Công nghệ vô tuyến từ 3GLTE đến LTEADVANCED

3GPP đang phát triển một tiêu chuẩn cho mạng truy cập di động băng thông rộng hứa hẹn sẽ đáp ứng được những yêu cầu về thông lượng kênh truyền và độ bao phủ của mạng của công nghệ di động thế hệ thứ tư(4G) gọi là LTEAdvanced, là phiên bản phát triển của LTE. Mục tiêu chính của sự phát triển này là làm tăng tốc độ dữ liệu, cải thiện hiệu suất phổ, cải thiện độ bao phủ và đồng thời giảm trễ trong quá trình truyền. Kết quả cuối cùng của những mục tiêu này nhằm tăng chất lượng dịch vụ cho người dùng, ngoài ra để giảm chi phí điều hành đối với nhiều môi trường thông tin liên lạc khác nhau. Một trong những thách thức của chuẩn đang phát triển này là phải cung cấp tốc độ dữ liệu cao trong vùng bao phủ của trạm gốc. Một giải pháp để tăng tốc độ dữ liệu là giảm tỉ lệ lỗi bit (BER) khi tỉ số SRN được cho trước, đồng thời tăng độ bao phủ bằng cách sử dụng các trạm trung gian để chuyển tiếp dữ liệu giữa trạm gốc và thiết bị di động còn gọi là kỹ thuật chuyển tiếp. Kỹ thuật chuyển tiếp đã được bắt đầu nghiên cứu và được xem xét trong quá trình chuẩn hóa của hệ thống truyền thông di động băng rộng thế hệ 4G. Vì vậy, em quyết định chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là: “Nghiên cứu giảm BER bằng các phương pháp hợp tác chuyển tiếp trong LTEAdvanced ”. Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống LTEAdvanced và đánh giá hiệu quả của các phương pháp kết hợp tại đầu thu trong hợp tác chuyển tiếp. Cách tiếp cận vấn đề là thiết kế, mô phỏng kênh truyền, các phương thức chuyển tiếp tại trạm chuyển tiếp kết hợp với các phương pháp kết hợp tín hiệu tại đầu thu nhằm giảm tỉ lệ bit lỗi cho mạng LTEAdvanced làm nổi bật hiệu quả của các kỹ thuật chuyển tiếp. Kết quả mô phỏng của đồ án đã làm sáng tỏ phần lý thuyết đã trình bày, cho thấy các kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp có thể giảm BER. Qua đó có thể làm cơ sở để tăng tốc độ bit nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ một cách hiệu quả.Nội dung đồ án gồm hai phần lý thuyết và mô phỏng, được trình bày qua 4 chương:Chương 1: Giới thiệu công nghệ vô tuyến LTEAdvancedChương 2: Công nghệ Relay trong LTEAdvancedChương 3: Chuyển tiếp trong mạng đa chặng hợp tácChương 4: Mô phỏng kết quả các phương pháp kết hợpTrong quá trình hoàn thành đồ án này, tuy đã cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong quý thầy cô chỉ bảo thêm. Nhân đây, em xin chân thành gửi lời xin lỗi đến thầy hướng dẫn em làm đồ án tốt nghiệp này là thầy Nguyễn Văn Cường vì tác phong học tập chưa tốt của mình. Em đã ghi nhớ và sẽ chú trọng đến tác phong và thái độ học tập và làm việc trong mọi lĩnh vực của cuộc sống từ bây giờ.

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ

đồ án hoặc công trình nào đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷluật của Khoa

Đà Nẵng, ngày 01,tháng 06, năm 2014

Sinh viên ký tên

Lê Văn Vũ

LỜI NÓI ĐẦU

3GPP đang phát triển một tiêu chuẩn cho mạng truy cập di động băng thông rộnghứa hẹn sẽ đáp ứng được những yêu cầu về thông lượng kênh truyền và độ bao phủ củamạng của công nghệ di động thế hệ thứ tư(4G) gọi là LTE-Advanced, là phiên bản pháttriển của LTE Mục tiêu chính của sự phát triển này là làm tăng tốc độ dữ liệu, cải thiệnhiệu suất phổ, cải thiện độ bao phủ và đồng thời giảm trễ trong quá trình truyền Kếtquả cuối cùng của những mục tiêu này nhằm tăng chất lượng dịch vụ cho người dùng,ngoài ra để giảm chi phí điều hành đối với nhiều môi trường thông tin liên lạc khácnhau

Một trong những thách thức của chuẩn đang phát triển này là phải cung cấp tốc

độ dữ liệu cao trong vùng bao phủ của trạm gốc Một giải pháp để tăng tốc độ dữ liệu làgiảm tỉ lệ lỗi bit (BER) khi tỉ số SRN được cho trước, đồng thời tăng độ bao phủ bằngcách sử dụng các trạm trung gian để chuyển tiếp dữ liệu giữa trạm gốc và thiết bị diđộng còn gọi là kỹ thuật chuyển tiếp Kỹ thuật chuyển tiếp đã được bắt đầu nghiên cứu

và được xem xét trong quá trình chuẩn hóa của hệ thống truyền thông di động băng

rộng thế hệ 4G Vì vậy, em quyết định chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là: “Nghiên cứu

giảm BER bằng các phương pháp hợp tác chuyển tiếp trong LTE-Advanced ”.

