI bằng CP làm cấu trúc nhận đơn giản, thích hợp để truyền MIMO.
Uplink SC-FDMA: SC-FDMA đƣợc sử dụng cho uplink trong tế bào miền tần số trực giao giữa các UE, trong khi cũng duy trì một PAPR ( Peak-to-Average Power Ratio) thấp là quan trọng để tối đa hóa tốc độ dữ liệu rìa tế bào. Ngoài ra, SRSs (Sounding Reference Signals) đƣợc hỗ trợ bởi uplink LTE tạo điều kiện thuận lợi thích ứng với nhiều ngƣời sử dụng lập kế hoạch và tỷ lệ để tăng cƣờng hiệu suất phổ.
2.6.1.2 Frequency Reuse and Interference Management
Tƣơng tự nhƣ WCDMA, LTE đƣợc thiết kế để hoạt động với một yếu tố tái sử dụng tần số để tối đa hóa hiệu suất phổ. Trong hệ thống nhƣ vậy, tuy nhiên, dữ liệu và kênh điều khiển có thể trải nghiệm một mức độ đáng kể của sự nhiễu từ các tế bào bên cạnh, làm giảm hiệu suất phổ đạt đƣợc, đặc biệt là ở rìa tế bào. Do đó, LTE hỗ trợ các kỹ thuật khác nhau để quản lý và giảm thiểu sự nhiễu liên tế bào.
Trong downlink, bao gồm:
• Một tế bào riêng thay đổi tần số đƣợc sử dụng để gán các RSs (Reference Signals) của tế bào cụ thể để sub-carriers tránh RS liên tế bào va chạm.
• Đối với các kênh điều khiển downlink, một tần số offset đƣợc áp dụng cho các vị trí PCFICH và PHICH. Đối với PDCCH, đan xen cung cấp nhiều tần số và tăng việc chống nhiễu liên tế bào.
• Đối với các dữ liệu, kỹ thuật ICIC có thể đƣợc áp dụng bằng cách sử dụng gói tin RNTP(Relative Narrowband Transmit Power) có thể đƣợc trao đổi giữa các eNodeB. Kỹ thuật giảm nhiễu uplink trong LTE bao gồm :
• Điều khiển công suất phân đoạn đƣợc hỗ trợ để cải thiện thông lƣợng gần eNodeB và giảm thiểu nhiễu liên tế bào ở rìa tế bào. Điều khiển công suất có thể đƣợc biểu diễn cùng với phân bổ tài nguyên miền tần số, theo đó các tế bào trung tâm UE phân bổ RBs để tăng cƣờng tốc độ dữ liệu, trong khi UE ở rìa tế bào đƣợc phân bổ ít RBs để tăng phạm vi phủ sóng. Khi đề ra chiến lƣợc điều khiển công suất để quản lý can thiệp, điều quan trọng để kiểm soát tỷ lệ các nhiễu về tạp âm nhiệt (IoT) dƣới một mức mục tiêu. • Nhiều cách khác nhau đƣợc cung cấp để tránh va chạm giữa các RS liên tế bào, trong đó có sự thay đổi theo chu kỳ nhảy tần, trình tự- nhóm nhảy tần và lập kế hoạch.
• Đối với PUCCH, cell-specific symbol-level cyclic shift hopping đƣợc áp dụng ngẫu nhiên nhiễu liên tế bào. Mỗi cặp PUCCH RB đƣợc ánh xạ cho cả hai cạnh của băng thông hệ thống để đạt đƣợc sự đa dạng tần số. Ngoài ra, PUCCH đƣợc ánh xạ khác nhau RBs trong miền tần số từ PUSCH có nghĩa rằng các kỹ thuật quản lý nhiễu độc lập (nhƣ điều khiển công suất) có thể đƣợc áp dụng cho điều khiển và các kênh dữ liệu.
• Kỹ thuật ICIC Uplink có thể đƣợc áp dụng sử dụng các OI(Overload Indicator) và gói tin HII (High Interference Indicator có thể đƣợc trao đổi giữa các eNodeBs.
28 | P a g e Xáo trộn đƣợc áp dụng cho các dữ liệu và kênh điều khiển, và cho downlink, nhiễu liên tế bào ngẫu nhiên.
2.6.1.3 Multiple Antenna Techniques
Downlink Spatial Multiplexing và Diversity. Các phƣơng pháp nhiều antenna đƣợc hỗ trợ bởi LTE đóng góp rất nhiều việc đạt đƣợc hiệu suất phổ tổng thể đối với Release 6 UMTS. Việc thực hiện chế độ vòng mở và vòng đóng không gian ghép kênh trong LTE hỗ trợ.
