Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Hiệu khoảng cách giữa các thuê bao DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang Hình 1.2 Sơ đồ khối chức năng p

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG ĐÌNH SÁNG

ĐIỀU KHIỂN GIẢM CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO

TRONG HỆ THỐNG LTE

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trịnh Anh Vũ

Hà Nội - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này và kết quả đạt được là của là do tôi thực hiện Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Trịnh Anh Vũ, giảng viên Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Những kết quả đạt được trong quá trình tôi thực hiện Luận văn là trung thực và có được từ những tìm hiểu, nghiên cứu và mô phỏng mà tôi đã tiến hành trong thời gian qua

Học viên

Dương Đình Sáng

LỜI CẢM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dạy dỗ, dìu dắt em trong suốt thời gian học tại trường

Để hoàn thành Luận văn nay, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, đặc biệt là thầy giáo PGS.TS Trịnh Anh Vũ, người trực tiếp hướng dẫn Luận văn đã hết sức tạo điều kiện, tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian làm Luận văn tốt nghiệp

Trân trọng./

Học viên

Dương Đình Sáng

MỤC LỤC

Trang phụ bìa………

Lời cam đoan……… 1

Lời cảm ơn……… 2

Mục lục………3

Danh mục các chữ viết tắt……….5

Danh mục các bảng……….6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị……… 6

MỞ ĐẦU……….8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM VÀ OFDMA… ………9

1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM……… 9

1.1.1 Mở đầu……… ………9

1.1.2 Đa sóng mang……….9

1.1.3 Sóng mang trực giao……… ………10

1.1.4 Cơ sở phương pháp OFDM………… ……… ………10

1.2 Đặc điểm của OFDM ……… ………14

1.3 Kỹ thuật OFDMA……….16

1.4 So sánh OFDM và OFDMA……… ………18

1.5 Kết luận……… …… 19

CHƯƠNG 2: CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO TRONG MẠNG LTE/LTE-A……… 20

2.1 Tổng quan mạng LTE………20

2.2 Mạng đồng nhất và mạng hỗn hợp trong LTE/LTE-A…… ………22

2.3 Can nhiễu giữa các tế bào trong mạng LTE/LTE-A……….………23

2.4 Kết luận……….……25

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN GIẢM NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO TRONG MẠNG LTE/LTE-A………27

3.1 Công nghệ điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào ICIC trong LTE……… 27

3.1.1 Tái sử dụng tần số cứng ………28

3.1.2 Tái sử dụng tần số phân số ……… 28

3.1.3 Tái sử dụng tần số mềm ………29

3.1.4 Tính hiệu X2 hỗ trợ ICIC……….30

3.1.5 Hoạt động cơ bản của ICIC……… 31

3.2 Công nghệ điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào tăng cường eICIC trong LTE-A……….33

3.2.1 Khái niệm eICIC………33

3.2.2 Kỹ thuật dùng khung con gần như trống ABS……….34

3.2.3 Sự kết hợp sóng mang với lập lịch chéo sóng mang …… …37

3.2.4 Sự mở rộng cell……… 41

3.2.5 Phối hợp đa điểm……… .……….42

3.3 Kết luận……… …… …42

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ KỊCH BẢN GIẢM CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO……… 44

