LUẬN văn THẠC sĩ kỹ THUẬT điện tử NGHIÊN cứu CHẤT LƯỢNG tín HIỆU TRONG hệ THỐNG CHUYỂN TIẾP của MẠNG DI ĐỘNG 4g LTE ADVANCED

1.Tính cấp thiết của đề tài Sự ra đời của hệ thống 4GLTE mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng (đến 100 MHz), dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao (1Gbps cho Downlink và 500Mbps cho Uplink). Để đạt được các yêu cầu trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, các công nghệ thành phần tiên tiến đã được đề xuất sử dụng như: OFDMA, MIMO anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp, … Một trong những công nghệ đem lại nhiều ưu điểm và lợi ích thiết thực là kỹ thuật chuyển tiếp, đó là việc đặt thêm các nút chuyển tiếp để chuyển tiếp dữ liệu truyền giữa trạm thu phát gốc và thiết bị người dùng. Kỹ thuật chuyển tiếp được sử dụng với nhiều ưu điểm: Mở rộng vùng phủ sóng của eNodeB Cung cấp tốc độ dữ liệu cao, đặc biệt tại khu vực rìa cell, nơi mà ở đó có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp Nâng cao chất lượng hệ thống Tối ưu được tiêu thụ công suất trên toàn bộ tuyến truyền dẫn Giá thành thiết bị thấp hơn eNodeB Với những ưu điểm này, kỹ thuật chuyển tiếp là công nghệ tiên phong được đề xuất sử dụng để đáp ứng những yêu cầu của hệ thống 4G. 2. Mục đích nghiên cứu So sánh đánh giá khả năng cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp của mạng di dộng 4G (LTEAdvanced) 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Chất lượng tín hiệu (thông qua tỉ số SER) trong hệ thống chuyển tiếp của mạng di động 4G (LTEAdvanced). 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng mạng 4G sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để tính toán chất lượng tín hiệu, cụ thể: + Thu thập các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. + Xây dựng mô hình mạng 4G, tiến hành mô phỏng một số thông số về chất lượng, kiểm tra đánh giá kết quả sau mô phỏng. 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Với những ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp, việc nghiên cứu kỹ thuật này sẽ đáp ứng được những yêu cầu cao về thông số cũng như chất lượng dịch vụ trong thông tin di động 4G. 6. Cấu trúc luận văn Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội dung của luận văn bao gồm các phần sau: Chương 1: Tổng quan về LTE và LTEAdvanced Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE và LTEAdvanced Chương 2: Kỹ thuật chuyển tiếp Giới thiệu về khái niệm, các loại nút chuyển tiếp, các cơ chế truyền dẫn chuyển tiếp, các cơ chế bắt cặp chuyển tiếp và truyền dẫn phối hợp Chương 3: Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp chuyển tiếp Phân tích và đi xây dựng các biểu thức về tỉ số lỗi symbol SER trong hệ thống phối hợp với hai loại nút AF và DF Chương 4: Mô phỏng đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ thống phối hợp chuyển tiếp Giới thiệu các sơ đồ, lưu đồ thuật toán chương trình mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ ĐÌNH TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP CỦA MẠNG DI ĐỘNG 4G (LTE-ADVANCED)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ ĐÌNH TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP CỦA MẠNG DI ĐỘNG 4G (LTE-ADVANCED)

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Tăng Tấn Chiến

Đà Nẵng – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Đình Tuấn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED 4

1.1 LTE 4

1.1.1 Các yêu cầu của LTE 4

1.1.2 Kiến trúc LTE 6

1.1.3 Cơ chế truyền dẫn 9

1.1.4 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ 11

1.1.5 Giải pháp đa anten (MIMO) 14

1.2 LTE-ADVANCED 20

1.2.1 Các yêu cầu của LTE-Advanced 20

1.2.2 Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced 21

1.3 SO SÁNH LTE và LTE-ADVANCED 26

KẾT LUẬN CHƯƠNG 27

CHƯƠNG 2:KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 28

2.1 CÁC LOẠI NÚT CHUYỂN TIẾP 29

2.2 CÁC CHIẾN LƯỢC CHUYỂN TIẾP 30

2.3 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN DẪN CHUYỂN TIẾP 33

2.3.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) 33

2.3.2 Giải mã hóa và chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) 33

2.4 HỆ THỐNG PHỐI HỢP 33

2.5 CÁC CƠ CHẾ BẮT CẶP CHO VIỆC LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP 34

2.5.1 Cơ chế bắt cặp tập trung 35

2.5.2 Cơ chế bắt cặp phân phối 36

KẾT LUẬN CHƯƠNG 38

CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ THỐNGPHỐI HỢP CHUYỂN TIẾP 39

