Hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced sử dụng trạm lặp thông minh

Nội dung chính của đồ án: Phần 1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động LTELTEAdvanced Phần 2 Hệ thống thông tin di động LTELTEAdvanced sử dụng trạm lặp thông minh Phần 3 Một số giải pháp cho hệ thống thông tin di động LTELTEAdvanved sử dụng trạm lặp thông minh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

VIỆN KHOA HỌC KỸ THUẬT BƯU ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: “Hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced

sử dụng trạm lặp thông minh”

Giảng viên hướng dẫn : TS.TRƯƠNG TRUNG KIÊN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHÚC DƯƠNG

Lớp : D08VT1 Khoá : 2008-2012

Hệ : Chính quy

Hà Nội, tháng 11 /2012

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

VIỆN KHOA HỌC KỸ THUẬT BƯU ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: “Hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced

sử dụng trạm lặp thông minh”

Giảng viên hướng dẫn : TS TRƯƠNG TRUNG KIÊN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHÚC DƯƠNG

Lớp : D08VT1 Khoá : 2008-2012

Hệ : Chính Quy

Hà Nội, tháng 11 /2012

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN PHÚC DƯƠNG

Ngành đào tạo: Điện tử Viễn thông Hệ đào tạo: Chính Quy

1/ Tên đồ án tốt nghiệp:

Hệ thống thông tin di động sử dụng trạm lặp thông minh (smart relay)

2/ Nội dung chính của đồ án:

Chương/Phần 1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced

Chương/Phần 2 Hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced sử dụng trạm lặp thông minhChương/Phần 3 Một số giải pháp cho hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanved sử

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

TS.Trương Trung kiên Nguyễn Phúc Dương

TRƯỞNG KHOA

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với nhữngứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằngngày Để đáp ứng nhu cầu lớn của người sử dụng ở khắp mọi nơi, những nơi mà khótriển khai lắp đặt trạm gốc người ta đã nghiên cứu đến trạm lặp để tăng phạm vi vùngphủ sóng, độ tin cậy khi truyền tin và tốc độ dữ liệu Mặc dù các trạm lặp truyền thống

đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn vi ba cũng như các hệ thốngtruyền dẫn số khác Tuy nhiên, các trạm lặp này chỉ có chức năng thu nhận tín hiệu từphía phát sau đó hoặc là khuếch đại tín hiệu rồi chuyển tiếp đến phía thu hoặc là giải

mã rồi mới chuyển tiếp thông tin đến đích Những trạm lặp truyền thống phù hợp vớimôi trường truyền dẫn vô tuyến tầm nhìn thẳng (LOS) để tăng cự ly truyền dẫn củacác tuyến thông tin vô tuyến số Tuy nhiên, trong trường hợp của các mạng thông tin

vô tuyến di động mà ở đó truyền dẫn đa đường (multipath) là phổ biến thì chức năngcủa trạm lặp như vậy sẽ không lợi dụng được đặc tính quảng bá của sóng vô tuyếncũng như lợi dụng đặc tính thay đổi của kênh fading Vì thế, khái niệm trạm lặp thôngminh, hay còn gọi là trạm chuyển tiếp thông minh, được đưa ra để áp dụng cho cácmạng vô tuyến di động tế bào

Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu hệ thống trạm lặp thông minh em đã thực

hiện đồ án: “Hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced sử dụng trạm lặp thông

minh” Đồ án này gồm 3 chương, với nội dung chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động Advanced.

LTE/LTE-Chương 2: Hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced sử dụng trạm lặp thông minh.

Chương 3: Giải pháp điều khiển công suất kết hợp trong hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced sử dụng trạm lặp thông minh.

Trong đồ án này em sử dụng thuật ngữ “trạm lặp” và “trạm chuyển tiếp” có vaitrò như nhau Tùy vào từng trường hợp mà sử dụng

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của cácthầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS TRƯƠNG TRUNG KIÊN và các thầy côgiáo đã giúp em hoàn thành đồ án này !

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2012

Sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

LTE/LTE-ADVANCED 1

1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC THẾ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G) 1

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G) 2

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G) 3

1.1.4 Tiền 4g: LTE (Long Term Evolution) 3

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE (TIỀN 4G) 5

1.2.1 Định nghĩa 5

1.2.2 Ưu điểm 5

1.2.4 Kỹ thuật MIMO trong LTE 7

1.3 CÔNG NGHỆ LTE-ADVANCED 10

1.3.1 Định nghĩa 10

1.3.2 Kiến trúc mạng LTE-Advanced 10

1.3.3 Những công nghệ đề xuất cho LTE-Advanced 11

1.3.3.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần 11

1.3.3.2 Giải pháp đa anten 12

1.3.3.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 12

1.3.3.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp 14

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/LTE-ADVANCED SỬ DỤNG TRẠM LẶP THÔNG MINH 15

2.1 TỔNG QUAN VỀ TRẠM LẶP VÀ TRẠM LẶP THÔNG MINH 15

2.1.1 Các động lực triển khai trạm lặp 15

2.1.2 Trạm lặp thông minh 18

2.1.2.1 Định nghĩa trạm lặp thông minh 18

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của trạm lặp 19

2.1.3.1 Ưu điểm của trạm lăp 19

2.1.3.2 Nhược điểm của trạm lặp 22

2.2 LTE-ADVANCED VÀ TRẠM LẶP THÔNG MINH 23

2.2.1 LTE-Advanced 23

2.2.2 Trạm lặp trong LTE-Advanced 24

2.2.3 Phân loại trạm lặp 25

2.2.3.1 Trạm lặp dựa trên các phương thức chuyển tiếp 25

2.2.3.2 Trạm lặp dựa trên cơ sở hạ tầng 27

2.2.3.3.Trạm lặp dựa trên giao thức 31

2.2.3.4 Trạm lặp dựa trên sử dụng tài nguyên 34

2.2.3.5 Trạm lặp dựa trên kiến thức UE 34

2.2.4 Truy nhập vô tuyến cho các trạm lặp 35

2.2.4.1 Cấu hình khung vô tuyến cho các trạm lặp 36

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/LTE-ADVANCED SỬ DỤNG TRẠM LẶP THÔNG MINH 37

3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 37

3.1.1 Khái niệm 37

3.1.2 Ý nghĩa của điều khiển công suất 37

3.1.3 Phân loại điều khiển công suất 38

3.1.3.1 Điều khiển công suất cho đường xuống và đường lên 39

3.1.3.2 Điều khiển công suất phân tán và tập trung 39

3.1.3.3 Điều khiển công suất theo phương pháp đo 39

3.2 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KẾT HỢP TRẠM LẶP VÀ TRẠM GỐC TRONG MẠNG THÔNG TIN DI DỘNG LTE/LTE-ADVANCED 40