Uplink Multi-User MIMO. Trong uplink LTE , giải điều chế trực giao RSs có thể đƣợc giao cho UE nhiều, do đó cho máy thu eNodeB để ƣớc lƣợng các kênh của UE sắp xếp đồng thời để truyền tải cùng một tập hợp RBs.
2.6.1.4 Semi-Persistent Scheduling
SPS trong LTE có thể làm giảm bớt áp lực trên các kênh điều khiển công suất downlink hạn chế bằng cách thay thế tín hiệu lập lịch năng động với tín hiệu bán tĩnh. Điều này cho phép một số lƣợng lớn của UE đƣợc sắp xếp, đặc biệt là mang lại lợi ích cho các dịch vụ nhƣ Voice over IP (VoIP).
2.6.1.5 Short Subframe Duration and Low HARQ Round Trip Time
LTE có một subframe 1 ms cho cả uplink và downlink ngắn hơn subframe 2 ms của UMTS. Điều này dẫn đến giảm độ trễ (với một thời gian ngắn hơn HARQ Round Trip (RTT)) và lập lịch trình linh hoạt hơn nhiều ngƣời sử dụng trong miền thời gian.
2.6.1.6 Advanced Receivers
Những máy thu cao cấp cung cấp một phƣơng pháp thực hiện để tăng cƣờng hơn nữa năng lực của hệ thống LTE. Thích hợp cho cả uplink và downlink,máy thu tính toán trọng số kết hợp tín hiệu dựa vào kiến thức thống kê. Khả năng của một máy thu IRC để ngăn chặn sự nhiễu là một chức năng của nhiều yếu tố bao gồm số lƣợng và độ lớn của các tín hiệu nhiễu và số antenna thu.
2.6.1.7 Layer 1 and Layer 2 Overhead
Bất kỳ phần nào của các nguồn tài nguyên truyền dẫn tần số thời gian không đƣợc sử dụng trực tiếp để truyền dữ liệu cấu thành một nguyên cần thiết khi xem xét hiệu suất phổ tổng thể. Một thiết kế tiêu chuẩn cho LTE là để giảm thiểu overhead trong khi vẫn đạt đƣợc hiệu năng hệ thống và tính linh hoạt cao. Bảng 2-7 tóm tắt các nguồn chính của Layer 1 và Layer 2 Overhead trong truyền downlink LTE trong triển khai tần số 10MHz FDD, nhƣ là một tỷ lệ phần trăm của tổng các nguồn tài nguyên truyền tải trong thời gian một frame 10 ms.
Các đóng góp chính là băng tần bảo vệ, OFDM CP, RSS, và kênh điều khiển. Nó có thể đƣợc nhìn thấy rằng tỷ lệ phần trăm overhead tăng lên với số lƣợng antenna truyền, do overhead RS cao hơn cho số lƣợng lớn các cổng antenna.
29 | P a g e
Bảng 2-7 Phần trăm overhead trong downlink FDD LTE (tính trên frame 10ms cho băng thông hệ thống 10Mhz)
Source of over head 1 antenna ports 2 antenna ports 4 antenna ports
Guard bands (1MHz) 10.0 10.0 10.0
OFDM CP 6.0 6.0 6.0
Cell-specific RSs 4.0 8.0 12.0
Control channel (3 symbols) 17.0 16.0 14.0
Synchronization signals 0.29 0.29 0.29
PBCH 0.28 0.26 0.24
Total (%) 37.6 40.6 42.6
Tƣơng tự bảng 2-8tóm tắt các nguồn chính của Layer 1 và Layer 2 Overhead trong các uplink LTE FDD. Băng tần bảo vệ , CP, giải điều chế RSS và PUCCH tạo thành các tài nguyên của uplink overhead.
Bảng 2-8 Phần trăm overhead trong downlink FDD LTE (tính trên frame 10ms cho băng thông hệ thống 10Mhz)
Source of overhead Overhead (%)
Guard bands (1Mhz) 10
SC-FDMA CP 5.9
PUSCH demodulation RSs (2 symbol per subframe) 6.0
PUCCH (4RBs) 6.7
RACH (6 RBs, 10ms period) 1.1
SRS (48 RBs bandwidth, 10ms period) 0.55
Total (%) 30.3
2.6.2 LTE Capacity Evaluation
Trong phần này đƣợc đánh giá khả năng của LTE Release 8 cho các kế hoạch triển khai khác nhau.