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp trong hệthống LTE-Advanced và đánh giá hiệu quả của các phương pháp kết hợp tại đầu thutrong hợp tác chuyển tiếp Cách tiếp cận vấn đề là thiết kế, mô phỏng kênh truyền, cácphương thức chuyển tiếp tại trạm chuyển tiếp kết hợp với các phương pháp kết hợp tínhiệu tại đầu thu nhằm giảm tỉ lệ bit lỗi cho mạng LTE-Advanced làm nổi bật hiệu quả củacác kỹ thuật chuyển tiếp Kết quả mô phỏng của đồ án đã làm sáng tỏ phần lý thuyết đãtrình bày, cho thấy các kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp có thể giảm BER Qua đó có thể làm

cơ sở để tăng tốc độ bit nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ một cách hiệu quả

Nội dung đồ án gồm hai phần lý thuyết và mô phỏng, được trình bày qua 4chương:

Chương 1: Giới thiệu công nghệ vô tuyến LTE-Advanced

Chương 2: Công nghệ Relay trong LTE-Advanced

Chương 3: Chuyển tiếp trong mạng đa chặng hợp tác

Chương 4: Mô phỏng kết quả các phương pháp kết hợp

Trong quá trình hoàn thành đồ án này, tuy đã cố gắng nhưng vẫn không tránhkhỏi những thiếu sót, em rất mong quý thầy cô chỉ bảo thêm Nhân đây, em xin chânthành gửi lời xin lỗi đến thầy hướng dẫn em làm đồ án tốt nghiệp này là thầy NguyễnVăn Cường vì tác phong học tập chưa tốt của mình Em đã ghi nhớ và sẽ chú trọng đếntác phong và thái độ học tập và làm việc trong mọi lĩnh vực của cuộc sống từ bây giờ

Qua đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các quý thầy cô trong khoa Điện

tử - Viễn thông đã cung cấp những kiến thức cần thiết trong năm năm đại học để em cóthể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này! Đó cũng là nền tảng để em có thể tiếp tục học tập

và ứng dụng vào công việc sau này

Sau cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Cường đã hướng dẫn giúp

em hoàn thành đồ án này!

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI……… …52 TÀI LIỆU THAM KHẢO……… …53

PHỤ LỤC……… … 54

DANH MỤC HÌNH VẼ

BPSK Binary Phase Shift Keying

ESNRC Enhanced Signal to Noise Combining

ERC Equal Ratio Combining

FDMA Frequency Division Multiple Access

FDD Frequency Division Duplex

FFT Fast Fourier Transform

FRC Fixed Ratio Combining

GSM Global System for Mobile communicationIFFT Inverse Fast Fourier Transform

IMT International Mobile TelecommunicationsIMT-A International Mobile Telecommunications AdvancedITU International Telecommunication Union

LTE-A Long Term Evolution Advanced

MIMO Multiple Input and Multiple Output

NLOS Non Line Of Sight

OFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingOFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple AccessPAPR Peak to Average Power Ratio

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RS Relay Station

SCFDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access

SNR Signal to Noise Ratio

SNRC Signal to Noise Ratio Combining

TDD Time Division Duplex

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN

LTE-ADVANCED

1.1 Giới thiệu chương

LTE-Advanced được biết đến như là một phiên bản mở rộng của LTE, đáp ứngđược yêu cầu của IMT-Advanced được gọi là công nghệ thế hệ 4G Vì vậy mặc dù LTE-A

có những phát triển nổi bậc so với LTE nhưng chúng đều có các điểm tương đồng về cấutrúc mạng, đặc tính phổ tần, kỹ thuật phân tập…Nên khi nhắc đến LTE-A trước hết phải

có kiến thức tổng quát về 3G LTE Chương đầu tiên của đồ án này, sẽ trình bày một sốkhái niệm quan trọng của LTE ( Phiên bản thứ 8), LTE-Advanced Sau đó sẽ trình bày vềmột số những ưu điểm chính của LTE- Advanced và so sánh sự khác biệt giữa LTE và LTE-Advanced

1.2 Hệ thống vô tuyến 3G LTE

Long Term Evolution ( LTE ) là hệ thống vô tuyến thế hệ thứ ba (3G), dựa trêncông nghệ truy cập vô tuyến LTE đang trên đà phổ biến và tiếp tục phát triển với tốc độnhanh Tuy nhiên , để đáp ứng nhu cầu bùng nổ thông tin trong tương lai, các dịch vụ diđộng băng thông rộng cần phải truyền dữ liệu tốc độ cao, trễ ngắn hơn, và dung lượnglớn hơn… Đó cũng là thách thức đối với những nỗ lực nghiên cứu về thế hệ tiếp theo của3G-LTE được gọi là truy cập vô tuyến thế hệ thứ tư (4G) Truy cập vô tuyến thế hệ thứ tư

dự kiến có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 100 Mbps với độ bao phủ rộng và lên đến

1 Gbps với độ bao phủ tập trung, đáp ứng các yêu cầu đối với hệ thống Beyond

IMT-2000 Để đáp ứng những yêu cầu cải tiến vượt bậc đó, 3GPP đã bắt đầu nghiên cứu vềLTE -A, với mục tiêu đạt được bước nhảy vọt đáng kể về cung ứng dịch vụ và giảm chiphí LTE-Advanced sẽ được giới thiệu trong phiên bản 10

1.3 Tổng quan về LTE

Nền tảng của LTE-Advanced chính là LTE Vì vậy để kế thừa được những đặc điểmcủa LTE trước tiên cần phải hiểu rõ hệ thống LTE hiện tại, được gọi là LTE phiên bản 8.Sau đây là một số đặc điểm của LTE phiên bản đầu tiên.

