Nghiên cứu xử lý lớp vật lý đường lên công nghệ 4g LTE advanced cho mạng di động băng rộng

Hình 1.9: Phát triển tốc độ số liệu đỉnh của 3GPP Hình 3.24: Nâng cao thời gian đường lên Giá trị định thời phát trước cho mỗi thiết bị đầu cuối di động được mạng xác định dựa trên đo tr

-

DƯƠNG TOÀN TRUNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ LỚP VẬT LÝ ĐƯỜNG LÊN CÔNG NGHỆ 4G LTE-ADVANCED CHO MẠNG DI ĐỘNG BĂNG RỘNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.NGUYỄN MINH DÂN

HÀ NỘI - 2012

Luận văn được hoàn thành tại

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.NGUYỄN MINH DÂN

Phản biện 1:……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc ……… giờ ……… ngày …… tháng … năm ……

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Công nghệ LTE dự tính triển khai trong năm 2015 ở Việt Nam với

yêu cầu ngày càng cao sẽ tạo điều kiện cho em có thể nghiên cứu

hoàn thiện hơn nữa luận văn này

MỞ ĐẦU

Ngay từ khi ra đời cho đến nay, thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu liên lạc của con người Với nhu cầu sử dụng di động ngày càng cao cả về chất lượng và dịch vụ, thông tin di động không ngừng cải tiến, phát triển nhằm mục đích triển khai các

hệ thống thông tin di động tiên tiến hơn trong tương lai Công nghệ thông tin di động được chia làm nhiều thế hệ và không ngừng phát triển từ 1G, 2G lên 3G, Tuy nhiên, thị trường viễn thông ngày càng phát triển mở rộng cho thấy rõ những hạn chế về tốc độ số liệu, độ trễ, dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động mà 3G HSPA không thể đáp ứng được Quá trình nghiên cứu phát triển tăng cường LTE lên LTE-Advanced (4G) với việc đưa ra nghiên cứu công nghệ trong đó ngày càng trở nên cấp thiết đặc biệt là với đường lên còn nhiều mới mẻ

Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo

PGS.TS Nguyễn Minh Dân, cùng với nỗ lực bản thân, đến nay em

đã hoàn thành luận văn của mình với đề tài “Nghiên cứu xử lý lớp vật lý đường lên công nghệ 4G LTE-Advanced cho mạng di động băng rộng” Nội dung luận văn bao gồm ba chương:

- Chương 1: Trình bày tổng quan phát triển hệ thống thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến 4G LTE/LTE-Advanced

- Chương 2: Trình bày một số công nghệ cho phát triển 4G LTE/LTE-Advanced

- Chương 3: Trình bày xử lý lớp vật lý đường lên trong 4G

LTE/LTE-Advanced

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ

4G LTE/LTE-ADVANCED

Chương này tập trung giới thiệu cái nhìn bao quát về lộ trình

phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ trước đến 4G

LTE-Advanced Những yêu cầu cấp thiết và ưu điểm của hệ thống 4G

LTE-Advanced R10 cũng được đưa ra xem xét

Viễn thông đã trở thành phương tiện liện lạc hằng ngày

Trong thập kỷ qua, nó đã phát triển từ một công nghệ chi phí cao

dành cho một số cá nhân thành một hệ thống được hầu hết mọi người

sử dụng Công nghệ viễn thông được chia thành các thế hệ khác

nhau, 1G là thế hệ sóng liên lạc của những năm 1980, 2G là hệ thống

điện thoại kỹ thuật số đầu tiên, 3G là hệ thống điện thoại dùng băng

rộng đầu tiên Kế hoạch phát triển lâu dài (LTE) thường được gọi là

“4G”, nhưng có rất nhiều người nói rằng LTE phiên bản 10, cũng

được biết đến là LTE nâng cao, mới thực sự là 4G Với biên bản ra

đời đầu tiên của LTE, (phiên bản 8), sau đó được đổi thành 3.9G

Việc tăng lên trong các dãy số chỉ là vấn đề tên gọi Điều quan trọng

là khả năng thực sự của hệ thống và cách phát triển của chúng

Trong vấn đề này, cần chú ý rằng LTE và LTE nâng cao là

một công nghệ, với từ nâng cao được thêm vào để đánh dấu quan hệ

giữa LTE phiên bản 10 (LTE nâng cao và ITU/IMT nâng cao) Điều

này không làm LTE nâng cao khác với LTE và nó cũng không phải

là bước cuối cùng trong công nghệ của LTE Một mặt khác quan

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trong vòng hai thập kỷ gần đây viễn thông là lĩnh vực có tốc