3.2.1 Giới thiệu 40

3.2.2 Mô hình hệ thống 41

3.2.3 Giải pháp điều khiển công suất kết hợp 43

3.2.4 Quá trình thực hiện 47

3.2.4.1 Quá trình thực hiện ở trạm gốc (BS) 47

3.2.4.2 Quá trình hoạt động tại trạm lặp (RS) 50

3.2.4.3 Quá trình hoạt động tại trạm di động (MS) 54

KẾT LUẬN 56

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sự phát triền trong mạng 2G……… ………… 2

Hình 1.2 Sự hội tụ của nhiều công nghệ tạo nên mạng 4G……… …….4

Hình 1.3 Kiến trúc mạng LTE……… …….7

Hình 1.4 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO……… … 8

Hình 1.5 Ghép kênh không gian……… … 9

Hình 1.6 Kiến trúc mạng LTE-Advanced……….10

Hình 1.7 Ví dụ về khối kết tập sóng mang………12

Hình 1.8 Truyền dẫn đa điểm phối hợp………13

Hình 1.9 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced……….14

Hình 2.1 (a) Giải pháp thu nhỏ cell và dùng nhiều BTS; (b): Giải pháp dùng trạm chuyển tiếp………

…… 17

Hình 2.2 Mô hình truyền dẫn dùng trạm lặp thông minh……… ………18

Hình2.3 Biểu diễn lợi thế của hiệu suất thông qua trạm lặp……….20

Hình 2.4 Trình diễn cân bằng tải với chuyển tiếp……….22

Hình 2.5 Mạng với nút chuyển tiếp ……… 25

Hình 2.6 Ứng dụng của chuyển tiếp cố định, cơ động, và điện thoại di động……… 28

Hình 2.7 Chuyển tiếp nút cố định……… 29

Hình 2.8 Chuyển tiếp nút cơ động ……….… 30

Hình 2.9 Chuyển tiếp nút di động……….31

Hình 2.10 Tổng quan của công nghệ chuyển tiếp lớp 3………33

Hình 2.11 Chuyển tiếp minh bạch và không minh bạch……….… 35

Hình 2.12 Cấu hình khung vô tuyến cho trặm lặp……….36

Hình 3.1 Công suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc………38

Hình 3.2 Mô hình hệ thống truyền thông tin từ 1 trạm gốc tới 2 thiết bị đầu cuối sử dụng 2 trạm lặp dành riêng………42

Hình 3.3 Hoạt động điều khiển công suất tại trạm gốc (BS)……….48

Hình 3.4 Hoạt động điều khiển công suất tại trạm lặp (RS)……….………….51

Hình 3.5 Hoạt động tại trạm di động (MS)……… 54

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE……….….6Bảng 2.1 So sánh các yêu LTE và LTE-Advanced………24Bảng 2.2 Nét đặc trưng khác nhau của các công nghệ chuyển tiếp vô tuyến …… 32

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

1 AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

2 AMPS Advanced Mobile Phone

System

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

3 APS Average Power Scaling Mở rộng quy mô công suất

trung bình

4 ARQ Automatic Retransmission

Query

Yêu cầu tự động truyền lại

7 BSC Base Station Central Trung tâm trạm gốc

8 BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di động

9 CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân mã

10 CA Carrier Aggregation Tập hợp các nhà cung cấp

11 CF Compress-and-Forward Nén và chuyển tiếp

12 COMP Coordinated Multi Point Phối hợp đa điểm

13 CSI Channel State Information Kênh thông tin trạng thái

14 DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

16 EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS

17 EF Estimate-and-Forward Dự toán và chuyển tiếp

18 FDD Frequency Division Duplex Truyền song công phân chia

theo tần số

19 FDMA Frequency Division Mutiple

Access

Đa truy nhập phân tần số

20 FM Frequency Modulation Điều chế tần số

21 F-RS Fixed Relay Station Trạm chuyển tiếp cố định

22 GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

23 GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

24 HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

25 ITU International

Telecommunication Union

Liên minh Viễn thông Quốc tế

27 LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

28 MBSFN Methods Broadcast Single

Frequency Network

Phương pháp mạng phát sóng tần số duy nhất

29 MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

30 MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý tính di động

31 M-RS Mobile Relay Station Trạm chuyển tiếp điện thoại di

động

33 N-RS Nomadic Relay Station Trạm chuyển tiếp cơ động

37 RNC Relay Node Central Trung tâm nút chuyển tiếp

38 RSSI Received Signal Strength

Indicator

Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được

40 SDMA Space Domain Multiple Access Đa truy nhập miền không gian

41 SIR Signal to Interference Tín hiệu trên tạp âm

42 SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

43 TDD Time Division Duplex Truyền song công phân chia

theo thời gian

44 TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân theo thời

gian

47 UMTS Universal Mobile

Telecommunications Systems

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

LTE/LTE-ADVANCED

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Xã hộicàng phát triển nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin

di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệthống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ thế hệ thứ 1, thế hệ thứ

2, thế hệ thứ 3 và đang phát triển tới thế hệ thứ 4

Một trong những phát minh vĩ đại nhất của con người trong thời gian khoảngthập niên 80 là việc con người đã phát minh ra điện thoại di động Điện thoại di độngđem lại lợi ích vô cùng lớn cho con người, trong mọi lĩnh vực thông tin liên lạc, nógiúp con người xích lại gần nhau không phân biệt khoảng cách xa gần, xóa bỏ khoảngcách không gian về địa lý mọi người đều có thể trực tiếp nói chuyện với nhau điều nàygóp phần to lớn trong việc trao đổi buôn bán giao lưu kinh tế nó tham gia một cáchtích cực vào cuộc sống của con người Kể từ khi điện thoai di động ra đời nó đã trởthành thiết bị mang tính chuyên biệt rồi trở thành vật dụng thiết yếu đối với mỗi conngười trong cuộc sống và sinh hoạt Qua hai thập kỷ gần đây với sự phát triển khôngngừng của khoa học công nghệ nói chung và công nghệ di động nói riêng đã có nhữngbước tiến đáng kể nó đã đáp ứng được rất nhiều các dịnh vụ mà con người cần thiết

Ví dụ: từ các dịch từ đơn thuần như nghe gọi, nhắn tin, cho đến các dịch vụ dữ liệu caohơn như truy nhập Internet và truyền hình qua máy di động

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G)

Hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên (1G) được phát triển vào những nămcuối thập niên 70, sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự (FM) Hệ thống điện thoại di độngtiên tiến (AMPS) là hệ thống điển hình cho các hệ thống thế hệ đầu tiên AMPS đượcphát triển bởi Bell Telephone System Nó sử dụng kỹ thuật FM cho truyền dẫn thoại vàbáo hiệu số cho thông tin điều khiển Các hệ thống thế hệ đầu tiên khác bao gồm:

• AMPS băng hẹp (NAMPS)

• Toàn bộ các hệ thống phương tiện truy nhập (TACS)

• Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu (NMT-900)

Tất cả các hệ thống di động thế hệ đầu tiên đều sử dụng kỹ thuật đa truy nhậpphân chia theo tần số (FDMA), trong đó mỗi kênh được gán cho một cặp tần số duynhất trong một cụm của tế bào

Nhược điểm:

• Dung lượng thấp

• Kỹ thuật chuyển mạch tương tự.