1.3.1 Phương thức truyền dẫn

1.3.1.1 Truyền tải đường xuống

Trong hệ thống thông tin băng rộng thế hệ 3G-LTE, cốt lõi của việc truyền tải vôtuyến đường xuống là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM) với các dữ liệuđược truyền song song trên một số lượng lớn sóng mang phụ trực giao nhau Sử dụngcác sóng mang con trực giao kết hợp với việc chèn thêm tiền tố tuần hoàn là cyclic prefic(CP), kênh truyền vô tuyến OFDM vốn đã độc lập với nhau trong miền thời gian (do tínhtrực giao) càng không phải cần các khoảng nghỉ giữa các symbol để tránh nhiễu giữa các

symbol Cũng trong một Symbol OFDM , tiền tố tuần hoàn được truyền trong khoảng

thời gian bảo vệ và kết thúc một OFDM symbol, được thể hiện trong hình 1.1

Hình 1.1 Tiền tố CP được chèn vào OFDM Symbol

Khoảng bảo vệ được sử dụng để khi bên nhận thực hiện giải điều chế với FFT dữliệu sẽ tích hợp trên một số nguyên lần chu kỳ hình sin cho mỗi đường đến Đối vớiđường xuống, đây là một đặc tính quan trọng bởi vì nó làm đơn giản hóa quá trình xử lýtín hiệu ở kênh dải nền, dẫn đến hệ quả là giảm chi phí và công suất tiêu thụ của thiết bịđầu cuối Đây là đặc điểm đặc biệt quan trọng trong truyền tải băng rộng đường xuống

của LTE và thậm chí hiệu suất truyền tải còn nhiều hơn như vậy khi kết hợp OFDM vớitruyền tải đa anten khi phân tập không gian

1.3.1.2 Truyền tải đường lên

Đối với đường lên, công suất thiết bị truyền lên luôn bị hạn chế, nhỏ hơn nhiều sovới đường xuống Một trong những yếu tố quan trọng của thiết kế đường lên là làm saocho công suất truyền lên đạt hiệu quả cao chứ không phải là lượng quá trình xử lý tínhiệu tại bên nhận Như vậy sẽ cải thiện vùng phủ sóng và giảm chi phí thiết bị đầu cuối

và công suất tiêu thụ tại máy phát Vì lý do này, để cải thiện hiệu quả công suất phát RFtại thiết bị di động, truyền tải đường lên trong LTE dựa trên kỹ thuật truy cập phân chiatheo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) SC-FDMA có hiệu suất tương tự OFDMA và về cơbản cấu trúc tổng thể giống như một hệ thống OFDMA Tuy nhiên lợi thế nổi bật của SC-FDMA so với OFDMA là các tín hiệu SC-FDMA có tỷ số công suất đỉnh trên công suấttrung bình (PAPR) thấp hơn Trong truyền tải tín hiệu điều này vô cùng có lợi cho thiết bịngười dùng vì tính hiệu quả trong công suất truyền tải

Khoảng thời gian bảo vệ với sự lặp lại theo chu kỳ được chèn giữa các khốiSymbol OFDM như đã giải thích phía trên Trong OFDM, FFT được áp dụng tại phía nhậntrên mỗi khối (block) của symbol OFDM và IFFT ở phía máy phát Trong SC-FDMA, cả haiFFT và IFFT được áp dụng ở cả hai phía máy phát và máy thu Tuy nhiên SC-FDMA yêucầu truyền trong các dải tần số liên tiếp, và do đó hạn chế về hiệu suất phổ tần hơn làOFDMA

1.3.2 Tính linh hoạt phổ

Tùy thuộc vào khu vực địa lý khác nhau, tần số vô tuyến cho hệ thống thông tin diđộng đã được phân chia sẵn thành các băng tần khác nhau, có kích thước khác nhau, vàbăng tần kết hợp hay băng tần không kết hợp đều được phân chia sẵn Băng tần kết hợp

chỉ ra rằng đường lên và đường xuống được giao cho các tần số riêng biệt , trong khi cácbăng tần không kết hợp đường lên và đường xuống phải sử dụng chung một dải tần

Mức độ linh hoạt phổ cao là một trong những đặc tính chủ yếu của công nghệtruy nhập vô tuyến LTE Mục tiêu của tính linh hoạt phổ là việc cho phép triển khai truynhập vô tuyến LTE trong nhiều phổ tần với những đặc tính khác nhau, bao gồm những

sự khác nhau về sắp xếp băng tần kết hợp hay không kết hợp, băng tần hoạt động, vàkích thước của phổ tần khả dụng Ngoài ra, ít nhất là trong giai đoạn chuyển đổi banđầu, các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau thường cần có khả năng hoạt động cùngnhau trong cùng một dãy phổ tần Phổ linh hoạt cho phép hệ thống hoạt động trong tất

cả các điều kiện khác nhau đó, là một trong những đặc tính chủ yếu của công nghệ truynhập vô tuyến LTE

Hình 1.2 FDD(a) vs TDD(b)