độ phát triển nhanh đến chóng mặt, đặc biệt là thông tin di động Điều đó đã tạo một cơ sở hạ tầng rộng khắp, làm cho các loại hình dịch vụ càng trở lên đa dạng, phong phú với chất lượng dịch vụ nâng cao, đáp ứng được các nhu cầu của con người và xã hội LTE đại diện cho một bước tiến trọng yếu trong những khả năng của thông tin

di động LTE đã được chuẩn hoá bởi 3GPP, đưa ra một kiến trúc mặt phẳng dựa trên nền tảng IP đơn giản trong phiên bản R8 Để tăng khả năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, 3GPP đã tiếp tục phát triển và chuẩn hóa trong các phiên bản LTE từ R8 lên R10

và phát triển các phiên bản khác trong tương lai cho phép cải thiện tốc độ truyền dẫn dữ liệu ở cả đường xuống và đường lên

Mạng 4G LTE-Advanced R10 đã cải thiện dung lượng mạng đáng kể đặc biệt là đối với đường lên sử dụng các phương thức xử lý kênh giao vận, báo hiệu tham khảo, truyền dữ liệu đa anten, báo hiệu điều khiển L1/L2, hiệu chỉnh thời gian UE khả năng cao nhất có thể đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh là 3 Gbps cho đường xuống và 1,5 Gbps cho đường lên ở dải tần cấp phát 100MHz, do đó cho phép các nhà khai thác có thể đưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện QoS của các dịch vụ hiện có và đạt chi phí thấp nhất

Ở Việt Nam hiện nay LTE đặc biệt là LTE-Advanced phiên bản 10 còn nhiều mới mẻ cùng với sự phát triển mạnh mẽ của viễn thông thế giới mà cụ thể là LTE R11 đang nghiên cứu triển khai

bị mất Khi đó để khởi động lại truyền dẫn số liệu đường lên, trước

tiên cần thực hiện giai đoạn đồng bộ lại thời gian đường xuống bằng

cách sử dụng phương pháp truy cập ngẫu nhiên trước khi truyền

PUSCH hoặc PUCCH ở đường lên

Với tập hợp sóng mang, có thể có những sóng mang thành

phần được truyền từ một thiết bị đầu cuối Về nguyên tắc, định thời

phát trước khác nhau cho các sóng mang thành phần khác nhau được

hình dung Thúc đẩy việc này là các tập hợp sóng mang liên dải, nơi

các sóng mang thành phần khác nhau nhận được tại các vị trí địa lý

khác nhau như là sử dụng thiết bị vô tuyến từ xa cho một trong số các

dải tần Tuy nhiên, việc triển khai này không phổ biến và vì lợi ích là

sự đơn giản, LTE sử dụng một thời gian trước duy nhất ra lệnh cho

tất cả các sóng mang thành phần đường lên

trọng nữa là các công việc trong việc phát triển LTE và LTE nâng cao là một phần trong việc phát triển 3GPP, cũng chính là diễn đàn

đã phát triển hệ thống 3G đầu tiên (WCDMA/HSPA) Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của công nghệ thông tin di động, có thể mô

tả quá trình tiến tới 4G LTE/LTE-Advanced của các công nghệ hiện

có như dưới đây

Hình 1.1: Quá trình phát triển công nghệ thông tin di động đến 4G

LTE được định nghĩa là những kết nối vô tuyến mới của những mạng di động với nhiều ưu điểm Và sẽ sử dụng OFDM là công nghệ điều chế được sử dụng rộng rãi, như trong Wimax, Wi-Fi

và những công nghệ quảng bá số DVB và DAB Thế hệ tiếp theo đẩy tốc độ số liệu ngày càng cao Sự phát triển tốc độ số liệu đỉnh người dùng được mô tả trong hình dưới Đầu tiên WCDMA triển khai năm