• Xác suất rớt cuộc gọi cao

• Khả năng chuyển cuộc gọi giữa các tế bào ko tin cậy

• Chất lượng âm thanh rất kém

• Không có chế độ bảo mật

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai ( 2G)

Sự phát triển nhanh chóng về số lượng người dùng và sự không thích hợp củacác hệ thống thế hệ đầu tiên là lý do chính của sự phát triển lên các hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ hai (2G) Các hệ thống thế hệ thứ hai có ưu điểm về kĩ thuật nén và

mã hoá trong công nghệ số Tất cả hệ thống thế hệ hai sử dụng kỹ thuật điều chế số

Kỹ thuật đa truy nhập như đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truynhập phân chia theo mã (CDMA) đều được sử dụng cùng với FDMA trong các hệthống thế hệ thứ hai Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai gồm:

• Hệ thống thông tin di động của Mỹ (USDC) chuẩn IS-54 và IS-136

• Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM)

• Hệ thống thông tin di động Thái Bình Dương (PDC)

• CdmaOne

Thông tin di động thế hệ hai mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng vì là hệ thốngbăng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh, nên không thể đáp ứngđược các dịch vụ mới Chính vì vậy, ITU đã đưa ra đề án để tiêu chuẩn cho hệ thốngthông tin di động thế hệ ba

Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệthứ nhất (bao gồm GSM và CDMA)

Hình 1.1 Sự phát triền trong mạng 2G

• Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM)

• Dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD)

• Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp (GPRS)

• Tốc độ truyền dữ liệu nhanh cho GSM (EDGE)

Ưu điểm:

• Dung lượng lớn.

• Bảo mật với độ tin cậy cao (High Security)

• Nhiều dịch vụ kèm theo như truyền dữ liệu, fax, SMS (tin nhắn)

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 ( 3G)

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đang được thiết kế để hỗ trợ các dịch

vụ băng rộng như: dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao, video và truyền dẫn ảnh chấtlượng cao với cùng chất lượng như các mạng đã có trước Yêu cầu nữa của hệ thốngthông tin di động thế hệ thứ 3 là:

• Chất lượng thoại có thể so sánh với mạng thoại chuyển mạch công cộng(PSTN)

• Hỗ trợ tốc độ số liệu cao

• Hỗ trợ cả dịch vụ chuyển mạch gói và dịch vụ chuyển mạch kênh

• Sử dụng hiệu quả hơn phổ tần vô tuyến khả dụng

• Hỗ trợ tính đa dạng về chủng loại các thiết bị di động

• Tương thích với các mạng trước đó và đưa ra một cách mềm dẻo kỹ thuật vàcác dịch vụ truyền thông internet mới: băng tần cho đường xuống rộng hơnnhiều so với đường lên

Ưu điểm:

• Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

• Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, )

• Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc, )

• Truy nhập internet (duyệt Web, tải tài liệu, )

• Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầugiữa các hệ thống

1.1.4 Tiền 4g: LTE (Long Term Evolution)

LTE viết tắt của từ Long Term Evolution (tiến hóa lâu dài), là một hệ thống côngnghệ được phát triển từ họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang đượcnghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới,hướng đến thế hệ thứ 4 – 4G

LTE, hệ thống mạng viễn thông mới được triển khai, hứa hẹn tốc độ rất cao đápứng các cuộc hội hoại video call, và truyền hình qua internet

Tốc độ nhanh LTE được phát triển vào năm 2009 nó có tốc độ rất nhanh, trungbình khoảng 33.4Mbps Tốc độ download khoảng 5 đến 12Mbps và upload khoảng 2

đến 5Mbps.

Độ trễ ít LTE có độ trễ ít hơn, do vậy nó rất có lợi cho các cuộc thoại hoặc truyềnhình qua IP Tốc độ trễ bằng nửa mạng 3G, và các thuê bao chỉ bị trễ khoảng ba mươiphần nghìn giây Tiền 4G không phải là vấn đề Các chuyên gia liên minh viễn thôngquốc tế gây ra một cuộc tranh cãi vào năm ngoái khi cho rằng LTE hay Wimax sẽ đủchuẩn như 4G trong phiên bản tiếp theo tốc độ sẽ đạt hơn 100Mbps

1.1.5 Mạng 4G

Mạng 4G (fourth-generation) là công nghệ truyền thông không dây thứ tư.

Hình 1.2: Sự hội tụ của nhiều công nghệ tạo nên mạng 4GMặc dù thuật ngữ 4G vẫn chưa được bất kỳ một tổ chức chuẩn hóa nào định nghĩamột cách rõ ràng, tuy nhiên mạng 4G được kỳ vọng đáp ứng các đặc điểm sau:

• Đặc tính được kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối mọi lúc,mọi nơi Để thỏa mãn được điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn tạp (bao gồmnhiều công nghệ mạng khác nhau), hội tụ với nhau trên nền toàn IP Thiết bị diđộng của 4G sẽ mang đặc tính đa công nghệ (multi-technology), đa phươngthức (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau.Muốn vậy, thiết bị di động sẽ phải sử dụng giải pháp SDR (Software DefinedRadio) để có thể tự cấu hình nhiều loại rađio khác nhau thông qua một phầncứng vô tuyến duy nhất

• Mạng 4G cung cấp giải pháp chuyển giao liên tục giữa nhiều công nghệ mạngkhác nhau và giữa nhiều thiết bị di động khác nhau

• Mạng 4G cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ vào khoảng 100Mbit/giây cho

người dùng di động và khoảng 1Gbit/giây cho người dùng cố định hay có tốc

độ di chuyển thấp Dịch vụ trên mạng 4G sẽ được cung cấp trên nền IMS đểđảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các dịch vụ đa phương tiện thời gianthực

• Mạng 4G sẽ lấy người dùng làm tâm điểm

• Để vượt lên khỏi tình trạng bão hòa của thị trường viễn thông, các nhà cung cấpmạng sẽ phải tìm kiếm khách hàng bằng các dịch vụ tùy biến theo yêu cầu củakhách hàng