DL: đường xuống; UL: đường lên

1.3.2.1 Tính linh hoạt trong sắp xếp song công

Một phần quan trọng trong những yêu cầu của LTE về mặt tính linh hoạt phổ làkhả năng triển khai truy nhập vô tuyến trong cả phổ tần theo cặp (kết hợp) hoặc khôngtheo cặp(không kết hợp), như vậy LTE có thể hỗ trợ sắp xếp song công phân chia theo cả

thời gian và tần số FDD được minh họa trong hình 1.2(a), theo đó truyền dẫn đường lên

và đường xuống xuất hiện trong những băng tần khác nhau và hoàn toàn tách biệt TDDtheo như minh họa trong hình 1.2(b), thì truyền dẫn đường lên và đường xuống xuấthiện trong những khe thời gian không trùng nhau trên cùng một băng tần Do vậy, TDD

có thể hoạt động với phổ không theo cặp trong khi FDD lại yêu cầu phổ theo cặp

1.3.2.2 Tính linh hoạt trong băng tần hoạt động

LTE được triển khai dựa trên cơ sở theo nhu cầu, có thể tạo ra phổ tần khả

dụng bằng cách ấn định phổ tần mới cho thông tin di động, chẳng hạn băng tần 2.6 GHz,hoặc bằng cách dịch chuyển cho LTE phổ tần hiện đang được sử dụng cho công nghệthông tin di động khác Ví dụ như những hệ thống GSM thế hệ thứ hai, hoặc thậm chí lànhững công nghệ vô tuyến không phải của di động như những phổ tần phát thanh hiệnnay Hệ quả là nó yêu cầu truy nhập vô tuyến LTE phải có khả năng hoạt động trong mộtdải băng tần rộng, ít nhất là từ băng tần thấp như 450 MHz cho đến băng tần 2.6 GHz.Khả năng vận hành một công nghệ truy cập vô tuyến trong nhiều băng tần khác nhau, tựbản thân nó không có gì là mới Ví dụ, những thiết bị đầu cuối 3 băng tần là rất phổ biến,

có khả năng hoạt động trên cả băng tần 900, 1800, và 1900 MHz Từ một triển vọng vềchức năng truy cập vô tuyến, điều này không có hoặc tác động rất hạn chế và đặc điểm

kỹ thuật của LTE không giả định bất cứ một băng tần cụ thể nào Những cái có thể khác

về đặc điểm kỹ thuật, giữa những băng tần khác nhau chủ yếu là việc yêu cầu nhiều RF

cụ thể hơn như công suất phát tối đa cho phép, những yêu cầu/giới hạn về phát xạ ngoàibăng v.v… Một nguyên nhân cho việc này là do những ràng buộc bên ngoài, được áp đặtbởi những khung quy định, có thể khác nhau giữa những băng tần khác nhau

1.3.2.3 Tính linh hoạt về băng thông

Liên quan đến khả năng triển khai truy nhập vô tuyến LTE trên nhiều băng tầnkhác nhau là việc có thể vận hành LTE với những băng thông truyền dẫn khác nhau trên

cả đường xuống và đường lên Lý do chính của việc này là số lượng phổ tần khả dụngcho LTE có thể khác nhau đáng kể giữa những băng tần khác nhau và cũng dựa trên tìnhtrạng thực tế của nhà khai thác Hơn nữa, việc có thể vận hành trên nhiều phân bố phổtần khác nhau cũng mang lại khả năng cho việc dịch chuyển dần dần phổ tần từ nhữngcông nghệ truy nhập vô tuyến khác cho LTE.

LTE có thể hoạt động trong một dải phân bố phổ tần rộng, do tính linh hoạt trongbăng thông truyền dẫn là một phần trong đặc tính kỹ thuật của LTE Để hỗ trợ hiệu quảcho tốc độ dữ liệu rất cao khi phổ tần khả dụng thì một băng thông truyền dẫn rộng làcần thiết Tuy nhiên, một lượng phổ tần lớn và đầy đủ có thể không phải lúc nào cũngđạt được, hoặc do băng tần hoạt động hoặc do sự dịch chuyển dần dần từ một côngnghệ truy nhập vô tuyến khác, khi đó LTE có thể hoạt động với một băng thông truyềndẫn hẹp hơn Hiển nhiên, trong những trường hợp như vậy, tốc độ dữ liệu tối đa có thểđạt được sẽ vì lẽ đó mà bị giảm xuống

1.3.2.4 Sự hỗ trợ nhiều anten

LTE ngay từ đầu đã hỗ trợ kỹ thuật nhiều anten tại cả trạm gốc và thiết bị đầu cuốinhư là một phần không thể thiếu trong đặc điểm kỹ thuật Xét trên nhiều mặt thì việc sửdụng nhiều anten là một kỹ thuật quan trọng để đạt được những mục tiêu mạnh mẽ chohiệu năng của LTE Như đã biết thì việc sử dụng nhiều anten được áp dụng cho nhiềutrường hợp với nhiều mục đích khác nhau:

- Nhiều anten thu có thể được sử dụng cho việc phân tập thu Đối với truyền dẫnđường lên, kỹ thuật này đã được sử dụng cho các hệ thống tế bào từ nhiều năm trước.Tuy nhiên, khi mà cấu hình hai anten thu trở thành cơ sở cho tất cả các thiết bị đầu cuốiLTE thì hiệu suất đường lên cũng được cải thiện đáng kể Phương pháp đơn giản nhấtcủa việc sử dụng nhiều anten là kỹ thuật phân tập thu cổ điển để khử Fading, nhưng lợi