4.1 Mô tả kịch bản và thuật toán……… ………44

4.1.1 Kịch bản I: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu kênh ngược đường lên ……… ……44

4.1.2 Kịch bản 2: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu trên kênh xuôi đường xuống……… ……… ……47

4.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá kết quả……….49

4.2.1 Kịch bản I: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu kênh ngược đường lên.……… ……… …….49

4.2.2 Kịch bản 2: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu trên kênh xuôi đường xuống……… ………52

4.3 Kết luận……… ……… ……….54

KẾT LUẬN……… 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….…56

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết

ABS Almost Blank SubFrame Khung gần như trống

BS Base Staion Trạm cơ sơ

CA Carrier Aggregation Sự kết hợp sóng mang

CCS Cross Carrier Schelduling Lập lịch chéo sóng mang

CRE Cell Range Expansion Mở rộng vùng tế bào

CoMP Coordinated Multi Point Phối hợp đa điểm

CSG Closed Subscriber Group Nhóm thuê bao gần nhau

eICIC Enhanced Inter-Cell Interference

Coordination

Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào tăng cường

eNB Enhanced Node B Node B tăng cường

HeNB Home eNodeB eNB gia đình

HetNet Heterogeneous Network Mạng hỗn hợp

ICIC Inter-Cell Interference Coordination Điều khiển giảm can nhiễu giữa

các tế bào LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

LTE-A Long Term Evolution -Advanced Tiến hóa dài hạn nâng cao

MeNB Macro-cell eNodeB eNB lớn

MS Mobile Station Thuê bao di động

OFDM Orthogonal Frequency-Division

PBCH Physical Broadcast Channel Kênh quảng bá vật lý

PCC Primary Component Carrier Sóng mang thành phần sơ cấp

PCFICH Physical Control Format Indicator

Channel

Kênh chỉ số định dạng điều khiển vật lý

PDCCH Physical Downlink Control Channel Kênh điều khiển đường xuống

vật lý PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xống vật lý PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

RB Resource Block Khối tài nguyên

RN Relay Node Nút lặp lại

SCC Second Component Carrier Sóng mang thành phần thứ cấp

UE User end Người dùng đầu cuối

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Hiệu khoảng cách giữa các thuê bao

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang

Hình 1.2 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang

Hình 1.3 Các sóng mang trực giao

Hình 1.4 Biểu diễn FFT của dạng sóng thời gian

Hình 1.5 Phổ mật độ công suất

Hình 1.6 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao

Hình 1.7 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM)

Hình 1.8 Sơ đồ khối

Hình 1.9 Phân chia nguồn tài nguyên

Hình 1.10 Phân chia kênh trong OFDM

Hình 1.11 Chèn khoảng bảo vệ

Hình 1.12 Các sóng mang đồng bộ

Hình 1.13 Phân chia kênh OFDMA

Hình 1.14 Khối tài nguyên

Hình 1.15 Cấu trúc khung trong OFDMA

Hình 1.16 So sánh OFDM và OFDMA

Hình 2.1 LTE là sự hội tụ của nhiều nhánh công nghệ

Hình 2.2 Kiến trúc cơ bản và giao diện trong LTE

Hình 2.3 Truy cập OFDMA và SC-FDMA trong LTE

Hình 2.4 Mạng đồng nhất với các eNB trong LTE

Hình 2.5 Mạng hỗn hợp với các cell lớn và cell nhỏ trong LTE-A

Hình 2.6 Khả năng can nhiễu mạng đồng nhất trong LTE

Hình 2.7 Khả năng can nhiễu mạng hỗn hợp trong LTE-A

Hình 2.8 Mạng hỗn hợp với DeNB và RN

Hình 3.1 Can nhiễu giữa các tế bào trong LTE

Hình 3.2 Tái sử dụng tần số cứng

Hình 3.3 Tái sử dụng tần số phân số

Hình 3.4 Tái sử dụng tần số mềm

Hình 3.5 Phân bổ tần số khi có phối hợp qua tín hiệu X2

Hình 3.6 Hoạt động cơ bản của ICIC

Hình3.7 Mạng đồng nhất và mạng hỗ hợp

Hình 3.8 Công nghệ ABS trong eICIC

Hình 3.9 Kênh điều khiển (PDCCH) và kênh dữ liệu (PDSCH)

Hình 3.10 Nhiễu bởi kênh điều khiển của macro cell trong HetNet

Hình 3.17 Phối hợp đa điểm

Hình 4.1 Kỹ thuật ICIC trong LTE

Hình 4.2 Kỹ thuật eICIC trong LTE-A

Hình 4.3 Thông lƣợng trung bình hệ thống với khoảng cách giữa 2 cell là 100m

Hình 4.4 Thông lƣợng trung bình hệ thống với khoảng cách giữa 2 cell là 110m

Hình 4.5 Thông lƣợng trung bình hệ thống với khoảng cách giữa 2 cell là 130m

Hình 4.6 Thông lƣợng trung bình hệ thống khi có và khi không phân khe thời gian với bán kính small cell 30m

Hình 4.7 Thông lƣợng trung bình hệ thống khi có và khi không phân khe thời gian với bán kính small cell 50m

Hình 4.8 Thông lƣợng trung bình hệ thống khi có và khi không phân khe thời gian với bán kính small cell 80m

MỞ ĐẦU

LTE viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là tiến hóa dài hạn LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu, nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA Các yêu cầu chính cho mạng truy cập là hiệu quả phổ tần cao, tốc độ dữ liệu cao, thời gian ngắn cũng như sự linh hoạt trong tần

số và băng thông Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức Dự án đối tác thế hệ thứ