2002 đưa ra 384kbps, mạng HSDPA đầu tiên 3.6 – 14 Mbps, HSPA+

21 – 168 Mbps, LTE 150 – 300 Mbps và LTE-Advanced 1Gbps và

tăng lên hơn 2000 lần qua chu kỳ 10 năm một

Các thành phần công nghệ chính trong phiên bản 10

LTE-Advanced bao gồm:

- Tập hợp sóng mang con lên tới 40 MHz toàn bộ dải tần và

sau đó có khả năng lên tới 100 MHz

- Phát triển MIMO lên tới 8*8 ở đường xuống và 4*4 ở

đường lên

- Các node chuyển tiếp cung cấp các giải pháp truyền tải đơn

giản

- Các mạng không đồng nhất được tối ưu hóa ảnh hưởng giữa

các lớp ô bao gồm macro, micro, pico và femto cell

Hình 1.9: Phát triển tốc độ số liệu đỉnh của 3GPP

Hình 3.24: Nâng cao thời gian đường lên

Giá trị định thời phát trước cho mỗi thiết bị đầu cuối di động được mạng xác định dựa trên đo truyền dẫn đường lên tương ứng Vì thế chừng nào đầu cuối di động còn tiến hành truyền dẫn đường lên, truyền dẫn này còn được trạm gốc thu sử dụng để ước tính định thời thu đường lên và đây sẽ là cơ sở cho các lệnh định thời phát trước

Nếu đầu cuối di động không phát bất cứ thứ gì trên đường lên trong một thời gian dài, sẽ không thể thực hiện được truyền dẫn đường lên Trong trường hợp này, đồng bộ thời gian đường lên có thể

hiệu phát đi từ các đầu cuối di động khác nhau phải tới trạm gốc gần

như đồng bộ thời gian, hay mất đồng bộ thời gian chỉ cho phép nhiều

nhất là một phần CP Để đảm bảo điều này, LTE có cơ chế định thời

phát trước Về nguyên lý cơ chế này giống như điều khiển định thời

đường lên cho OFDM

Về bản chất, định thời phát trước là một đoạn dịch âm tại đầu

cuối di động giữa đầu khung con thu đường xuống và khung con phát

đường lên Bằng cách đặt khoảng dịch thích hợp cho từng đầu cuối di

động, mạng có thể điều khiển định thời các tín hiệu thu được tại trạm

gốc từ các đầu cuối di động Các đầu cuối di động xa so với trạm gốc

bị trễ truyền sóng lớn hơn và vì thế cần bắt đầu phát đường lên hơi

sớm hơn so với các đầu cuối di động gần trạm gốc hơn như minh họa

trên hình 3.24 Trong ví dụ này, thiết bị đầu cuối đầu tiên nằm gần

trạm gốc hơn và có trễ truyền sóng nhỏ TP,1 Vì thế đối với đầu cuối

di động này, một giá trị định thời phát trước TA,1 nhỏ là đủ để bù

đắp cho trễ truyền sóng và đảm bảo định thời đúng tại trạm gốc Trái

lại, đầu cuối di động thứ hai do đặt ở xa trạm gốc hơn nên trễ truyền

sóng TP,2 lớn hơn, vì thế đối với nó cần có giá trị dịch định thời phát

trước TA,2 lớn hơn

Các đặc điểm LTE-Advanced R10 được thiết kế tích hợp linh hoạt tương thích với các đầu cuối LTE R8 để có thể sử dụng chung