ích thêm được đó là ngoài việc các anten được sử dụng không chỉ cung cấp sự phân tập

để chống Fading, mà còn dùng để triệt nhiễu

- Nhiều anten phát tại trạm gốc có thể được sử dụng cho phân tập phát và cácdạng tạo chùm tia khác Mục tiêu chính của việc tạo chùm tia là cải thiện tỷ số SNR hoặcSIR thu được, đồng thời cải thiện năng suất hệ thống và tầm phủ sóng

- Ghép kênh không gian, đôi khi cũng được xem như là MIMO, việc sử dụng nhiềuanten cho cả máy phát và máy thu được hỗ trợ bởi LTE Xem hình 1.3, việc ghép kênhkhông gian dẫn đến việc cho phép tăng tốc độ trong những tình huống mà điều kiệnkênh truyền có băng thông bị giới hạn bằng cách tạo ra nhiều kênh song song

Hình 1.3 Mô hình LTE T x và R x (4x2 MIMO)

Nói chung, các kỹ thuật đa anten đều mang lại lợi ích trong những hoàn cảnhkhác nhau Ví dụ, tại tỷ số SNR và SIR tương đối thấp, chẳng hạn như khi tải trọng caohoặc tại biên tế bào, việc ghép kênh không gian sẽ đem lại một số lợi ích nhất định.Trong những trường hợp này, phải dùng nhiều anten tại đầu phát để nâng SNR/SIR bằngphương pháp tạo chùm tia Mặt khác, trong trường hợp khi mà SNR và SIR tương đốicao, ví dụ như trong những tế bào nhỏ, việc nâng cao chất lượng tín hiệu mang lạinhững lợi ích phụ khi mà tốc độ dữ liệu thu được bị giới hạn chủ yếu bởi băng thônghơn là do giới hạn về SIR/SNR Trong những trường hợp như vậy, phải dùng kỹ thuậtghép kênh không gian để khai thác triệt để những trạng thái kênh truyền tin cậy Hệ

thống đa anten được sử dụng dưới sự điều khiển của trạm gốc để từ đó có thể lựa chọnđược sơ đồ phù hợp cho mỗi đường truyền.

1.4 Cuộc cách mạng từ 3G lên 4G LTE-Advanced

LTE-Advanced không phải là một kỹ thuật mới của truy cập vô tuyến mà là sự pháttriển của LTE để tiếp tục cải thiện hiệu suất Do đó LTE-Advanced là tên của một phiênbản mở rộng của tiêu chuẩn LTE, phiên bản 10 Là một sự tiến hóa của LTE, LTE-Advanced sẽ có khả năng tương thích ngược nghĩa là nó có thể triển khai LTE-Advancedtrong quang phổ đã bị sử dụng bởi phiên bản đầu tiên của LTE mà không ảnh hưởng đếnthiết bị đầu cuối LTE hiện tại Khả năng tương thích phổ như vậy là cực kỳ quan trọngtrong việc chuyển đổi thông suốt trong mạng lưới từ LTE sang LTE-Advanced với chi phíthấp

3GPP đã đặt ra một số các mục tiêu phải được đáp ứng bởi LTE-Advanced.Những mục tiêu này là một bộ các yêu cầu của IMT-Advanced, LTE-Advanced sẽ đáp ứngđược, và thậm chí sẽ vượt qua các yêu cầu của IMT-Advanced Ví dụ, hiệu suất phổ yêucầu cho LTE-Advanced cao hơn đáng kể so với yêu cầu của IMT-Advanced như minh họatrong Bảng1.1 Trong thực tế, nhiều yêu cầu IMT-Advanced đã gần được hoàn thành đãvới phiên bản đầu tiên của LTE

Tốc độ dữ

liệu đỉnh

ĐX 0.03 bit/s/HZ 0.07 bit/s/HZ

Bảng1.1 Yêu cầu của ITU và 3GPP

Hiệu suất đường truyền của LTE hiện tại đã tiến khá gần đến giới hạn Shannon,nghĩa là dung lượng của đường truyền LTE đã sắp đạt cực đại Đối với một đường truyềnthuần túy việc đạt được mục đích tốc độ dữ liệu rất cao đồng thời cũng yêu cầu số bít lỗi

ít hơn hay SNR cao hơn các trải nghiệm thông thường về mạng di động vô tuyến tại mộtvùng rộng lớn Mặc dù có vài cách để cài thiện chất lượng đường truyền như sử dụngbăng thông rộng hơn bằng cách thêm các băng tần mới vào như là một phương tiện đểcải thiện hiệu quả quá trình mã hóa/ điều chế nhưng trên góc độ giá trị kinh tế thì băngthông là tài nguyên vô cùng đáng giá khó để tính toán được giá trị, cho nên rất thực sựcần thiết tìm ra những công cụ khác để cải thiện SNR Ví dụ như đầu tư vào một mật độ

hạ tầng dày đặc hơn với mức chi phí hợp lý hơn Những phần tiếp theo sẽ giới thiệu mộtvài công nghệ được xem xét cho LTE-Advanced

1.4.1Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần

Mục tiêu tốc độ dữ liệu đỉnh của LTE-Advance rất cao và chỉ có thể được đạt đượcmột cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gìđược cung cấp ở phiên bản đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến100Mhz được thảo luận trong nội dung của LTE-Advance Việc mở rộng độ rộng củabăng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ Điều này có thểđạt được bằng cách sử dụng “khối tập kết sóng mang”, trong đó nhiều sóng mang thànhphần LTE đang được sử dụng kết hợp trên lớp vật lí để cung cấp độ rộng băng cần thiết,chứ không phải thêm vào các băng tần hoàn toàn mới Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗisóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầucuối LTE-Advance có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập sóng mang