3 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của phiên bản 8 (Release 8) và được cập nhật trong các phiên bản tiếp theo, đến phiên bản 10 được gọi là LTE-Advanced Trong mạng LTE/LTE-A, tại đường xuống (downlink) sử dụng giải pháp truy cập mới dựa trên công nghệ đa truy cập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), kết hợp với điều chế bậc cao hơn, băng thông lớn và ghép kênh không gian trong đường xuống nên có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao Tuy nhiên, một trong những nguy

cơ lớn nhất làm giảm thông lượng hệ thống trong mạng LTE/LTE-A đó là can nhiễu giữa các tế bào do tần số được tái sử dụng với hệ số là 1, tần số sóng mang trên các cell là như nhau nhằm tận dụng tài nguyên vô tuyến

Để nhằm giảm và tránh việc giảm thông lượng hệ thống do can nhiễu giữa các tế bào, các kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào được nghiên cứu và áp dụng Trong mạng LTE thường đề cập đến kỹ thuật ICIC (Inter-Cell Interference Coordination), trong mạng LTE-A thường đề cập đến kỹ thuật eICIC (enhenced ICIC)

Luận văn này sẽ trình bày về những vấn đề lý thuyết liên quan đến OFDM/OFDMA và các kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong mạng LTE/LTE-A, mô phỏng và đánh giá một số kịch bản điều khiển giảm can nhiễu Kết quả thu được có thể được xem xét áp dụng trong quy hoạch mạng và là tiền đề để tiếp tục nghiên, áp dụng các kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu trong các phiên bản tiếp theo của mạng LTE Nội dung cụ thể của Luận văn được phân bố trong các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM và OFDMA

Chương 2: Can nhiễu giữa các tế bào trong mạng LTE/LTE-A

Chương 3: Kỹ thuật giảm can nhiễu giữa các tề bào trong mạng LTE/LTE-A Chương 4: Mô phỏng và đánh giá một số mô hình giảm can nhiễu giữa các tế bào

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM VÀ OFDMA 1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM

1.1.1 Mở đầu

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal division multiplexing) là một phương pháp mã hóa các dữ liệu kỹ thuật số trên nhiều tần số sóng mang

frequency-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 với 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

Trong OFDM, các kênh truyền con có khả năng chồng lấn phổ lên nhau bằng cách lựa chọn các sóng mang cho các kênh truyền con trực giao với nhau Bên cạnh những ưu điểm được kế thừa từ điều chế đa sóng mang, OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn nhiều

1.1.2 Đa sóng mang

Số lượng sóng mang được lựa chọn sao cho độ dài ký tự tại các kênh con lớn hơn nhiều lần thời gian trễ của mỗi kênh con hay băng thông của mỗi kênh con nhỏ hơn nhiều băng thông liên kết của kênh truyền Điều kiện đó ngăn chặn nhiễu giữa các ký tự trong mỗi kênh truyền con

Với một hệ thống điều chế tuyến tính có tốc độ truyền R và băng thông B

Giả sử kênh truyền là kênh Fading lựa chọn, tức là băng thông liên kết kênh

truyền (B c ) nhỏ hơn băng thông của hệ thống (B c <B) Hệ thống được chia nhỏ thành N hệ thống điều chế con, mỗi kênh truyền con có băng thông B N = B/N

<< B c , cho phép ngăn chặn nhiễu fading trên mỗi kênh con Tương ứng trên

miền thời gian TN ≈ 1/BN >> 1/BC ≈ Tm với Tm là thời gian trễ của kênh truyền

Do vậy nếu N càng lớn thì độ dài ký tự càng lớn hơn nhiều thời gian trễ kênh truyền nên ngăn chặn được nhiễu ISI trong kênh truyền

Tín hiệu điều chế đa sóng mang được tạo ra bởi hệ thống (Hình 1.1), dữ liệu gồm N đường khác nhau nếu sử dụng xung cos nâng có hệ số β để sửa dạng tín hiệu thì chiều dài ký tự TN = (1+β)/BN với β là hệ số của xung Tín hiệu điều chế

kết hợp của tất cả các kênh con được cộng lại để tạo dạng tín hiệu phát s(t)

N i

i i i

trong đó si là ký tự cần truyền trên sóng mang thứ i, i là sai pha của sóng mang

thứ i, sóng mang thứ i có tần số f i = f 0 + i.B N với i = 0, 1, 2,…, N-1

Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang [2]