3.1 HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP AF 39

3.1.1 Mô hình hệ thống 39

3.1.2 PDF và CDF cho SNR giới hạn trên 41

3.1.3 Phân tích đặc tính hệ thống 44

3.2 HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP DF 48

3.2.1 Mô hình hệ thống 48

3.2.2 Phân tích SER 49

3.2.3 SER biên trên và xấp xỉ tiệm cận 52

KẾT LUẬN CHƯƠNG 55

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP 56

4.1 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KIỂM TRA CÔNG THỨC LÝ THUYẾT 57

4.1.1 Sơ đồ mô phỏng đánh giá kiểm tra công thức lý thuyết 57

4.1.2 Thuật toán 58

4.1.3 Kết quả mô phỏng 59

4.1.4 Nhận xét 59

4.2 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU CỦA HỆ THỐNG PHỐI HỢP CHUYỂN TIẾP 60

4.2.1 Thiết kế môi trường mô phỏng 60

4.2.2 Sơ đồ mô phỏng 63

4.2.3 Thuật toán 1

4.2.4 Kết quả mô phỏng 66

4.2.5 Nhận xét và đánh giá kết quả 69

KẾT LUẬN CHƯƠNG 71

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3GPP : 3rd Generation Partnership Project

4G : Fourth Generation

AF : Amplify and Forward

AWGN : Additive White Gaussian Noise

BPSK : Binary Phase Shift Keying

BS : Base Station

CDF : Cumulative Distribution Function

CDMA : Code Division Multiple Access

DF : Decode and Forward

EPC : Evoled Packet Core

E-UTRAN : Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Net FEC : Forward Error Correction

HSDPA : High Speech Downlink Packet Access

ICI : Inter Carrier Interference

ISI : Inter Signal Interference

IP : Internet Protocol

IFFT : Inverse Fast Fourier Transform

LTE : Long Term Evolution

MGF : Moment Generating Function

MIMO : Multiple Input Multiple Output

MRC : Maximal Ratio Combining

MS : Mobile Station

MME : Mobility Management Entity

OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAPR : Peak to Average Power Ratio

PDF : Probability Distribution Function

PSK : Phase-Shift Keying

QAM : Quadrature Amplitude Modulation

QPSK : Quadrature Phase-Shift Keying

SNR : Signal to Noise Ratio

SINR : Signal-to-noise-plus-interference ratio

UE : User Equipment

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số 13

2.2 Mở rộng vùng phủ sử dụng nút chuyển tiếp 29 2.3 Minh họa nút chuyển tiếp loại 1 và loại 2 30

2.7 Hệ thống phối hợp với 02 nút chuyển tiếp 34 3.1 Mô hình phối hợp với nút chuyển tiếp AF 39 3.2 Độ lợi SNR trung bình theo số lượng nút chuyển tiếp 45 3.3 Mô hình phối hợp với nút chuyển tiếp DF 48 4.1 Sơ đồ mô phỏng kỹ thuật phối hợp chuyển tiếp 57 4.2 Sơ đồ thuật toán mô phỏng kỹ thuật phối hợp chuyển tiếp 58 4.3 Kết quả so sánh chất lượng tín hiệu giữa lý thuyết và mô phỏng 59 4.4 Mô hình mô phỏng không có nút chuyển tiếp 60

4.5 Nút chuyển tiếp ở giữa BS và UE 60 4.6 Môi trường mô phỏng hệ thống phối hợp dùng 1 chuyển tiếp 61

4.7 Môi trường mô phỏng hệ thống phối hợp dùng 2 nút

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Sự ra đời của hệ thống 4G/LTE mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch

vụ, cung cấp băng thông rộng (đến 100 MHz), dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao (1Gbps cho Downlink và 500Mbps cho Uplink) Để đạt được các yêu cầu trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, các công nghệ thành phần tiên tiến đã được đề xuất sử dụng như: OFDMA, MIMO anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp, … Một trong những công nghệ đem lại nhiều

ưu điểm và lợi ích thiết thực là kỹ thuật chuyển tiếp, đó là việc đặt thêm các nút chuyển tiếp để chuyển tiếp dữ liệu truyền giữa trạm thu phát gốc và thiết

bị người dùng Kỹ thuật chuyển tiếp được sử dụng với nhiều ưu điểm:

- Mở rộng vùng phủ sóng của eNodeB

- Cung cấp tốc độ dữ liệu cao, đặc biệt tại khu vực rìa cell, nơi mà ở đó

có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp

- Nâng cao chất lượng hệ thống

- Tối ưu được tiêu thụ công suất trên toàn bộ tuyến truyền dẫn

- Giá thành thiết bị thấp hơn eNodeB

Với những ưu điểm này, kỹ thuật chuyển tiếp là công nghệ tiên phong được đề xuất sử dụng để đáp ứng những yêu cầu của hệ thống 4G

2 Mục đích nghiên cứu

So sánh đánh giá khả năng cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp của mạng di dộng 4G (LTE-Advanced)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chất lượng tín hiệu (thông qua tỉ số SER) trong hệ thống chuyển tiếp của mạng di động 4G (LTE-Advanced)

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng mạng 4G sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để tính toán chất lượng tín hiệu, cụ thể:

+ Thu thập các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

+ Xây dựng mô hình mạng 4G, tiến hành mô phỏng một số thông số về chất lượng, kiểm tra đánh giá kết quả sau mô phỏng

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Với những ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp, việc nghiên cứu kỹ thuật này sẽ đáp ứng được những yêu cầu cao về thông số cũng như chất lượng dịch

vụ trong thông tin di động 4G

6 Cấu trúc luận văn

Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội dung của luận văn bao gồm các phần sau:

Chương 1: Tổng quan về LTE và LTE-Advanced

Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE và LTE-Advanced

Chương 2: Kỹ thuật chuyển tiếp

Giới thiệu về khái niệm, các loại nút chuyển tiếp, các cơ chế truyền dẫn chuyển tiếp, các cơ chế bắt cặp chuyển tiếp và truyền dẫn phối hợp

Chương 3: Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp chuyển tiếp

Phân tích và đi xây dựng các biểu thức về tỉ số lỗi symbol SER trong hệ thống phối hợp với hai loại nút AF và DF

Chương 4: Mô phỏng đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ thống phối hợp chuyển tiếp

Giới thiệu các sơ đồ, lưu đồ thuật toán chương trình mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng luận văn chắc sẽ không tránh khỏi những thiếu sót cần được bổ sung và phát triển Kính mong quý thầy cô và bạn đọc đóng góp thêm ý kiến để luận văn được hoàn thiện

Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy PGS.TS Tăng Tấn Chiến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp ý kiến giúp em hoàn thành luận văn này

Đà Nẵng tháng 12 năm 2013

Học viên thực hiện

Lê Đình Tuấn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED

GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội thông tin, thì lĩnh vực

kỹ thuật truyền thông cũng phải luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu của thông tin liên lạc Đặc biệt là trong xã hội ngày nay nhu cầu về trao đổi thông tin, truyền dữ liệu, các dịch vụ trên các thiết bị di động là rất lớn Các hệ thống thông tin di động hiện tại gồm 2G, 2.5G và đặc biệt là 3G vẫn đang hoạt động khá tốt và ngày càng phát triển với những thế mạnh của mình.Tuy nhiên chúng vẫn chưa đáp ứng được mong đợi của những khách hàng có nhu cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao.Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ LTE ra đời sẽ giải quyết được những khó khăn trên

LTE là từ viết tắt của Long Term Evolution, mô tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông di động LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin

di động thứ 4 (4G) Hệ thống này được kỳ vọng có những tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ thứ ba (3G) trước đó

1.1 LTE

1.1.1 Các yêu cầu của LTE [13]

LTE là thế hệ thứ tư tương lai 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 cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn

giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Các mục tiêu của công nghệ này là:

- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:

- Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng: 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên

và xuống Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output) Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network) và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD

Trên thế giới đã có nhiều hãng viễn thông lớn triển khai hoạt động mạng LTE.Mạng NTT DoCoMo của Nhật đi tiên phong khi khai trương dịch

vụ vào năm 2009 Ngày 8 tháng 10 năm 2010, hãng viễn thông Ericsson Việt Nam đã phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện của Bộ Thông tin và Truyền thông trình diễn công nghệ LTE – công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiến của