Các sóng mang con thành phần (Sóng mang LTE ở phiên bản 8)

Năm sóng mang con thành phần => độ rộng băng thông tổng là 100Mhz

Hình 1.4 Ví dụ về khối tập hợp sóng mang

Hình 1.4 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 100Mhz không thể có sẵn thường xuyên Do đó, LTE-Advance có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để xử lí cáctình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có Tuy nhiên, nênlưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề nhau đang là thách thức từ khía cạnh thực thi.Vìvậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổ phântán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất Cuối cùng, lưu ý rằng truynhập trên các độ rộng băng tần truyền dẫn cao hơn

không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ dữ liệu đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ choviệc mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ dữ liệu trung bình

1.4.2 Giải pháp đa anten

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian

là các thành phần công nghê then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng vaitrò quan trọng hơn trong LTE-Advance Thiết kế đa anten hiện tại cung cấp lên đến bốncổng 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 lênđên bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300Mbit/s cũng như là định dạng chum Kết hợpvới nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 Mhz, sơ đồ ghép không gian LTE-A sẽ đạtđược tốc độ đỉnh là 1,5Gb/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advance Có thể thấy trướcrằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian đường lên sẽ là một phần của LTE-Advance Việctăng 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 dữ liệu đỉnh thông qua sự mở rộngbăng tần

1.4.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Mục tiêu về tốc độ dữ liệu đỉnh của LTE-Advance yêu cầu sự cải thiện đáng kể về

tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR ở thiết bị đầu cuối , định dạng chùm là một cách Ở cácmạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lí kết nối đến một đơn vị xử lí bănggốc 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 ởhình1.5 Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm

Hình 1.5 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

1.4.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quĩ đường truyền, các giải pháp chuyển tiếp khác nhau đượcdùng để giảm khoảng cách đường truyền trực tiếp từ máy phát và máy thu dẫn đến hệquả hiển nhiên là tốc độ dữ liệu sẽ tăng Các bộ lặp đơn giản sau khi nhận dữ liệu sẽkhuếch đại và chuyển đi tiếp tục đến đích Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đitín hiệu thu được mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của

nó hay không Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn, chẳng hạn cấutrúc trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp Chẳng hạn, bộ lặp chỉđược bật khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằmtăng tốc độ dữ liệu cung cấp trong khu vực Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bịđầu cuối có thể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đócác bộ lặp được bật lên Tuy nhiên, việc điều khiển tải truyền dẫn và lập biểu thườngnằm 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 hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiênchuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ Đây thường được xem là chuyển tiếp

“giải mã và chuyển tiếp” Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối dữ liệu thuđược thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms Tuy nhiên, các nútchuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thể được thực hiệnmột cách riêng rẽ cho mỗi kết nối

Hình 1.6 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced

Ngoài ra có thể kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp và kỹ thuật phân tập gọi là phân tập hợp tác (Cooperative Relaying)

1.5 Ưu điểm của LTE-Advanced

Các ưu điểm của LTE-Advanced cũng chính là các ưu điểm của truyền thông diđộng thế hệ 4G Với tốc độ tải xuống trung bình 400 Kbps đến 700 Kbps, mạng cung cấp

đủ băng thông để cho phép người sử dụng điện thoại di động lướt Web và tải dữ liệu từInternet LTE-Advanced nên giảm các chi phí mỗi bit truyền đi cho người dùng đầu cuối

và tổng chi phí dịch vụ cho các nhà khai thác Đồng thời, LTE-A phải đối mặt những tháchthức mới đang nổi lên như là thiết kế truy nhập vô tuyến mạng tiết kiệm năng lượng

(RAN), tăng tính linh hoạt của việc triển khai hệ thống mạng, và tắt mạng tải từ người sửdụng cục bộ

Không phụ thuộc vào công nghệ thực tế, công nghệ sắp tới cũng sẽ cho phép cáchoạt động tương tác giữa các công nghệ liên quan và các mạng không đồng nhất, do đóhiển nhiên cung cấp ưu điểm về:

- Độ bao phủ: Người dùng được cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) tốt nhất vàvùng phủ sóng rộng rãi để có thể truy cập mạng tại bất kỳ thời điểm nào

- Băng thông: Chia sẻ tài nguyên giữa các mạng khác nhau đã giải quyết

vấn đề về giới hạn phổ tần của thế hệ thứ ba

1.6 So sánh giữa LTE và LTE_Advanced

Bảng dưới đây so sánh tổng quát các yêu cầu hiệu suất của LTE và LTE-Advanced

Tốc độ dữ liệu đỉnh

đường xuống

Tốc độ dữ liệu đỉnh

Tính di động 0-15 km/h thì hiệu

suất tối Đa,

120 km/h, L TE vẫn cung cấp hiệu suất cao

> 120 km/h thì hệ thống phải duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào

Giống như LTE

Độ bao phủ lên đến 5 km thì

hiệu suất vẫn tối ưu

Giống LTE nhưng phải tối ưu hơn nữa, tăng độ bao phủ tại khu vực nhỏ

và vùng tối

Phân bố phổ 1.3, 3, 5, 10, and

Dung lượng Hỗ trợ 200 người dùng

trong tế bào với băng tần 5Mhz

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ RELAY TRONG

LTE-ADVANCED

2.1 Giới thiệu chương

Trong cuối chương một đã đưa ra ưu điểm về khả năng bao phủ và tốc độ dữ liệucủa LTE-Advanced so với LTE-3G, một trong những kỹ thuật làm nổi bật nhất hai ưu điểm

đó lên chính là kỹ thuật chuyển tiếp hay gọi là Relay Chương này sẽ giới thiệu về kỹthuật chuyển tiếp: khái niệm các thành phần trong mạng chuyển tiếp, phân loại, phươngthức chuyển tiếp, các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp và ưu nhược điểm của kỹthuật chuyển tiếp này

2.2 Giới thiệu công nghệ chuyển tiếp

2.2.1 Nhu cầu sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp

Sự mong đợi về một kênh truyền tốc độ cao hơn của mạng lưới truyền thông vôtuyến trong tương lai sắp diễn ra đã làm động lực để tìm hiểu và nghiên cứu nâng cấpcác mạng lưới viễn thông hiện nay Như đã đề cập ở chương trước về mục tiêu của LTE-Advanced, khái niệm về công nghệ chuyển tiếp là một chủ đề quan trọng để nghiên cứuthực hiện mục tiêu đó

Băng tần được sử dụng cho các mạng truyền thông tương lai (3G) đang hoạt động

là 2GHz và các sóng mang tần số cao hơn làm cho kênh truyền bị ảnh hưởng của PathLoss và fading nghiêm trọng Muốn tăng tốc độ kênh truyền yêu cầu công suất truyềnphải cao hơn để duy trì khả năng phủ sóng, trong khi công suất của nhiều kênh truyềnhoàn toàn bị hạn chế Thêm vào đó, trong nhiều điều kiện môi trường truyền sóng đặcbiệt là tại thành phố làm hạn chế khả năng bao phủ của sóng vô tuyến Một giải phápcho tất cả những hạn chế này có thể là tăng công suất truyền tải nhưng như vậy nhiễutrong hệ thống cũng tăng lên, ảnh hưởng nghiêm trọng đến phục hồi tín hiệu là điều nên

tránh trong kỹ thuật viễn thông Một sự lựa chọn khác đó là làm tăng mật độ số trạmgốc nhưng sẽ dẫn đến chi phí lớn để khiển khai các trạm và duy trì chúng Tuy nhiên,vẫn có thể tăng tốc độ dữ liệu bằng cách giảm khoảng cách của người dùng đến trạmgốc bằng cách dùng chặng chuyển tiếp Đây là một công nghệ mạnh mẽ đầy hứa hẹn đểtăng tốc dộ dữ kênh truyền và tăng độ bao phủ, chỉ cần xây dựng thêm các trạm chuyểntiếp vào cấu trúc mạng đã có.

2.2.2 Ưu điểm của kĩ thuật chuyển tiếp

- Sự cải thiện chủ yếu có thể đạt được với kỹ thuật chuyển tiếp là đồng thời tăngdung lượng và mở rộng vùng phủ sóng một cách hiệu quả Ngoài ra, trạm chuyển tiếpcòn cung cấp khả năng phân bố dung lượng đồng đều trong tế bào bảo đảm tính côngbằng cho người dùng

(a)Thực tế (b) Lý tưởng (c) Dùng Relay

Hình 2.1 Dung lượng và nhu cầu người dùng

Có thể thấy được trong hình (c), dung lượng có thể được phân bố trên khắp vùngbao phủ của tế bào, tiến gần đến trường hợp lí tưởng bằng phương thức chuyển tiếp cốđịnh Những người dùng ở biên tế bào trong các mạng chỉ có BS thông thường chỉ có thể

sử dụng đường truyền SNR thấp, thông lượng thấp, bây giờ có thể được cải thiện khidùng trạm RS.

- Trạm chuyển tiếp không cần phải kết nối hữu tuyến với trạm gốc, chúng chỉ chứa

dữ liệu nhận được và chuyển tiếp đến đích Việc này sẽ giảm đáng kể chi phí về cơ sở hạtầng và vận hành mạng

- Những người sử dụng gần trạm chuyển tiếp dĩ nhiên sẽ được RS phục vụ, vì vậynhững người này có thể được duy trì sử dụng kênh truyền tốc độ cao bởi vì hiện tượngthất thoát tín hiệu do Pathloss sẽ bị giảm tương ứng với khoảng cách từ MS đến RS

- Nhìn từ góc độ nhà điều hành mạng, lợi ích của công nghệ chuyển tiếp có thểxem như là một sự đơn giản hóa, và chi phí hợp lí khi triển khai

2.2.3 Nhược điểm của chuyển tiếp

- Sử dụng thêm các trạm chuyển tiếp làm tăng thêm độ trễ và chi phí trong hệthống

- Phân bố các tài nguyên (RS) và quản lý nhiễu trở thành các vấn đề quan trọng,chuyển tiếp trong băng sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến còn chuyển tiếp ngoài băngcần nhiều tạm thu phát

- Triển khai trạm chuyển tiếp trên thực tế còn gặp phải các vấn đề điều kiện môitrường, chọn các phương thức chuyển tiếp cho phù hợp Ví dụ như sự khác nhau vềđiều kiện địa hình, môi trường truyền giữa khu vực nông thôn và thành phố

- Việc tăng thêm số chặng khi chuyển tiếp làm hệ thống phức tạp, cồng kềnh hơn,

đồng thời chi phí xây dựng hệ thống cũng tăng lên.