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHO PHÁT

TRIỂN LTE/LTE-ADVANCED

Mục đích chính của phát triển các hệ thống thông tin di động

tiến lên 4G LTE-Advanced và cao hơn nữa là cung cấp các tốc độ số

liệu cao hơn cho các người sử dụng đầu cuối so với trước đây như là

các phiên bản đầu tiên của 3G tiêu chuẩn Điều này không chỉ bao

hàm khả năng các tốc độ đỉnh cao hơn mà còn đảm bảo tốc độ cao

hơn này trên toàn bộ ô kể cả tại biên ô Để đạt được yêu cầu đó, một

số công nghệ cho phát triển LTE/LTE-Advanced về truyền dẫn số

liệu tốc độ cao, lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ trong

thông tin di động được đưa ra xem xét và áp dụng Phương thức truy

nhập gói đường lên tốc độ cao 3G HSUPA cũng được đề cập để có

cái nhìn cụ thể hơn về bước tiến LTE/LTE-Advanced sau này

2.2 Truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong thông tin di động

Truyền dẫn tốc độ cao (băng rộng) có thể bị giới hạn bởi các

yếu tố: Băng thông hạn chế, tạp âm, nhiễu, méo dạng tín hiệu do ảnh

hưởng pha đinh chọn lọc tần số của đường truyền

Với yếu tố đầu tiên khi công suất tín hiệu thu còn đủ lớn, có

thể sử dụng điều chế bậc cao hay các sơ đồ anten dựa trên ghép kênh

không gian

Với yếu tố thứ hai để đạt được các tốc độ số liệu cao hơn có

thể tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm bằng cách giảm kích thước ô để

giảm cự ly phủ sóng, kết hợp hợp lý các tín hiệu thu tại nhiều anten

của tổng băng thông hệ thống khả dụng Mỗi tài nguyên như vậy bao gồm 12 sóng mang con (một khối tài nguyên) trong từng khe của một phân khung đường lên Để đảm bảo phân tập tần số, các tài nguyên tần số có thể nhảy tần trên biên khe, nghĩa là một tài nguyên điều khiển L1/L2 gồm 12 sóng mang con tại biên trên của phổ trong khe thứ nhất của một bán khung và một tài nguyên cùng kích cỡ được đặt tại phần thấp của phổ trong khe thứ khai của khung con hoặc ngược lại Nếu cần nhiều tài nguyên hơn cho báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2, chẳng hạn trong trường hợp tổng băng thông lớn để hỗ trợ số người sử dụng lớn, các khối tài nguyên bổ sung có thể được ấn định ngay cạnh các khối tài nguyên được ấn định trước đó

Hình 3.23: Cấu trúc tài nguyên sử dụng cho báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên trong trường hợp không truyền dẫn đồng thời UL-SCH

3.5.Hiệu chỉnh thời gian đường lên

Sơ đồ truyền dẫn đường lên LTE dựa trên DFTS-OFDM đảm bảo tính trực giao nội ô, nghĩa là truyền dẫn đường lên thu được từ các đầu cuối di động khác nhau không gây nhiễu cho nhau tại máy thu Yêu cầu cơ bản để đảm bảo tính trực giao đường lên là các tín

HSPA, các báo cáo CQI có thể được mạng sử dụng để lập biểu phụ

thuộc kênh đường xuống và điều khiển tốc độ Tuy nhiên, khác với

HSPA và do lập biểu đường xuống của LTE có thể được thực hiện cả

trong miền thời gian và tần số nên các báo cáo LTE CQI chỉ thị chất

lượng kênh cả trong miền thời gian và miền tần số

- Các yêu cầu lập biểu để chỉ thị rằng một đầu cuối di động

cần tài nguyên cho truyền dẫn UL-SCH

Khác với đường xuống, ở đây không có báo hiệu đường lên

để chỉ thị khuôn dạng truyền tải cho mạng Vì các đầu cuối di động

luôn luôn phải tuân theo các cho phép lập biểu nhận được từ mạng

trong đó khuôn dạng truyền tải UL-SCH được đặc tả Vì thế mạng

biết từ trước khuôn dạng truyền tải được sử dụng cho truyền dẫn

UL-SCH và không có lý do gì để phải báo hiệu tường minh nó trên

đường lên Với lý do tương tự, cũng sẽ không có thông báo tường

minh về thông tin liên quan đến HARQ của UL-SCH

Báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 nói trên cần được phát

trên đường lên không phụ thuộc vào việc đầu cuối di động có số liệu

kênh truyền tải đường lên (UL-SCH) để phát hay không và vì thế

không phụ thuộc vào việc đầu cuối di động có được ấn định tài

nguyên đường lên để truyền dẫn UL-SCH hay không

Nếu đầu cuối di động không được ấn định tài nguyên đường

lên cho truyền dẫn UL-SCH, thì thông tin điều khiển L1/L2 (CQI,

các công nhận HARQ và các yêu cầu lập biểu) sẽ được phát trên các

tài nguyên được ấn định đặc biệt cho điều khiển đường lên L1/L2

Như minh họa trên hình 3.23, các tài nguyên này được đặt tại biên

và sử dụng tạo búp bằng nhiều anten phát tập trung công suất phát về phía máy thu đích