đại diện của Bộ cùng các mạng di động Việt Nam Chuyên gia của Ericsson cho biết, nếu như tốc độ của dịch vụ ADSL được cung cấp tại Việt Nam trung bình từ 1.5Mbps – 6Mbps đã là băng rộng thì với LTE thế vẫn chưa là gì.Công nghệ TD-LTE có tốc độ lý tưởng lên đến 110 Mbps với cấu hình tương tự Thử nghiệm diễn ra ở băng tần 2300-2400Mhz Kết thúc cuộc thử nghiệm tốc độ đo được: tải xuống đạt 80Mbps, tải lên đạt 20Mbps, vượt xa tốc độ truy nhập của ADSL hiện nay

1.1.2 Kiến trúc LTE [13]

Dựa vào tính năng khác nhau của các phần tử, mạng di động có thể được phần thành 2 phần: phần mạng truy nhập vô tuyến và phần mạng lõi Các tính năng như điều chế, chuyển giao, … thuộc về phần truy nhập, trong khi các tính năng khác như tính cước, quản lý di động, … thì thuộc về phần mạng lõi Trong LTE, mạng truy nhập vô tuyến là E-UTRAN và mạng lõi là EPC

Hình 1.1 Kiến trúc LTE

a Mạng truy nhập vô tuyến

Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm thời gian thực, sẽ được cung cấp qua các kênh chuyển mạch gói.Điều này làm gia tăng hiệu quả phổ tần và làm tăng dung lượng hệ thống so với các hệ thống UMTS và HSPA hiện tại.Một kết quả quan trọng của việc dùng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp tốt hơn giữa tất cả các dịch vụ đa phương tiện và giữa các dịch vụ di động và dịch vụ cố định

Các chức năng của mạng truy nhập vô tuyến bao gồm:

- Mã hóa, đan xen, điều chế và các chức năng lớp vật lý điển hình khác

- ARQ, nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác

- Các chức năng an ninh (mật mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn)

- Các chức năng quản lí tài nguyên, chuyển giao và các chức năng điều khiển tài nguyên vô tuyến điển hình khác

Hình 1.1 cho thấy tổng quan mạng truy nhập vô tuyến LTE RAN với các nút và giao diện.Khác với WCDMA/HSPA RAN, LTE RAN chỉ có 1 kiểu nút.Như vậy trong LTE không có nút tương đương với RNC Lý do chủ yếu

là không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên, đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng và triết lý là giảm thiểu số lượng nút

Một trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong các mạng truy nhập WCDMA/HSPA, nó đượcgọi làeNodeB(Enhanced NodeB) eNodeB chịu trách nhiệm cho một tập các ô Tương tự như nodeB trong kiến trúc WCDMA/HSPA không cần sử dụng cùng 1 trạm anten eNodeB thừa hưởng các chức năng của RNC eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến của 1 ô, các quyết định chuyển giao, lập biểu cho cả đường lên và đường xuống trong các ô của mình

Chức năng của eNB :

- Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến

- Nén IP header và mã hoá dòng dữ liệu người sử dụng

- Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập

- Bảo đảm chất lượng dịch vụ

- Thực hiện các cuộc chuyển giao với các thiết bị di động UE

Giao diện giữa eNodeB với mạng lõi và với các eNodeB khác

- eNodeB được nối tới mạng lõi thông qua giao diện S1 Giao diện S1 giống như giao diện Iu nối giữa mạng lõi và RNC trong WCDMA/HSPA

- Giữa các eNodeB có giao diện X2 giống như giao diện Iur trong WCDMA/HSPA Giao diện X2 chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ di động chế

độ tích cực

b Mạng lõi

Mạng lõi mới là sự tiến hóa hoàn toàn của hệ thống thế hệ thứ ba, và nó chỉ hỗ trợ miền chuyển mạch gói Bởi vậy, nó có tên gọi là EPC (Evoled Packet Core)

Mạng lõi cũng tuân theo triết lý giảm thiểu số lượng nút giống như ở UTRAN EPC phân chia các luồng dữ liệu người dùng vào trong mặt bằng điều khiển và mặt bằng dữ liệu

E-EPC bao gồm nhiều thực thể chức năng sau:

-Thực thể quản lý di động (MME: Mobility Management Entity):

thực thi cho các chức năng ở mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên, cụ thể là:

+ Cung cấp tín hiệu cho phép truy nhập mạng và khía cạnh an ninh + Chọn chế độ tích cực thấp cho thiết bị người sử dụng khi không làm việc + Theo dõi quản lí danh sách các thuê bao trong khu vực