Tóm lại, mạng 4G là sự hội tụ của nhiều mạng, cung cấp các kết nối tốc độ cao,thích ứng với yêu cầu của người dung tại mọi nơi, mọi lúc

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE (TIỀN 4G)

1.2.1 Định nghĩa

LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ

ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnhtranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằmxác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi LongTerm Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí chomỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có vàbăng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể nănglượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

Mục tiêu của LTE: là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói

dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khitriển khai Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượngchuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ thời gian trễtối thiểu

sử dụng được hiệu quả băng thông Mức công suất cao hơn

• Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: chức năng hỗ trợ từ 120km/h đến 350km/hhoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần

• Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng: giảm thời gian để một thiết bịchuyển từ trạng thái nghỉ sang kết nối với mạng và bắt đầu truyền thông tin trênmột kênh truyền Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

• Sẽ không còn chuyển mạch kênh: tất cả sẽ dựa trên IP Chúng cho phép cungcấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự hoạt động đơn giản với các mạng di động.

• Độ phủ sóng từ 5-100km: trong vòng bán kính 5 -100km LTE cung cấp tối ưu

về lưu lượng người dùng

• Kiến trúc mạng: sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạngLTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điềunày hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cầnthay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có

• Giảm chi phí: là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng

• Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: LTE phải cùng tồn tại và có thểphối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác Người sử dụng LTE sẽ có thểthực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ khôngnằm trong vùng phủ sóng của LTE

(FDD song công phân chia tần số 5HZ)

Đường lên SC-FDMAMIMO (số đầu vào và ra) Đường xuống 2 x 2 ; 4 x 2 ; 4 x 4

Đường lên 1 x 2 ; 1 x 4Tốc độ dữ liệu đỉnh

trong 20MHz

Đường xuống : 173 và 326 Mb/s tươngứng với cấu hình MIMO 2 x 2 và 4 x 4Đường lên : 86Mb/s với cấu hình 1 x 2anten

Các công nghệ khác Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích

ứng; điều khiển công suất; ICIC vàARQ hỗn hợp

Bảng 1.1: Các đặc điểm chính của công nghệ LTE

1.2.3 Kiến trúc mạng LTE

Hình 1.3 Kiến trúc mạng LTEKiến trúc mạng LTE: được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạchgói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ với độ trễ tối thiểu Một phươngpháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông quacác kết nối gói Kết quả là trong một kiến trúc phẳng hơn Đặc điểm kiến trúc phẳngvới ít nút tham gia sẽ làm giảm độ trễ và cải thiện hiệu suất

• Thực thể quản lý tính di động (MME)

• eNB : là nút B phát triển

• SAE/GW: phần tử quản lý di động /cổng

• RNC: là phần điều khiển mạng vô tuyến

• GGSN (The Gateway GPRS Support Node) là một thành phần chính của mạng GPRS

có trách nhiệm để ảnh hưởng lẫn nhau giữa các mạng GPRS và mạng gói bên ngoài chuyển sang.

• SGSN (Serving GPRS Support Node) Chịu trách nhiệm cho việc cung cấp cácgói dữ liệu từ các trạm điện thoại di động trong khu vực dịch vụ địa lý của nó

1.2.4 Kỹ thuật MIMO trong LTE

MIMO (multiple input multiple output) là một phần tất yếu của LTE để đạtđược các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ MIMO chophép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu Với hướng DL (downlink), MIMO2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và

MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết Hiệu năng đạtđược tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian(spatial multiplexing) và phát triển phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bậtcủa MIMO trong công nghệ LTE.

Giới hạn chính của kênh truyền thông tin là can nhiễu đa đường giới hạn vềdung lượng theo quy luật Shannon MIMO lợi dụng tín hiệu đa đường giữa máy phát

và máy thu để cải thiện dung lượng có sẵn cho bởi kênh truyền Bằng cách sử dụngnhiều anten ở bên phát và thu với việc xử lý tìn hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể tạo racác dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đó làm tăng dung lượng kênh truyền

Hình 1.4 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMOHình 1.4 là ví dụ về SU-MIMO 2x2 và MU-MIMO 2x2 SU-MIMO ở đây haidòng dữ liệu trộn với nhau (mã hóa) để phù hợp với kênh truyền nhất 2x2 SU-MIMOthường dùng trong tuyến xuống Trong trường hợp này dung lượng cell tăng và tốc độ

dữ liệu tăng MU-MIIMO 2x2 ở đây dòng dữ liệu MIMO đa người dùng đến từ các

UE khác nhau Dung lượng cell tăng nhưng tốc độ dữ liệu không tăng Ưu điểm chínhcủa MU-MIMO so với SU-MIMO là dung lượng cell tăng mà không tăng giá thành vàpin của hai máy phát UE MU-MIMO phức tạp hơn SU-MIMO

Trong hệ thống MIMO, bộ phát gửi các dòng dữ liệu qua các anten phát Cácdòng dữ liệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đường truyền giữacác anten phát và các anten thu Sau đó bộ thu nhân các vector tín hiệu từ các antenthu, giải mã thành thông tin gốc

Đối với tuyến xuống, cấu hình hai anten ở trạm phát và hai anten ở trạm thu ởthiết bị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản, cấu hình sử dụng bốn anten đang đượcxem xét Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gianvới lợi thế hơn các kỹ thuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử dụng và kỹthuật điều chế tín hiệu, SU cho phép tăng tốc độ dữ liệu bằng số lần của số lượnganten phát.

Ghép kênh không gian cho phép phát chuỗi bit dữ liệu khác nhau trên cùng mộtkhối tài nguyên tuyến xuống Những dòng dữ liệu này có thể là một người dùng (SU-MIMO) hoặc những người dùng khác nhau (MU-MIMO) Trong khi SU-MIMO tăngtốc độ dữ liệu cho một người dùng, MU-MIMO cho phép tăng dung lượng Dựa vàohình ghép kênh không gian lợi dụng các hướng không gian của các kênh truyền vôtuyến cho phép phát các dữ liệu khác nhau trên hai anten

Hình 1.5 Ghép kênh không gian

Kỹ thuật phân tập đã được biết đến từ WCDMA release 9 và cũng sẽ là mộtphần của LTE Thông thường, tín hiệu trước khi phát được mã hóa để tăng hiệu ứngphân tập MIMO được sử dụng để khai thác việc phân tập và mục tiêu là làm tăng tốc

độ Việc chuyển đổi giữa MIMO truyền phân tập và ghép kênh không gian có thể tùythuộc vào việc dử dụng kênh tần số