Khối mapper là khối chuyển đổi tương ứng một chuỗi bít thành ký tự phức, khối này có thể thực hiện nhiều kiểu chuyển đổi như QAM, QPSK, …

Bộ thu cho kiểu điều chế đa sóng mang này có các chức năng thể hiện như hình 1.2 Tín hiệu thu được gồm tín hiệu phát và nhiễu tạp trong kênh truyền được cho qua các bộ lọc để tách ra tín hiệu tương ứng trong từng kênh con khác nhau Sau đó giải điều chế từng kênh con với các sóng mang tương ứng và ánh

xạ ngược các ký tự thu được để thu được chuỗi bit của từng kênh truyền Bộ chuyển đổi nối tiếp sóng sóng liên kết các chuỗi bít của các kênh con tạo lại dạng dữ liệu ban đầu

Hình 1.2 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang [2]

t s

t íi

M1,2,3 , k

Tt0 víi

t)

v

kf t

k

0

2sin(

)

(1.3)

các hàm này biểu diễn các subcarrier cho tín hiệu OFDM chưa điều chế Trong

đó f0 là khoảng cách giữa các subcarrier, M là số subcarrier, T là chu kỳ ký tự

Do thành phần có tần số cao nhất là Mf0 nên băng tần cũng là f0

Hình 1.3 Các sóng mang trực giao

Hình 1.4 Biểu diễn FFT của dạng sóng thời gian

Hình (4a) và (4b) là kết quả tổng hợp của 4 subcarrier [2]

1.1.4 Cơ sở phương pháp OFDM

Thực chất phương pháp OFDM là chia dòng dữ liệu đầu vào thành nhiều dòng dữ liệu song song có tốc độ bit nhỏ hơn nhiều lần Sau đó truyền chúng trên trên những sóng mang phụ như là những kênh con Các sóng mang phụ được ghép tần số trực giao nhau để tránh gây can nhiễu với nhau Việc ghép như vậy làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần rõ rệt

Một sóng mang phụ về mặt toán học i(t) được biểu diễn dưới dạng hàm Exp như sau:

i(t) = Ae j(2ft) (1.4) trong đó f =

( 

Mật độ phổ công suất của sóng mang i(t) như công thức (1.6) Trong đó phổ có một đỉnh tại tần số trung tâm và các điểm 0 tại các tần số biên tương ứng với các bội số tốc độ của dãy symbol đưa vào điều chế

Hai sóng mang nằm kề nhau trên trục tần số có phổ trực giao nhau khi chúng thoả mãn điều kiện:

b

a

dt ) t (

* m ).

t (

0

e ) t

) t m ( j m

0

e ) t

0

2 T T

1 f

a

) t m ( j ) t n ( j b

a

* m

n(t) (t)dt e e dt (1.13)

Hình 1.5 Phổ mật độ công suất

f

1/T-1/T

2/T

-3/T-2/T

Do n  m(n,m  N) nên

ej(n-m)2 = Cos2(n- m)  + j sin2(n- m) = 1 (1.14) Vậy tích phân của 2 hàm Exp có tần số liên tiếp là n+1 = n+ 2.1/T0 xác định trong khoảng (a, a+T0) có giá trị bằng 0 là trực giao nhau

Hình 1.6 biểu diễn mật độ phổ của 2 sóng mang có tần số liên tiếp trực giao nhau Ý nghĩa vật lý của nó là khi giải điều chế một sóng mang này bộ giải điều

chế sẽ "Không thấy" sóng mang kia Nghĩa là các sóng mang không gây nhiễu

lẫn nhau Về mặt phổ tín hiệu, điểm phổ có năng lƣợng cao nhất của một sóng mang sẽ trùng với điểm phổ có năng lƣợng bằng không của sóng mang lân cận