+ Chuyển vùng

+ Nút SGSN hỗ trợ các thuê bao 2G, 3G truy nhập mạng LTE

+ Trung tâm nhận thực

- Cổng dịch vụ (Seving Gateway): là điểm kết thúc sự truy nhập từ

mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN Các chức năng chính bao gồm:

+ Là nút hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong quá trình thiết bị di động di chuyển

+ Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP

+ Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu dịch vụ

+ Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink

+ Tính toán chi phí của người dùng

+ Cho phép cấp quyền truy nhập

+ Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói

+ Hỗ trợ việc tính cước

- Cổng mạng dữ liệu gói (PDN Gateway): là điểm kết cuối cho các

phiên hướng đến mạng dữ liệu gói bên ngoài Các chức năng chính bao gồm:

+ Thực thi chính sách, mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ khác nhau

+ Tính phí hỗ trợ

+ Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink

+ Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập

+ Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP

+ Phân loại các gói

+ Có chức năng như DHCP trong 3G

1.1.3 Cơ chế truyền dẫn

Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều các công nghệ đa truy nhập, cụ thể: đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho

đường xuống (OFDMA), và đa truy nhập phân chia tần số - đơn sóng mang (SC-FDMA) cho đường lên

a Truyền dẫn đường xuống

Cốt lõicủatruyền dẫn vô tuyến đường xuống trong LTElà ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM) vớidữ liệuđượctruyền đi trênmột sốlượng lớn các sóng mang con băng hẹp song song OFDM cung cấp nhiều

ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng)

Bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nhiều sóng mang, thời gian của symbol sẽ dài hơn độ trải trì hoãn của kênh (delay spread) Vì thời gian ký tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency selectivity) Mặc dù trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số có thể được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắt đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết bị đầu cuối di động tại băng thông trên 5 MHz Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc chống lại fading lựa chọn tần

số sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghép kênh không gian(spatial multiplexing)

b Truyền dẫn đường lên

Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương thức điều chế hơi khác một chút Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR

(Peak to Average Power Ratio _ tỷ lệ côngsuất đỉnh so với trung bình) cao,

điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE, đó là khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để

mạng bắt được (pick up) Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành

phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên có hiệu quả công suất cao càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy

Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối với các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càng thấp thì thời gian hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định càng dài

Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một PAPR tốt (thấp) hơn, là SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division

Multiple Access _ Đa Truy cập Phân chia theo tần số đơn sóng mang) Việc

sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang sẽ cho PAPR nhỏ hơn so với OFDM dẫn đến tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu cuối ít hơn, tăng tính di động cho thiết bị Vì vậy nó được 3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng lên

1.1.4 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ

Trung tâm của hệ thống truyền dẫn LTE là việc sử dụng kỹ thuật truyền dẫn chia sẻ kênh truyền (shared channel transmission), khi đó tài nguyên miền tần số - thời gian được chia sẻ tự động giữa những người dùng

Kỹ thuật này tương tự với phương pháp được dùng trong HSDPA, mặc dù cũng thấy rõ sự khác nhau trong việc chia sẻ tài nguyên giữa thời gian và tần

số trong trường hợp của LTE và giữa thời gian và mă phân kênh (channelization codes) trong trường hợp của HSDPA

Việc sử dụng truyền dẫn chia sẻ kênh truyền rất phù hợp với những yêu cầu đặt ra của dữ liệu gói do tài nguyên cần phải thay đổi nhanh chóng cũng như là cho phép nhiều công nghệ quan trọng khác được dùng bởi LTE Khối hoạch định (scheduler) sẽ điều khiển việc phân phát tài nguyên chia sẻ cho

người dùng tại mỗi thời điểm Nó cũng quyết định tốc độ dữ liệu được sử dụng cho mỗi đường truyền, đó là gọi là thích ứng tốc độ và nó là có thể xem

là một phần của bộ scheduler Scheduler là thành phần chính và mang tính quyết định lớn đối với hiệu suất của toàn bộ đường xuống, đặc biệt trong những mạng có tải trọng cao Cả truyền dẫn đường lên và đường xuống đều phải được hoạch định chặt chẽ Độ tăng ích thực chất trong khả năng hệ thống

có thể đạt được nếu đặc tính kênh truyền được lưu ý đến trong việc quyết định phân bố, và được gọi là hoạch định phụ thuộc kênh truyền Kỹ thuật này hiện đang được khai thác trong HSDPA, khi đó scheduler đường xuống sẽ truyền tới người dùng với tốc độ dữ liệu tối đa nếu điều kiện kênh truyền gặp thuận lợi và trong một chừng mực nào đó thì kỹ thuật này cũng được áp dụng cho đường lên nâng cao (enhanced uplink) Tuy nhiên, ngoài miền thời gian thì LTE cũng truy cập tới miền tần số, do việc sử dụng OFDM cho đường xuống