Đối với đường lên, từ thiết bị đầu cuối di động đến BS, người ta sử dụng môhình MU-MIMO Sử dụng mô hình này ở BS yêu cầu sử dụng nhiều anten, còn ở thiết

bị di động chỉ dùng một anten để giảm chi phí cho thiết bị di động Về hoạt động,nhiều thiết bị đầu cuối di động có thể phát liên tục trên cùng một kênh truyền, nhiềukênh truyền, nhưng không gây ra can nhiễu với nhau bởi vì các tín hiệu hoa tiêu trựcgiao lẫn nhau Kỹ thuật được đề cập đến, đó là kỹ thuật đa truy nhập miền không gian(SDMA) hay còn gọi là MIMO ảo

1.3 CÔNG NGHỆ LTE-ADVANCED

4G LTE đề cập đến phiên bản phát triển của LTE đang được phát triển bởi 3GPP

để đáp ứng hoặc vượt quá yêu cầu của liên minh viễn thông quốc tế (ITU) cho mộttiêu chuẩn đúng thứ tư của hệ thống thông tin di động được gọi là IMT-Advanced 4GLTE, có dự án tên là LTE-Advanced, được quy định ban đầu trong phiên bản 10 củatiêu chuẩn 3GPP, với các chức năng nhắm mục tiêu cho tháng ba năm 2011 Tiêuchuẩn 4G LTE sẽ tiếp tục được phát triển trong phiên bản tiếp theo Trong tháng mườinăm 2009, các đối tác 3GPP chính thức nộp LTE-Advanced của ITU như là một ứng

cử viên cho 4G IMT-Advanced Các chi tiết kỹ thuật công nghệ được chứng nhận choIMT-Advanced được dự kiến sẽ được công bố vào đầu năm 2011

1.3.1 Định nghĩa

LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) là sự tiến hóa trong tương laicủa công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trongphiên bản (Release) 8 và 9 LTE-Advanced dự án được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi3GPP vào năm 2009 với các đặc tả được mong đợi hoàn thành vào quý 2 năm 2010như là một phần của Release 10 nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầucủa thế hệ công nghệ vô tuyến di động thế hệ thứ 4 (4G) IMT-Advanced được thiếtlập bởi ITU LTE-Advanced sẽ tương thích ngược và thuận với LTE, nghĩa là cácthiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE-Advanced mới và các thiết bị LTE-Advanced sẽ hoạt động ở cả các mạng LTE cũ

1.3.2 Kiến trúc mạng LTE-Advanced

Hình 1.6 Kiến trúc mạng LTE-Advanced

Mạng cốt lõi của hệ thống LTE-Advanced được tách thành nhiều phần Hình1.6 cho thấy mỗi thành phần trong mạng LTE-Advanced được kết nối với như làm thếnào NodeB trong hệ thống 3G được thay thế bởi việc hình thành NodeB (eNB), mà làmột sự kết hợp của NodeB và điều khiển mạng vô tuyến (RNC) ENB giao tiếp với cácthiết bị người dùng (UE) và có thể phục vụ một hoặc một số các tế bào cùng một lúc.ENB gốc (HeNB) cũng được xem là để phục vụ một trạm lặp bao gồm một khu vựcnhỏ trong nhà Lõi gói phát triển (EPC) bao gồm bốn thành phần sau đây Các cổngphục vụ (S-GW) là chịu trách nhiệm cho việc định tuyến và chuyển tiếp các gói tingiữa UE và mạng dữ liệu gói (PDN) và tính phí Ngoài ra, nó phục vụ như một điểm diđộng để chuyển tiếp Tổ chức quản lý di động (MME) quản lý UE truy cập và tính diđộng, và thiết lập các đường dẫn mang cho UE Gói dữ liệu cổng vào mạng (PDNGW) là một cổng vào tới PDN, và chức năng quy định (PCRF) chính sách và thu phíquản lý các chính sách và quy tắc tính phí.

1.3.3 Những công nghệ đề xuất cho LTE-Advanced

1.3.3.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần.

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được thỏamãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những

gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced Việc mở rộng độ rộng băng

sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ Điều này có thể đạtđược bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều sóng mang thànhphần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết Đối vớithiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mangLTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể khai thác toàn bộ độ rộngbăng khối kết tập

Hình 1.7 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc dù

ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết Truy nhập đến mộtlượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên Do đó, LTE-Advanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để xử lýcác tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có Tuynhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnhthực thi Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kếttập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất

Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơnkhông chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc mởrộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình

Hình 1.7 Ví dụ về khối kết tập sóng mang

1.3.3.2 Giải pháp đa anten

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo khônggian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tụcđóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced Thiết kế đa anten LTE hiện tạicung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng ởđường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã Cấu trúc này cung cấp cả sựghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như

là định dạng chùm (dựa trên sổ mã) Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là

100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh là 1,5 Gbit/svượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênhtheo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced Việc tăng số lớptruyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụngnhư là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần

1.3.3.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể về

tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối Định dạng chùm làmột cách Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đếnmột đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí

Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ở một nútđơn được mô tả ở hình 1.8 ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đađiểm truyền dẫn Phụ thuộc vào quy mô mở rộng, có 3 phương án A, B, C như sau:

Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từnhiều điểm tách biệt về mặt vật lý Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở bộthu cho truyền dẫn đơn điểm Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyềnđang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ thể Bởi

vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn đa điểm, các

tín hiệu tham chiếu UE cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụngcho việc đánh giá kênh Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cung cấp độ lợiphân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết quả là cải thiện bộ khuếchđại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếchđại công suất ở trạng thái rỗi

Hình 1.8 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng tháikênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu cuốiriêng, trong khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn điểm Ởphía mạng, bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực hiện phối hợpcác hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở các điểm truyền dẫn khác nhau Có thểthực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị riêng để giảm cannhiễu giữa những người sử dụng Loại truyền dẫn đa điểm phối hợp này nói chung cóthể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ở trên nhưng ngoài việc cảithiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó còn cho phép phối hợp can nhiễu giữa nhữngngười sử dụng để cải thiện hơn nữa SNR Bởi vì thiết bị đầu cuối không nhận biết việc

xử lí chính xác ở mạng nên cần có các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể

Ở phương án C, báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B Tuy nhiên,không giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biết truyền dẫnphối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao nhiêu….) Thôngtin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía thiết bị đầu cuối

Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính đòi hỏi cách áp dụng xử lí tínhiệu thích đáng ở bộ thu Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn,vốn đã sử dụng trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay

có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn bộ lặp chỉ tích cực bộ lặp khingười sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ

số liệu cung cấp trong khu vực Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối cóthể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặpđược bật lên Tuy nhiên việc điều khiển tái truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạmgốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động