Do các sóng mang đặt rất gần nhau nên hiệu quả sử dụng phổ rất cao

Hình 1.6 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao

Hình 1.7 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM) Nhƣ vậy, tính trực giao giữa các sóng mang phụ có thể đƣợc lý giải nhƣ sau Mỗi sóng mang phụ đƣợc điều chế bởi dòng dữ liệu con sẽ cho phổ nhƣ hình 1.7 Khi khoảng cách giữa các sóng mang phụ đƣợc lựa chọn sao cho thỏa mãn tính trực giao nhau, nghĩa là đỉnh phổ của một sóng mang phụ trùng với các điểm không của phổ các sóng mang phụ còn lại Việc giải điều chế của từng sóng mang phụ vì thế sẽ không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang phụ khác Điều này giống nhƣ việc giải điều chế kết hợp không có ISI (Inter Symbol Interference) thực hiện trong miền thời gian đối với tín hiệu số truyền qua kênh

có đặc tính lọc thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất, ở đây chỉ khác là tính trực giao đƣợc xét trong miền tần số

f

n

f

Hình 1.8 Sơ đồ khối thu phát OFDM Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu sóng sóng tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/sóng sóng (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng dữ liệu sóng sóng 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 IDFT 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 DFT dùng thuật toán 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) 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

1.2 Đặc điểm của OFDM

Phân chia kênh

Trong OFDM, kênh truyền được tạo nên dựa trên sự phân chia nguồn tài nguyên thành các sóng mang con (sub-carrier) và các ký hiệu (symbol) Kênh truyền bởi tất cả các sóng mang con của ký hiệu được dùng để cung cấp dữ liệu cho một người dùng xác định Hình 1.10 mô tả sự phân kênh của OFDM

y f (n) )

Ước lượng kênh

Chèn dải bảo vệ

Loại bỏ dải bảo

Hình 1.9 Phân chia tài nguyên [4]

Hình 1.10 Phân chia kênh trong OFDM [10]

Chèn khoảng bảo vệ và đồng bộ

Do hiệu ứng truyền đa đường, nên phần đầu mỗi symbol sẽ bị nhiễu bởi symbol trước đó OFDM khắc phục điều này bằng cách chèn thêm một khoảng bảo vệ trước mỗi symbol như trên hình 1.11

time

frequency

Useful symbol duration Guard Interval

duration

OFDM symbol

Hình 1.11 Chèn khoảng bảo vệ [2]

Hệ thống sử dụng các sóng mang phụ "pilot" trải đều trong kênh truyền dẫn, đóng vai trò là các điểm đánh dấu đồng bộ (Synchronisation Markers) như trên

hình 1.12 Tín hiệu pilot được sử dụng để đồng bộ khung, đồng bộ tần số, đồng

bộ thời gian, đánh giá kênh truyền, nhân dạng mode truyền

Hình 1.12 Các sóng mang đồng bộ [2]

Đặc điểm của OFDM

Khả năng thích ứng với hiệu ứng truyền đa đường là một trong các đặc tính

ưu việt của phương pháp OFDM Trong miền thời gian, tín hiệu do phản xạ từ các chướng ngại vật sẽ đến máy thu trễ trong vòng hàng chục s Do đó, nếu chu

kỳ tín hiệu số trên sóng mang dài hơn khoảng thời gian trễ nói trên thì tiếng vọng từ các symbol trước sẽ tắt trong một phần nhỏ của symbol đang xét Điều này hoàn toàn có thể thực hiện được vì hệ thống OFDM thực hiện việc chuyển

từ truyền nối tiếp sang truyền sóng sóng nên cho phép kéo dài symbol ứng với mỗi sóng mang phụ lên N lần Ngoài ra, để ổn định sóng mang thì khoảng thời gian bảo vệ T(guard) được chèn thêm vào trước khoảng thời gian symbol Do có thêm khoảng thời gian bảo vệ này mà tại máy thu các tiếng vọng không được bộ giải điều chế xử lý khi chúng nằm trong khoảng bảo vệ

Hệ thống OFDM còn có khả năng chịu đựng nhiễu băng hẹp Nếu trong phạm vi phủ sóng có tồn tại nguồn nhiễu băng hẹp rơi vào kênh tần hoạt động của hệ thống OFDM thì hệ thống có thể chấp nhận không truyền một số sóng mang bằng cách đặt biên độ các sóng mang đó bằng 0 Điều này cũng tương tự như trường hợp một số sóng mang bị suy giảm do tác động của pha đing chọn lọc tần số Khi đó chính hệ thống OFDM cũng giảm thiểu được việc gây nhiễu đến hệ thống được xem là nguồn nhiễu kia

1.3 Kỹ thuật OFDMA

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthorgonal Frequency Division Multiple Access) là kỹ thuật đa truy nhập dựa trên điều chế OFDM OFDMA là công nghệ OFDM đa người dùng, trong đó người dùng có thể được chỉ định trên cả TDMA và FDMA Trong OFDMA, một người sử dụng không nhất thiết phải chiếm tất cả các sóng mang con tại bất kỳ thời điểm nào Nói cách khác, một tập hợp con của các sóng mang con được gán cho một người dùng cụ thể Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp đồng thời từ nhiều người dùng