Với yếu tố thứ ba có thể sử dụng biện pháp giảm kích thước

ô sẽ giảm số người sử dụng và vì thế giảm lưu lượng trên một ô Nhờ vậy giảm mức nhiễu tương đối cho phép đạt được các tốc độ số liệu cao hơn Cùng với kết hợp hợp lý các tín hiệu thu tại nhiều anten và

sử dụng tạo búp bằng nhiều anten phát tập trung công suất phát về phía máy thu đích giúp tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu hệ thống

Đối với yếu tố cuối cùng có thể sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang kết hợp bộ cân bằng tại máy thu và truyền dẫn đa sóng mang

mà đặc biệt là OFDM

2.2.3.Truyền dẫn đa sóng mang

Một cách để tăng tổng băng thông truyền dẫn mà không làm hại tín hiệu do chọn lọc tần số kênh vô tuyến là sử dụng truyền dẫn

đa sóng mang Như mô tả trong hình vẽ dưới đây, trong truyền dẫn

đa sóng mang, thay vì truyền một tín hiệu băng rộng, nhiều tín hiệu băng hẹp (thường được gọi là các sóng mang con) được ghép kênh theo tần số và được truyền đồng thời trên cùng một đường truyền vô tuyến đến cùng một máy thu

Hình 2.5: Nguyên lý OFDM áp dụng cho đường xuống của LTE

Một giải pháp sử dụng truyền đa sóng mang cho phép tiết

kiệm băng thông là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDM LTE sử dụng giải pháp này cho đường xuống Nguyên lý

tổng quát OFDM trong trường hợp này được minh họa ở trên

Đối với đường lên, để giảm ảnh hưởng của tỷ số công suất

đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn ở OFDM, đường lên sử

dụng một phương pháp cải tiển của OFDM cho phép truyền tín hiệu

giống như đơn sóng mang với tên gọi SC-FDMA được minh họa

trong hình dưới đây (Với DFT: biến đổi Fourier rời rạc, IDFT: biến

đổi Fourier rời rạc ngược, FFT: biến đổi Fourier nhanh, IFFT: biến

đổi Fourier nhanh ngược, MMSE: Sai số bình phương trung bình cực

tiểu)

trường hợp thiết bị đầu cuối với truyền tải đa anten, mong muốn sử dụng tất cả các đầu cuối anten và các bộ khuyếch đại công suất đầu cuối tương ứng để điều khiển báo hiệu L1/L2 trên PUCCH để có thể tận dụng đầy đủ sức mạnh và đạt được sự đa dạng tối đa Để thêm sự

đa dạng, LTE R10 cũng giới thiệu khả năng đa dạng truyền tải hai anten cho PUCCH Sự đa dạng truyền tải hỗ trợ cho PUCCH được gọi là SORTD

Nguyên tắc cơ bản của SORTD là truyền báo hiệu điều khiển đường lên bằng cách sử dụng các tài nguyên khác nhau (thời gian, tần số và mã hóa) trên các anten khác nhau Về bản chất, truyền tải PUCCH từ hai anten sẽ giống hệt truyền bằng PUCCH từ hai thiết bị đầu cuối khác nhau sử dụng các tài nguyên khác nhau Như vậy, SORTD tạo ra sự đa dạng nhưng đạt được điều này bằng cách sử dụng tài nguyên gấp đôi dùng PUCCH so với truyền dẫn khác

3.4.Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên

Giống như đường xuống LTE, cũng cần có một dạng báo hiệu điều khiển đường lên (điều khiển đường lên L1/L2) nào đó để

hỗ trợ truyền dẫn các kênh truyền tải đường xuống (DL-SCH) và đường lên (UL-SCH) Báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 bao gồm:

- Các công nhận HARQ đối với các khối truyền tải DL-SCH thu được

- CQI (chỉ thị chất lượng kênh) để chỉ thị chất lượng kênh đường xuống dựa trên ước tính bởi đầu cuối di động Tương tự như