Hình 1.9 Chuyển tiếp trong LTE-AdvancedNút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưutiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ Đây thường được xem là chuyểntiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối sốliệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms Tuy nhiên cácnút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thể được thựchiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối

Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tínhnăng được hỗ trợ (chẳng hạn hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới)

nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp đượcthực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3) hoặc tự chuyển tiếp(self backhauling))

Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại tạpâm), giải pháp tự chuyển tiếp không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mớinào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thểđược ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/LTE-ADVANCED SỬ

DỤNG TRẠM LẶP THÔNG MINH 2.1 TỔNG QUAN VỀ TRẠM LẶP VÀ TRẠM LẶP THÔNG MINH

2.1.1 Các động lực triển khai trạm lặp

Dù chưa chính thức được chuẩn hóa nhưng trong chuẩn di động thế hệ 4G, tốc

độ truyền dẫn dữ liệu tại giao diện vô tuyến được mong đợi là gấp 10 lần so với tốc độcủa hệ thống 3G hiện nay Để đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dẫn cao thì mộttrong những giải pháp là dùng các chùm tín hiệu điều chế tốc độ cao Ví dụ các chùmtín hiệu điều chế 16-QAM đã được đề xuất sử dụng trong các tiêu chuẩn 3G ở cả3GPP và 3GPP2, trong chuẩn di động WiMAX, chùm tín hiệu điều chế 64-QAM cũngđược sử dụng với mục đích cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng Tuy nhiên, nếu duytrì mức công suất phát ngang bằng với công suất sử dụng ở những chùm tín hiệu mật

độ thấp thì khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu trên chùm tín hiệu sẽ giảm.Điều đó đồng nghĩa với việc tỷ lệ lỗi tín hiệu sẽ tăng lên hay nói khác đi để đảm bảochất lượng dịch vụ (BER), các máy phát phải tăng công suất Việc tăng công suấttrong mạng thông tin di động sẽ khó khăn đối với máy đầu cuối vô tuyến vì các máyđầu cuối vô tuyến như: cell phone, PDA sử dụng pin làm nguồn nuôi, công suất pháttăng sẽ rút ngắn thời gian sử dụng pin của những thiết bị này

Mặt khác, các dải tần số như 850, 900, 1800, 1900 MHz hoặc thậm chí dải tần 2GHz đã được các mạng di động GSM, WCDMA, cdma2000 sử dụng Do đó, chắcchắn rằng dải tần số phân bố cho 4G sẽ nằm bên trên dải 2 GHz của hệ thống 3G hiệnnay Suy hao truyền dẫn trong điều kiện che chắn ở dải tần này là rất lớn Đây cũng làmột lý do dẫn đến việc tăng công suất phát nếu như vùng phủ sóng vẫn phải được duytrì

Để giải quyết hai khó khăn trên thông thường người ta dùng giải pháp thu nhỏkích thước cell và tăng mật độ các trạm thu phát gốc như ở hình 2.1(a) Tuy vậy,nhược điểm của giải pháp này là:

• Phải cung cấp thêm các đường truyền dẫn (thường là các luồng E1) từ các trạmBTS mới đến trung tâm điều khiển trạm gốc BSC Nhưng trên thực tế khôngphải lúc nào các luồng truyền dẫn E1 cũng sẵn có đối với tất cả các nhà khaithác mạng di động

• Cần phải tổ chức lại mạng lưới như: ấn định lại các tần số vô tuyến cho từngtrạm thu phát gốc và dịch chuyển các điểm đặt trạm thu phát gốc

• Cung cấp thêm các tần số vô tuyến vì nhiều trạm thu phát gốc mới đã được đưavào Điều này có thể chưa khó khăn đối với một nhà khai thác mạng chưa pháttriển Nhưng đối với những nhà khai thác mạng đã sử dụng gần hết các tần sốcấp phép thì việc thêm tần số vô tuyến mới là rất khó khăn

• Phải thuê và xây dựng các trạm thu phát mới cũng gây nên những tốn kém nhấtđịnh trong việc triển khai hệ thống vì trong một khu vực việc chọn được mộtđịa điểm tối ưu để đặt trạm gốc là rất khó khăn Đặc biệt là trong tình trạng cónhiều nhà khai thác cùng hoạt động Những nhược điểm trên dẫn đến giá thànhcủa giải pháp này rất lớn Đối với những nhà khai thác mạng đã phát triển đếnmức độ bão hòa (số thuê bao không thể tăng vọt) thì những tốn kém trong việc

triển khai hệ thống như thế sẽ làm giảm tính cạnh tranh, vì cước phí trên mộtđơn vị bit thông tin tăng cao.

Gần đây, người ta đưa ra một giải pháp để khắc phục nhược điểm của giải pháptrên mà vẫn duy trì được chất lượng dịch vụ, cũng như thời gian sử dụng pin cho cácmáy đầu cuối di động Đó là giải pháp sử dụng các trạm chuyển tiếp hình 2.1(b) Đốivới giải pháp sử dụng các trạm chuyển tiếp thì không cần thay đổi kích thước cell,không cần quy hoạch lại mạng cũng như cung cấp thêm các đường truyền dẫn E1 như

đã nói ở trên Hơn thế nữa, các trạm chuyển tiếp có thể được thiết kế để hoạt động ởdải tần không cần cấp phép và các trạm chuyển tiếp không cần thiết phải đặt ở những

vị trí quá cao Những ưu điểm này làm cho chi phí của giải pháp dùng các trạm chuyểntiếp giảm đi đáng kể và thời gian triển khai cũng được rút ngắn

Hình 2.1 (a) Giải pháp thu nhỏ cell và dùng nhiều BTS; (b): Giải pháp dùng

trạm chuyển tiếp

Mặc dù các trạm chuyển tiếp đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thốngtruyền dẫn vi ba cũng như các hệ thống truyền dẫn số khác Tuy nhiên, các trạmchuyển tiếp này chỉ có chức năng thu nhận tín hiệu từ phía phát sau đó hoặc là khuếchđại tín hiệu rồi chuyển tiếp đến phía thu hoặc là giải mã rồi mới chuyển tiếp thông tinđến đích Những trạm chuyển tiếp như vậy hoàn toàn phù hợp với môi trường truyền

dẫn vô tuyến trong tầm nhìn thẳng (LOS) để tăng cự ly truyền dẫn của các tuyếntruyền dẫn vô tuyến số Nhưng trong trường hợp của các mạng thông tin vô tuyến diđộng mà ở đó truyền dẫn đa đường (multipath) là phổ biến thì chức năng của trạmchuyển tiếp như vậy sẽ không lợi dụng được đặc tính quảng bá của sóng vô tuyến cũngnhư lợi dụng đặc tính thay đổi của kênh fading Vì thế, khái niệm trạm chuyển tiếpthông minh được đưa ra để áp dụng cho các mạng vô tuyến di động tế bào.