Một tài nguyên cơn bản (resource element) là tài nguyên vật lý nhỏ nhất, nó gồm một sóng mang con chứa một ký hiệu OFDM Một nhóm các tài nguyên cơ bản tạo nên một khối tài nguyên RB (resource blocks)

Hình 1.13 Phân chia kênh OFDMA[4]

Trong hệ thống LTE, công nghệ OFDMA áp dụng cho đường xuống Tín hiệu đường xuống bao gồm nhiều sóng mang con chứa các ký hiệu OFDM Một khối tài nguyên RB chứa 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM, nó chiếm 1 khe thời gian 0.5ms Trên miền tần số, một khối tài nguyên RB chiếm 12 sóng mang con với

tổng băng thông 180kHz (hình 1.14)

Hình 1.14 Khối tài nguyên [13]

Một khung vô tuyến (frame) trong LTE có độ dài 10ms chứa 10 khung con (subframe) Mỗi khung con là 1ms và được chia thành 2 khe thời gian (slot), mỗi khe có độ dài 0.5ms

Hình 1.15 Cấu trúc khung trong OFDMA [15]

1.4 So sánh OFDM và OFDMA

Nếu như trong OFDM tất cả các sóng mang con của ký hiệu được dùng để cung cấp dữ liệu cho một người dùng xác định thì trong OFDMA các sóng mang con của mỗi symbol có thể được phân cho nhiều người dùng do đó nó tốt hơn trong việc sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần số Sự phân bổ động của OFDMA

là tốt hơn cho kênh đa người dùng tốc độ thấp và tránh được nhiễu và fadinh băng hẹp Có thể xem OFDMA là sự kết hợp của OFDM và TDMA

Hình 1.16 So sánh OFDM và OFDMA [10]

So sánh OFDM và OFDMA

- OFDM hỗ trợ đa người dùng (Multiple Access) dựa trên TDMA, trong khi OFDMA hỗ trợ đa người dùng trên hoặc TDMA hoặc FDMA hoặc cả hai cùng một lúc

- OFDMA hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ thấp đồng thời từ nhiều người dùng nhưng OFDM chỉ có thể hỗ trợ một người sử dụng tại thời điểm nhất định

- OFDMA so với OFDM cải thiện đáng kể trong khả năng chống lại fading

và nhiễu vì nó có thể gán tập hợp con của sóng mang con cho mỗi người dùng bằng cách tránh gán kênh xấu

- OFDMA hỗ trợ công suất cho mỗi kênh truyền hoặc sóng mang con, trong khi OFDM cần phải duy trì công suất giống nhau cho tất cả các sóng mang con

Hiện nay, OFDMA được ứng dụng trong các hệ thống như WiMAX di động

hệ thống LTE và các phiên bản tiếp theo, TiVi White Space

1.5 Kết luận

OFDM là một phương pháp mã hóa các dữ liệu kỹ thuật số trên nhiều tần số sóng mang 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 Nhờ vậy OFDM tăng khả năng thích ứng với hiệu ứng truyền đa đường và khả năng chịu đựng nhiễu băng hẹp

So sánh OFDM và OFDMA, trong OFDM tất cả các sóng mang con của ký hiệu được dùng để cung cấp dữ liệu cho một người dùng xác định còn trong OFDMA các sóng mang con của mỗi symbol có thể được phân cho nhiều người dùng do đó OFDMA tốt hơn trong việc sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần số Hiện nay, OFDMA được ứng dụng trong các hệ thống như WiMAX di động

hệ thống LTE và các phiên bản tiếp theo, TiVi White Space

CHƯƠNG 2: CAN NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO TRONG MẠNG

LTE/LTE-A 2.1 Tổng quan mạng LTE [7]

LTE viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là Tiến hóa dài hạn LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu, nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA Các yêu cầu chính cho mạng truy cập là hiệu quả phổ tần cao, tốc độ dữ liệu đỉnh cao, thời gian ngắn cũng như sự linh hoạt trong tần số và băng thông Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức Dự án đối tác thế hệ thứ 3 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của Phiên bản 8 (Release 8) và được cập nhật trong các phiên bản tiếp theo