và DFTS-OFDM cho đường lên Vì vậy đối với mỗi miền tần số, bộ scheduler

có thể lựa chọn cho người dùng kênh truyền có đặc tính tốt nhất Mặt khác, việc hoạch định trong LTE có thể quan tâm đến sự biến đổi kênh truyền không chỉ trong miền thời gian, như HSDPA, mà còn trong cả miền tần số Điều này được minh họa trong hình 1.2

Khả năng của kỹ thuật hoạch định phụ thuộc kênh truyền trong miền tần số đặc biệt hữu ích khi mà tốc độ của thiết bị đầu cuối là thấp, nói cách khác nghĩa là kênh truyền thay đổi chậm theo thời gian Kỹ thuật hoạch định phụ thuộc kênh truyền dựa trên sự thay đổi chất lượng kênh giữa những người dùng để đạt được độ tăng ích trong hiệu suất hệ thống Đối với những dịch vụ nhạy cảm với trễ, scheduler miền thời gian có thể được hoạch định cưỡng bức cho một người dùng riêng biệt, cho dù chất lượng kênh truyền không đạt được giá trị đỉnh Trong những tình huống như vậy, việc khai thác sự thay đổi chất lượng kênh truyền trong miền tần số sẽ giúp cải thiện hiệu suất của toàn hệ

thống Đối với LTE, việc quyết định phân bố (scheduling decisions) có thể được đưa ra với định kỳ sau mỗi 1ms và độ chi tiết trong miền tần số là 180 KHz Điều này cho phép những sự thay đổi kênh truyền tương đối nhanh có thể được theo dõi bởi bộ scheduler

c Hoạch định đường xuống

Trong đường xuống, mỗi thiết bị đầu cuối sẽ báo cáo một đánh giá về chất lượng kênh truyền tức thời cho trạm gốc Những đánh giá này có được bằng cách đo lường một tín hiệu tham khảo, được truyền từ trạm gốc và nó cũng được sử dụng cho mục đích giải điều chế Dựa trên những đánh giá về chất lượng kênh truyền, scheduler đường xuống có thể ấn định lượng tài nguyên cấp phát cho các người dùng và chất lượng kênh truyền vẫn được đảm bảo Trên lý thuyết, một thiết bị đầu cuối được phân bố có thể được chỉ định một tổ hợp bất kỳ của các khối tài nguyên rộng 180KHz trong mỗi khoảng thời gian phân bố 1ms (1ms scheduling interval)

Hình 1.2 Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số

b Hoạch định đường lên

Đường lên LTE dựa trên sự phân các trực giao giữa các người dùng và nhiệm vụ của scheduler đường lên là phân phát tài nguyên cả về thời gian và tần số (kết hợp TDMA/FDMA) cho các người dùng khác nhau Quyết định phân bố được đưa ra sau mỗi 1ms, có nhiệm vụ điều khiển những thiết bị đầu cuối nào được phép truyền đi thuộc phạm vi 1 cell trong suốt một khoảng thời gian cho trước, và quyết định tài nguyên tần số nào được dùng cho quá trình truyền dẫn cũng như là tốc độ dữ liệu nào đang được sử dụng Chú ý rằng chỉ một miền tần số kề nhau có thể được cấp cho những thiết bị đầu cuối trong đường lên như là một hệ quả của việc sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang cho đường lên LTE

1.1.5 Giải pháp đa anten (MIMO)

Để đạt được tốc độ truyền và nhận dữ liệu cao, công nghệ LTE cũng yêu cầu những cải tiến trong phần anten Công nghệ MIMO là một giải pháp phù hợp cho những yêu cầu đó

MIMO(Multi Input Multi Output)là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát

và nhiều ăng ten thu để truyền và nhận dữ liệu Điều này khắc phục được ảnh hưởng của hiện tượng đa đường Đa đường xảy ra khi các tín hiệu khác nhau đến máy thu tại các khoảng thời gian khác nhau MIMO chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng đơn lẻ, phát các luồng dữ liệu này trên cùng một kênh vô tuyến tại cùng một thời điểm Phía thu sử dụng một thuật toán để xử lý và tạo

ra tín hiệu phát ban đầu từ nhiều tín hiệu thu được

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả trải phổ Với hướng Downlink, MIMO 2x2 (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 đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO Trong đó, kỹ thuật

ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE

Hình 1.3 Truyền dẫn đa anten MIMO

Ưu điểm của MIMO là gia tăng tốc độ truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên cùng một băng thông, đồng thời giảm chi phí truyền tải Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu mạnh nhất từ một ăng ten tại một vị trí nào đó.Trong việc truyền thông bằng sóng

vô tuyến, những chướng ngại trên đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như địa hình, các tòa cao ốc, dây điện và những cấu trúc khác trong khu vực đều

có thể làm cho sóng bị phản xạ hoặc khúc xạ Những yếu tố này ít nhiều cũng làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hay mất hẳn.Trong truyền thông kỹ thuật số, những yếu tố nói trên có thể làm giảm tốc độ truyền cũng như chất lượng của

dữ liệu.Trong công nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều ăngten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định Điều này cũng tương tự như đôi taicủa chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ thế giới bên ngoài, nhưng sau đó não bộ sẽ chọn lọc và phân loại những âm thanh đó MIMO cũng có thể ghép kênh theo không gian để phân biệt những tín hiệu khác nhau trên cùng một tần số

Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO

Ưu điểm:

Về dung lượng: do sử dụng nhiều anten nhiều anten phát và thu nên có thể truyềnnhiều đường dữ liệu song song, nêndung lượng tăng theo số lượng anten có trong hệthống

Về chất lượng: tăng độ phân tập của hệ thống trong k ênh truyền Fading nên có thểgiảm được xác suất lỗi (BER hoặc SER) Ngoài ra với kỹ thuật tạo búp, tín hiệu đượctruyền theo hướng mong muốn do đó công suất phát chỉ tập trung vào hướng truyền,dođó giảm công suất phát của các thiết bị

Nhược điểm:

Do hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten phát và thu nên:Nhiều anten nên giá thành phần cứng của hệ thống MIMO phải lớn hơn so với hệthống SISO

Độ phức tạplớn và giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn.Tăng thể tích của các thiết bị (vì số lượng anten vừa nhiều vừa phải đảm bảo khoảngcách giữa các anten để các kênh không tương quan) trong khi xu hướng thiết bị càng ngày càng nhỏ

1.1.6 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều

chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong

kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát

đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ

do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm.Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM

để duy trì sự ngăn cách giữa những đài.Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng

bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số

lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ.Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT.Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau

đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển

từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT Sau đó, tùy vào

sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization)

)

h(n)

y f (n )

Loại bỏ dải bảo

Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang

thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này

cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa

ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Hình 1.5 Phổ của sóng mang con OFDM

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:

)) ( ( 2 1

0

1 )

Trong đó,

a l,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l

N: số sóng mang nhánh L: chiều dài tiền tố lặp (CP)

Khoảng cách sóng mang nhánh là

s

NT T

1 1



Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau.Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác.Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao

1.2 LTE-ADVANCED

LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản Release 10, nhằm đáp ứng những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di động thế hệ thứ 4 (4G)

1.2.1 Các yêu cầu của LTE-Advanced [13]

- Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến 40 MHz

- Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)

- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử sử dụng MIMO 4x4)

- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6.75 b/s/Hz (giả

sử sử dụng MIMO 4x4)

- Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1.5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s thường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G)

1.2.2 Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced [13]

a 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 thỏa mãn 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 100 MHz 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 đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết Đối với thiết

bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập

Hình 1.3 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 một lượng 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 lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi.Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất

Hình 1.6 Ví dụ về khối tập kết sóng mang

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

b Giải pháp đa anten mở rộng

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced Thiết

kế đa anten LTE hiện tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã Cấu trúc này cung cấp cả sự ghép 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/s vượt

xa so với yêu cầu của LTE-Advanced Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự

mở rộng băng tần

c Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Mục tiêu về tốc độ số liệu củaLTE-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 là một cách.Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một 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 nút đơn được mô tả ở hình 1.4 Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm 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

từ nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và

xử lý ở bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyền đang 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 dụng cho việc đánh giá kênh Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết quả là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất ở trạng thái rỗi