2.1.2 Trạm lặp thông minh

2.1.2.1 Định nghĩa trạm lặp thông minh

Trạm lặp thông minh (smart relay) không chỉ là giải mã và chuyển tiếp (hoặckhuếch đại và chuyển tiếp) thông tin nhận được từ phía phát như các trạm lặp thôngthường, mà nó còn có chức năng xử lý tín hiệu thu được trước khi chuyển đến đích.Mục đích chính của việc xử lý tín hiệu tại các trạm lặp thông minh này là để lợi dụngtối đa đặc tính quảng bá của sóng vô tuyến và sự thay đổi của kênh truyền dẫn fading

Hình 2.2 Mô hình truyền dẫn dùng trạm lặp thông minh

Giao thức truyền dẫn thông tin trong mạng thông tin di động tế bào có sử dụngtrạm lặp thông minh được minh họa ở hình 2.2 Thông tin của các máy đầu cuối đượcphát quảng bá không chỉ đến trạm lặp mà còn đến với trạm thu phát gốc Khi nhậnđược tín hiệu thu này, trạm thu phát gốc sẽ không giải mã tín hiệu ngay mà chờ tínhiệu đến từ trạm chuyển tiếp Đối với trạm lặp, ngoài việc giải mã thông tin của các

máy đầu cuối, trạm lặp thông minh sẽ thực hiện xử lý tín hiệu để sao cho thông tin củamỗi người dùng đến đích bằng nhiều đường truyền dẫn khác nhau Khi trạm gốc nhậnđược tín hiệu từ trạm chuyển tiếp, lúc này trạm gốc sẽ kết hợp tín hiệu thu trực tiếp từcác máy đầu cuối trước đó và tín hiệu thu từ trạm chuyển tiếp để thực hiện giải mã tínhiệu gốc.

Giao thức truyền dẫn ở trên cho thấy, thông tin của mỗi người sử dụng sẽ đượcgiải mã dựa trên ba đường truyền dẫn độc lập với nhau Hay nói khác đi, độ lợi phântập không gian đã tăng từ 1 (đối với các trạm lặp thông thường) lên 3 (đối với trạm lặpthông minh) Như đã chứng minh, nếu độ lợi phân tập không gian tăng lên thì chấtlượng tín hiệu sẽ được cải thiện

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của trạm lặp

2.1.3.1 Ưu điểm của trạm lăp

Lắp đặt trạm Lặp (RS) có thể giúp khắc phục một số những thách thức lớn đangphải đối mặt bởi các mạng băng rộng không dây ngày nay Những lợi thế là chủ yếugồm ba phần:

• Đầu tiên, RS cải thiện hiệu suất tổng thể mạng lưới tăng cường vùng phủ sóng,năng lực và hiệu quả năng lượng

• Thứ hai, cả hai việc thực hiện và chi phí bảo trì có thể được hạ xuống bằng cáchkết hợp chuyển tiếp ở các giai đoạn khác nhau của việc triển khai mạng

• Cuối cùng, RS có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa mạnglưới và chức năng cấp cao hơn như định tuyến và cân bằng tải Ba phần phụtiếp theo mô tả những lợi ích này chi tiết hơn

Nâng cao hiệu năng mạng

Hình 2.3 minh họa việc sử dụng RS như thế nào ảnh hưởng đến hai số liệuchính của hiệu suất mạng: vùng phủ sóng và năng lực Trước hết tập trung vào vùngphủ sóng đầu tiên Một BS/AP, so với một hệ thống một bước nhảy thông thường, cóthể phục vụ các tế bào lớn hơn nhiều với sự giúp đỡ của một số RS cố định

Như hình 2.3, các trạm điện thoại di động trên bên phải (MS1), mặc dù đượcđặt bên ngoài ranh giới dịch vụ truyền thống, vẫn có thể nhận được dịch vụ nếu một

RS được đặt giữa BS và trạm điện thoại di động Khi phạm vi vô tuyến không phải làmột vấn đề, vùng phủ sóng vô tuyến tốt hơn bên trong tế bào hiện có có thể được thựchiện, đặc biệt là ở các vùng bị mờ từ một BS/AP (lỗ hổng vùng phủ sóng trong nhà, đôthị hoặc lỗ hổng vùng phủ sóng nông thôn được tạo ra bởi các rừng cây hoặc địa hình

gồ ghề)

Hình2.3 Biểu diễn lợi thế của hiệu suất thông qua trạm lặp.

Tất nhiên không có gì đi kèm miễn phí, và giá phải trả trong trường hợp này làgiảm công suất và độ trễ tăng lên Trạm lặp thường làm việc trong chế độ lưu trữ vàchuyển tiếp Đối với một hệ thống hai bước nhảy trong các tín hiệu đường xuống(uplink) BS-RS (MS-RS) được lưu trữ trong trạm lặp và trong khe thời gian tiếp theođược chuyển tiếp thông qua liên kết (RS-BS) RS-MS Năng lực mạng lưới giảm xuốngnhư MS-RS và BS-RS liên kết hoạt động ở các thời điểm khác nhau bằng cách sửdụng cùng một băng tần không dây (chuyển tiếp băng trong)

Lợi thế năng lực với chuyển tiếp đến chủ yếu từ việc khai thác của đường dẫnhoặc trạng thái đa dạng Để minh họa thực tế, chúng ta hãy khác nhìn vào hình 2.3,MS2 được phục vụ bởi hai RS đồng thời Kết nối không dây (mất đường dẫn và bóng)tới fading, dẫn đến mất thông tin và liên kết thường xuyên thất bại Nếu hai hoặc nhiềuđường dẫn thay thế có sẵn thông qua RS khác nhau,sau đó MS có thể chuyển sang RS

có tín hiệu mạnh nhất Như fading xảy ra độc lập trong con đường khác nhau, nókhông chắc rằng tín hiệu sẽ gặp phải fading trong tất cả các con đường tại một thờiđiểm nhất định Điều quan trọng là phải hiểu rằng việc tăng độ năng lực là khả thi chỉkhi các BS và RS sử dụng các kênh trực giao, tức là, liên kết BS-RS và RS-MS đượchoạt động cùng một lúc nhưng ở dải tần số khác nhau (còn được gọi là chuyển tiếpbăng ngoài).Vì nó là khó khăn để cài đặt nhiều ăng-ten điện thoại di động trong mộtđơn vị nhỏ Tập hợp các trạm lặp với truyền tải đồng thời thông qua RS có thể cungcấp một thay thế cho nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (kỹ thuật MIMO) thông thường Có

một khả năng tăng năng lực thông qua tái sử dụng tần số nếu các RS định hình các tếbào nhỏ hơn bên trong tế bào được phục vụ bởi chính BS.