Thông số quan trọng cho các mô hình đƣợc định nghĩa bởi ITU-R đƣợc mô tả nhƣ bảng 2-9 sau:
30 | P a g e
Bảng 2-9 Key parameters for 3GPP Case 1 and Case 3 models
Case 1 Case 3
Deployment scenario Macrocell Macrocell
Network layout Hexagonal grid Hexagonal grid
Channel model 3GPP Spatial Channel Model 3GPP Spatial Channel Model
Inter-Site Distance (ISD) 500m 1732m
Carrier frequency 2GHz 2GHz
eNodeB antenna height 32m 32m
eNodeB transmit power 43dBm (1.25MHz, 5MHz) 46 or 49dBm (10MHz, 20 MHz) 43dBm (1.25MHz, 5MHz) 46 or 49dBm (10MHz, 20 MHz) UE transmit power 23 or 24 dBm 23 or 24 dBm UE speed 3km/h 3km/h
4 môi trƣờng thử nghiệm ITU-R đƣợc quy định, mỗi trong số đó có thể đƣợc đại diện bởi một hoặc nhiều tình huống triển khai.
2.6.2.1 Downlink and Uplink Spectral Efficiency
Hình 2.15 cho thấy hiệu quả phổ trung bình và rìa tế bào của Release 8 LTE FDD downlink, nhƣ là một tỷ lệ tƣơng đối Release 6 HSDPA cho các 3GPP case 1 và case 3.
31 | P a g e
Hình 2.15 Hiệu quả phổ hướng downlink trong trường hợp 1 và 3
Việc thực hiện LTE giả định 2 × 2, 4 × 2, 4 × 4 cấu hình antenna MIMO với vòng kín, trong khi 1 × 2 đƣợc giả định cho HSDPA. Phân ly antenna eNodeB và UE đƣợc giả định là mƣời bƣớc sóng và một nửa bƣớc sóng tƣơng ứng; antenna nghiêng eNodeB không đƣợc giả định.
Kết quả cho thấy 2 × 2 cấu hình đáp ứng các yêu cầu hiệu suất LTE 3-4 lần hiệu quả quang phổ cao hơn trung bình và cao hơn 2-3 lần tế bào cạnh hiệu quả quang phổ hơn so với HSDPA. Điều này tăng đáng kể chủ yếu là do miền tần số nhiều ngƣời sử dụng lập lịch trình và truyền tải dòng dual-MIMO. Việc đạt đƣợc bổ sung từ 4 × 2 cấu hình antenna cũng có thể đƣợc nhìn thấy, biện minh cho overhead RS tăng lên.
Hình 2.16 cho thấy trung bình và tế bào cạnh hiệu quả quang phổ của 8 phát hành LTE FDD uplink so với phát hành 6 HSUPA. Đối với LTE một 1 × 2or1 × 4 cấu hình antenna đang giả định, và 1 × 2 cho HSUPA.
32 | P a g e
Hình 2.16 Hiệu quả phổ hướng uplink trong trường hợp 1 và 3
Kết quả cho thấy 1 × 2 LTE cấu hình đáp ứng các yêu cầu hiệu suất trung bình 2-3 lần cao hơn và hiệu quả cạnh tế bào quang phổ hơn so với HSUPA. Điều này chủ yếu là do trong tế bào trực giao và tần số miền lập kế hoạch đa ngƣời sử dụng của LTE. Các con số rõ ràng cho thấy hiệu quả của việc tăng số lƣợng antenna nhận đƣợc.
2.6.2.2 VoIP Capacity
Hình 2.17 cho thấy khả năng VoIP cho 3GPP và các tình huống triển khai của ITU-R. Khả năng VoIP thƣờng đƣợc đánh giá về số lƣợng ngƣời sử dụng trên một tế bào. Đối với các tình huống ITU-R, khả năng VoIP đƣợc định nghĩa là tối thiểu dung lƣợng downlink và uplink. Một ngƣời sử dụng VoIP đƣợc coi là mất nếu độ trễ lớn hơn 50 ms. Ứng dụng của SPS để VoIP giúp để tránh bất kỳ hạn chế về năng lực PDCCH, vì thế cho phép một số lƣợng lớn ngƣời sử dụng VoIP để đƣợc hỗ trợ ở cả uplink và downlink.
33 | P a g e
Hình 2.17 Dung lượng VoIP
2.6.3 LTE Coverage and Link Budget
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