Hình 1.7 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu cuối riêng, trong khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn điểm Ở phía mạng, bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực hiện phối hợp các hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở

các điểm truyền dẫn khác nhau Có thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị riêng để giảm can nhiễu giữa những người sử dụng Loại truyền dẫn đa điểm phối hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ở trên nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó còn cho phép phối hợp can nhiễu giữa những người 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 dẫn phối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao nhiêu, ) Thông tin 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 tín hiệu 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

d Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng tốc độ số liệu Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự thu được Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không Những bộ lặp như vậy không hiển thị đối với cả thiết

bị đầu cuối và trạm gốc Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người 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 có thể

cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặp được bật lên Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động

Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ Đây thường được xem là chuyển tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp Khi nút trung gian giải

mã hóa và tái mã hóa khối số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối

Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính năng 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 được thực 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 tạp âm), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng

Hình 1.8 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced

1.3 SO SÁNH LTE và LTE-ADVANCED

Bảng dưới đây là sự so sánh tổng quát các yêu cầu về tốc độ, băng thông, tính năng di động, vùng phủ sóng và dung lượng của LTE và LTE-Advanced

Bảng 1.1: So sánh các yêu cầu của LTE và LTE-Advanced

- Vẫn hoạt động tốt ở tốc độ đến 120 km/hr

- Vẫn duy trì được hoạt động ở tốc độ đến 350 km/hr

- Tương tự như LTE

Vùng phủ sóng - Lên đến 5 Km - Tương tự như yêu cầu

của LTE

- Nên được tối ưu cho các môi trường vùng nội hạt/micro cell

Dung lượng - Cell với 200 người dùng

hoạt động trong 5 MHz

- Gấp 03 lần LTE

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này đã nghiên cứu được các yêu cầu cũng như các thành phần chủ yếu của mạng LTE, đồng thời so sánh những thông số cơ bản giữa LTE và LTE-Advanced.Mạng 4G LTE ra đời đã thể hiện những ưu điểm vượt trội so với các mạng thế hệ trước Chính vì vậy, LTE được chọn là công nghệ cho thế hệ 4G và trong chương tiếp theo sẽ nghiên cứu về kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng di động 4G

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP

GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Để đạt được các yêu cầu về tốc độ, dung lượng, vùng phủ sóng, nhiều công nghệ thành phần được đề xuất sử dụng cho LTE-Advanced như: giải pháp đa anten mở rộng, truyền dẫn đa điểm phối hợp, các bộ lặp/chuyển tiếp, Kỹ thuật chuyển tiếp là một trong những công nghệ đem lại nhiều lợi ích nhằm đáp ứng và thỏa mãn những yêu cầu đó

Nguyên lý của kỹ thuật chuyển tiếp là việc sử dụng nút chuyển tiếp (RN: Relay node) để nhận và truyền dữ liệu giữa eNodeB và thiết bị người dùng UE thông qua việc truyền dẫn qua nhiều chặng

Hình 2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp

Hình 2.1 là mô hình mạng chuyển tiếp với sự hiện diện của 03 nút: nút nguồn (eNodeB), nút chuyển tiếp (Relay node) và nút đích (UE2) Nút đích

nhận dữ liệu từ nguồn thông qua nút chuyển tiếp Tuyến truyền dẫn ở đây chia làm 02 chặng: tuyến giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp được gọi là tuyến

chuyển tiếp (relay link) và tuyến giữa nút chuyển tiếp và nút đích được gọi là tuyến truy nhập (access link)

Các ưu điểm của việc sử dụng nút chuyển tiếp:

- Mở rộng vùng phủ sóng của eNodeB

- Cung cấp tốc độ dữ liệu cao, đặc biệt tại khu vực rìa cell, nơi mà ở đó

có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp

- Nâng cao chất lượng hệ thống

- Tối ưu được tiêu thụ công suất trên toàn bộ tuyến truyền dẫn

- Giá thành thiết bị thấp hơn eNodeB

- Nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt ở những nơi mà khó có thể lắp đặt eNodeB như trong tòa nhà

Hình 2.2 Mở rộng vùng phủ sử dụng nút chuyển tiếp

2.1 CÁC LOẠI NÚT CHUYỂN TIẾP [9]

Hai loại nút chuyển tiếp được định nghĩa trong chuẩn 3GPP

LTE-Advanced: loại 1 và loại 2

Một nút chuyển tiếp loại 1 có thể giúp một UE ở xa, nằm ngoài vùng phủ của eNodeB, truy nhập đến eNodeB Vì thế node chuyển tiếp loại 1 cần phát tín hiệu tham chiếu chung và thông tin điều khiển cho eNodeB, và mục