Giải pháp truy cập mới trong LTE được dựa trên công nghệ đa truy cập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA và kết hợp với điều chế bậc cao hơn, băng thông lớn hơn và ghép kênh không gian trong đường xuống nên tốc

độ dữ liệu cao có thể đạt được Tốc độ dữ liệu đỉnh về lý thuyết cao nhất trên các kênh vận chuyển là 75 Mbps cho đường lên và trong đương xuống sử dụng ghép kênh không gian, tốc độ có thể lên tới 300 Mbps LTE là sự hội tụ của nhiều nhánh công nghệ được thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.1 LTE là sự hội tụ của nhiều nhánh công nghệ [4]

Cấu trúc tổng quan của mạng LTE được đơn giải hóa so với mạng thế hệ trước đó Mạng truy nhập của LTE chỉ đơn giản là một mạng lưới các trạm cơ

sở, Node B tăng cường (eNB) tạo ra một kiến trúc phẳng Các eNB liên kết nối với nhau thông qua giao diện X2 và kết nối hướng tới mạng lõi chuyển mạch gói nâng cao EPC (Evolved Packet Core) qua giao diện S1

+ Giao diện X2 có chức năng hỗ trợ chuyển giao giữa các eNB, triệt nhiễu

và cân bằng tải của hệ thống

+ Giao diện S1 hỗ trợ chia sẻ hạ tầng mạng, cân bằng tải hệ thống

Lý do cho việc liên kết giữa các trạm cơ sở trong LTE là để tăng tốc độ kết nối, thiết lập và làm giảm thời gian cần thiết cho một chuyển giao Thời gian cho một chuyển giao là đảm bảo cho dịch vụ thời gian thực

Hình 2.2 Kiến trúc cơ bản và giao diện trong LTE [4]

Để đạt được hiệu quả phổ tần vô tuyến cao cũng như cho phép lập kế hoạch hiệu quả trong cả miền thời gian và miền tần số, kỹ thuật đa truy cập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA được lựa chọn cho đường xuống Trong OFDMA các sóng mang con có thể được chia sẻ giữa nhiều người dùng Tuy nhiên, giải pháp OFDMA dẫn đến tỉ số công suất đỉnh trên trung bình cao PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), yêu cầu các bộ khuếch đại công suất tốn kém với yêu cầu cao về độ tuyến tính, làm tăng tiêu thụ năng lượng để gửi đi Điều này là không thành vấn đề trong các eNB, nhưng phía người dùng sẽ dẫn đến những điện thoại rất đắt, tiêu hao pin nhanh Do đó, ở đường lên lựa chọn giải pháp đa truy cập ghép kênh phân chia theo tần số đơn sóng mang SC-FDMA

(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) SC-FDMA tạo ra một tín hiệu với đặc điểm sóng mang đơn, do đó với một PAPR thấp

Hình 2.3 Truy cập OFDMA đường lên và SC-FDMA trong LTE [6]

2.2 Mạng đồng nhất và mạng hỗn hợp trong LTE/LTE-A

Quy hoạch mạng lưới hiệu quả là điều cần thiết để đối phó với sự gia tăng số lượng thuê bao dữ liệu di động băng rộng Nhà khai thác đã đáp ứng thách thức này bằng cách tăng dung lượng với phổ tần vô tuyến mới, bổ sung các kỹ thuật

đa ăng ten và thực hiện các phương pháp mã hóa, điều chế hiệu quả hơn

Tuy nhiên, những biện pháp này một mình là không đủ trong môi trường đông đúc nhất và ở vùng biên tế bào (cell), nơi hiệu suất có thể làm giảm đáng

kể Các nhà khai thác đã bổ sung thêm các tế bào kích thích nhỏ (small cell) và liên kết chặt chẽ chúng với các mạng vĩ mô (macro netwok) để mở rộng tải lưu lượng, duy trì hiệu suất và dịch vụ chất lượng cao trong khi tái sử dụng phổ tần hiệu quả nhất

Trong mạng LTE, một cách để mở rộng mạng vĩ mô hiện có trong khi vẫn duy trì nó như một mạng đồng nhất (Homogeneous network) đó là tăng mật độ bằng cách thêm nhiều hơn các thành phần (sector) trên mỗi eNB hoặc triển khai nhiều eNB lớn (macro eNB) Tuy nhiên, việc giảm khoảng cách giữa các trạm (site) trong mạng vĩ mô chỉ có thể theo đuổi đến một mức độ nhất định vì việc tìm kiếm vị trí trạm mới ngày càng trở nên khó khăn và có thể tốn kém, đặc biệt

là tại các trung tâm thành phố

Hình 2.4 Mạng đồng nhất với các eNB trong LTE [17]