Trạm lặp khi làm việc trong đường lên, thay thế tầm xa, truyền tải điện năngcao với BS tầm ngắn, chuyển tiếp truyền điện năng thấp Điều này giúp tăng cườngtuổi thọ của pin-điều khiển MS Theo như điện năng tiêu thụ của RS là có liên quan,

họ yêu cầu chỉ có nguồn điện cung cấp Để tiết kiệm năng lượng, chuyển tiếp thậm chí

có thể dựa vào nguồn cung cấp năng lượng mặt trời

Lợi ích về chi phí

Khái niệm trạm lặp mở ra khả năng lắp đặt vùng phủ sóng tạm thời trong khuvực kết nối vĩnh viễn là không cần thiết (ví dụ, điểm xây dựng hoặc hội nghị / phònghọp) Trong trường hợp khai một cách triển nhanh chóng mạng ban đầu đã được thựchiện, chuyển tiếp dựa trên các giải pháp kinh tế hấp dẫn hơn so với truyền thống các

BS nối mạng thông qua truyền dẫn có dây Các RS cho phép chi phí vốn thấp hơn vềphần cứng cơ sở hạ tầng mạng di động với chức năng chuyển tiếp cho phép ăng-ten bộkhuếch đại độ lợi thấp, và các nút chuyển tiếp không cần một tự chuyển tiếp bằngđồng /sợi dây Ngoài ra, địa điểm RS di động là có thể sẽ ít tốn kém hơn so với các cáctrạm di động BS, kích thước nhỏ hơn và do đó cho phép linh hoạt hơn trong lựa chọnđịa điểm Hơn nữa, với chuyển tiếp, chi phí điều hành (OPEX) như cho thuê và các chiphí bảo trì được giảm bớt

Một khi mạng đã được thiết lập, nâng cấp cần thiết cho một số lượng gia tăngcủa thuê bao hoặc thuê bao khác nhau thời gian có thể được thực hiện bằng cách thaythế một số các RS với các BS một cách dần dần Cách tiếp cận này cung cấp cách thứccho nhiều nhà khai thác mạng để duy trì công việc kinh doanh của họ vào một thờiđiểm của một cuộc suy thoái trên toàn thế giới

Những lợi ích khác

Bên cạnh hiệu suất và lợi ích chi phí, chuyển tiếp cung cấp một số lợi thế khác.Bằng cách điều tiết lưu lượng tắc nghẽn (hot) đến nơi không tắc nghẽn (cool) các tếbào không được cấp phép trong băng tần, chuyển tiếp giảm bớt khả năng chặn cuộcgọi và cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) của người dùng cuối Loại cân bằng tải giữacác tế bào lân cận, tế bào A và tế bào B, đã được mô tả trong hình 2.4 Để hiểu tìnhhuống tốt hơn, chúng ta hãy giả định rằng tất cả các MS đang cư trú trong khu vựcdịch vụ được phân bổ đến BSA, và chỉ có một tần số duy nhất cho thông tin liên lạcgiữa MS và BS.Bây giờ nếu cả hai MS1 và MS2 muốn thực hiện cuộc gọi nhưng MS1nắm giữ của các kênh phổ biến đầu tiên, sau đó các cuộc gọi từ MS2 bị chặn Tuynhiên, các cuộc gọi bị chặn có thể được hoàn thành thông qua BSB nếu MS2 có thểchuyển tiếp cuộc gọi thông qua RS gần đó (điều khiển bởi BSB), với điều kiện là BSBhiện không tham gia Phương pháp này được gọi là chuyển tiếp sơ cấp

Hình 2.4 Trình diễn cân bằng tải với chuyển tiếp.

Một loại lợi ích thứ hai của chuyển tiếp, được gọi là chuyển tiếp thứ cấp, cũng

có thể được thực hiện theo cách sau đây Giả sử MS3 hiện đang giao tiếp thông quaBSA, MS1 cũng bày tỏ sẵn sàng để vào mạng, và MS2 là nhàn rỗi Vì không có RStrong vùng lân cận của MS1, nó không phải là có thể thực hiện chuyển tiếp sơ cấp Đểtối đa hóa việc sử dụng tài nguyên, MS1 có thể được phân bổ trực tiếp thông qua BSA,

và MS3 có thể thành lập một liên kết truyền thông chuyển tiếp để BSB

Một số lợi thế khác của chuyển tiếp bao gồm tích hợp của các mạng không dâykhông đồng nhất, chuyển tiếp Ad hoc để tăng cường thông lượng, và trên tất cả, đểcung cấp sự ổn định mạng lưới với một cơ sở thuê bao ngày càng tăng

2.1.3.2 Nhược điểm của trạm lặp

Trạm lặp gây ra sự chậm trễ trong hệ thống xử lý dữ liệu trước khi truyền.Trong hình thức cơ bản của nó, một trạm lặp không dây tăng cường phạm vi vôtuyến với chi phí của năng lực, như mỗi RS hoạt động hoặc trong một thời gian chia sẻhoặc trong một tần số cơ sở chia sẻ Trong chế độ phân chia thời gian (TDD) songcông tiếp nhận được một tín hiệu từ BS trong khe thời gian đầu tiên và sử dụng khethời gian thứ hai cho truyền lại Điều này dẫn đến giảm tốc độ dữ liệu, kể từ khi dữliệu được chuyển tiếp hai lần trên kênh vô tuyến Nếu một bộ phận kỹ thuật song côngtần số (FDD) được sử dụng thay vào đó, dải tần số trực giao được sử dụng cho đồngthời BS-RS và RS-MS thông tin liên lạc, làm giảm hiệu quả băng thông, chưa kể đến

sự phức tạp và chi phí phát sinh do nhiều giao diện vô tuyến

Đối với các tế bào tương đối nhỏ hơn, nơi một liên kết BS-MS đang hoạt độngthỏa đáng, triển khai chuyển tiếp không cần thiết sẽ làm giảm năng lực của mạng Đốivới các tế bào tương đối nhỏ hơn, nơi một liên kết BS-MS đang hoạt động thỏa đáng,chuyển tiếp triển khai không cần thiết sẽ làm giảm năng lực của mạng Thậm chí tệhơn, bằng cách sử dụng chuyển tiếp có thể gây tích tụ tiếng ồn không mong muốn,