Một cách khác để đáp ứng được nhu cầu tăng dung lượng là sử dụng các small cell với trạm cơ sở công suất thấp như Pico eNB (PeNB), Home-eNB (HeNB) hoặc nút chuyển tiếp RN (Relay Node) Việc này cho phép thiết lập các trạm dễ dàng hơn và giá thành rẻ hơn Small cell được thêm vào chủ yếu để tăng dung lượng tại các điểm nóng (hot spot) với nhu cầu sử dụng cao và thêm vào các khu vực không được phủ sóng bởi macro cell, giải pháp này được áp dụng cho cả ngoài trời và trong nhà Chúng cũng cải thiện hiệu suất mạng và chất lượng dịch vụ bằng cách giảm tải từ macro cell Kết quả là một mạng hỗn hợp (Heterogeneous network) với những macro cell kết hợp với các small cell cung cấp tốc độ bít tăng trên một đơn vị diện tích

Hình 2.5 Mạng hỗn hợp với các macro cell và small cell trong LTE-A [17]

2.3 Can nhiễu giữa các tế bào trong mạng LTE/LTE-A

Trongmạng LTEvà các phiên bản tiếp theo, việc kết hợp với các công nghệ khác nhau cùng với mục đích tận dụng phổ tần số được cấp nhằm đạt được tốc

độ dữ liệu cao, hệ thống được xem xét thiết kế chủ yếu dùng một tần số cho toàn mạng, hay hệ số tái sử dụng tần số là 1 Điều này sẽ dẫn đến những khả năng can nhiễu giữa các tế bào lân cận Đặc biệt đối với người dùng tại vùng biên tế

báo, khi đó người dùng có khả năng bị can nhiễu cũng như gây can nhiễu theo chiều ngược lại với trạm cơ sở lân cận

Đối với mạng đồng nhất trong hệ thống LTE, một người dùng ở biên của macro cell có khả năng bị can nhiễu cũng như gây can nhiễu ngược trở lại với macro cell lân cận Hình 2.6

Hình 2.6 Khả năng can nhiễu mạng đồng nhất trong LTE [18]

Đối với mạng hỗn hợp trong LTE-A, trong trường hợp các small cell thuộc quyền sử hữu riêng và được triển khai mà không phối hợp với các macro cell, nếu tần số sử dụng trong small cell là giống với tần số sử dụng trong macro cell thì nguy cơ xảy ra can nhiễu (hình 2.7)

Hình 2.7 Khả năng can nhiễu mạng hỗn hợp trong LTE-A [9]

Trong mạng hỗn hợp, nút chuyển tiếp RN (Relay Node) là một dạng khác của trạm cơ sở công suất thấp được thêm vào nhằm tăng cường vùng phủ và dung lượng tại vùng biên của cell, vùng điểm nóng, khu vực ở xã mà không cần kết nối cáp quang Nút chuyển tiếp RN được kết nối tới một DeNB (Donor eNB) thông qua giao diện vô tuyến Un, là một biến thể của giao diện Uu trong LTE Tại hình 2.6, khi tần số dùng trên giao diện Uu và Un cho RN là giống nhau, sẽ

có nguy cơ tự can nhiễu trong RN Từ phía người dùng sẽ xem RN hoạt động như một eNB và từ phía DeNB sẽ xem RN như một UE

Hình 2.6: Mạng hỗn hợp với DeNB và RN [6]

2.4 Kết luận

Trong mạng LTE và các phiên bản tiếp theo, việc thiết kế mạng hướng đến

sử dụng tài nguyên tần số trên toàn mạng nhằm tận dụng phổ tần số, có nghĩa là

tần số sử dụng tại các tế bào trong mạng là giống nhau nên nguy cơ cao xảy ra can nhiễu cả đường xuống và đường lên cho người dùng giữa các tế bào, đặc biệt tại vùng biên tế bào Đây là một trong những nguy cơ lớn làm giảm thông lượng hệ thống, vì vậy cần có những giải pháp để giảm, tránh nguy cơ can nhiễu Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽ đề cập đến các kỹ thuật điều khiển nhằm giảm can nhiễu giữa các tế bào trong mạng LTE/LTE-A