2.3 Khái niệm mạng đơn chặng và đa chặng trong viễn thông

- Mạng đơn chặng (Single hop) là các mạng hoạt động theo cấu trúc liên kết điểm

- đa điểm, trong mỗi nhánh liên kết chỉ tồn tại hai thực thể để truyền nhận thông tin đó

là trạm gốc (BS) và thiết bị di động (MS) Các mạng vô tuyến di động hiện nay đa số làđơn chặng như GSM, CDMA, và IEEE 802.16…Ví dụ về cấu trúc mạng đơn chặng đơngiản như hình 2.2 dưới đây

Hình 2.2 Cấu trúc mạng đơn chặng điểm- đa điểm (single-hop)

- Mạng đa chặng (multi hop) là sử dụng nhiều liên kết, đường truyền ngắn đểtruyền dữ liệu giữa trạm gốc và thiết bị người dùng Các đường truyền ngắn có thể đượctạo ra bằng cách sử dụng các trạm chuyển tiếp trung gian, khi tăng số trạm chuyển tiếpnày sẽ tăng độ bao phủ của mạng

Có hai cấu trúc liên kết được sử dụng trong mạng đa chặng đó là mạng mạng đachặng không phối hợp (hình 2.3a) và đa chặng phối hợp (hình 2.3b)

Hình 2.3a Mạng đa chặng Hình 2.3b Mạng đa chặng phối hợp

không phối hợp

Đối với mạng đa chặng không phối hợp việc truyền tín hiệu vô tuyến chỉ có thểđến máy thu bằng một đường MS3 trong hình 2.3a chỉ có thể thiết lập duy nhất mộtđường truyền dẫn trực tiếp với RS3 Còn đối với mạng đa chặng phối hợp, máy thu cóthể nhận được tín hiệu của BS bằng nhiều đường truyền khác nhau, cả trực tiếp và giántiếp: MS3 có thể nhận tín hiệu trực tiếp từ BS hoặc gián tiếp thông qua RS2 hoặc RS3

hoặc thông qua cả RS2 và RS3

2.4 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng thông tin băng rộng LTE-Advanced

Nguyên lý của kỹ thuật chuyển tiếp là sử dụng nút chuyển tiếp (RS) như một thiết

bị để truyền dữ liệu giữa trạm gốc (BS) và thiết bị người dùng (MS) Hình 2.4 cho ta một

mô hình mạng chuyển tiếp đơn giản với nguồn, nút chuyển tiếp và đích

2.4.1 Phân loại

Dựa vào vị trí của thiết bị di động đối với vùng phủ sóng của trạm gốc, chuẩn3GPP LTE-Advanced chia thành hai loại chuyển tiếp loại 1 và loại 2

2.4.1.1 Trạm chuyển tiếp loại 1

Hình 2.4 Chuyển tiếp loại 1 và loại 2

Trong phương thức chuyển tiếp loại 1 MS nằm ngoài vùng phủ sóng của BS vì vậycần phải có một trạm chuyển tiếp tín hiệu trung gian có khả năng phủ sóng đến những

MS ở vùng xa hoặc vùng “tối” (do địa hình) mà BS không thể phủ sóng tới được Cáctrạm RS này phải nhận được tín hiệu từ BS và sau đó truyền đi cho MS và ngược lại Vìcác MS không thể liên lạc trực tiếp với BS nên nó phải luôn luôn truyền qua trung gian làRS

Bảng này được xây dựng với các RS nằm ở vị trí trung tâm giữa các MS triển khaingẫu nhiên Với các MS nằm ở trong biên gần vị trí trung tâm thì việc tăng cường cáctrạm chuyển tiếp đôi lúc không tối ưu cho lắm Nhìn vào bảng, thông lượngkhông được cải thiện mà đôi lúc còn tệ đi Ngược lại, các MS ở xa thì chất lượng tăngđáng kể khi dùng thêm 1, 2 hoặc 3 trạm chuyển tiếp và đây cũng là trường hợp manglại hiệu quả cao nhất khi ta nhận thấy thông lượng của MS ở biên tăng mạnh khi sốtrạm chuyển tiếp sử dụng tăng lên.

2.4.1.2 Trạm chuyển tiếp loại 2

Trong phương thức chuyển tiếp loại 2 MS nằm trong vùng phủ sóng của BS vàcũng nằm trong vùng phủ của RS (Hình 2.4), nghĩa là MS có thể liên lạc trực tiếp với BShoặc liên lạc qua trung gian là RS, không nhất thiết phải qua RS Đường nào đạt tốc độtruyền dữ liệu tốt hơn sẽ được sử dụng Vì vậy chuyển tiếp loại 2 chỉ có ý nghĩa làm tăngchất lượng dịch vụ (QoS) hay dung lượng đường truyền chứ không có ý nghĩa tăng độbao phủ của mạng di động như loại 1 Ngày nay người sử dụng các dịch vụ di động băngrộng quan tâm nhiều hơn đến chất lượng dịch vụ của mạng di động nên chuyển tiếp loại

2 quan trọng hơn, được áp dụng nhiều hơn trong việc ứng dụng mạng di động thế hệ4G

2.4.2 Các phương thức chuyển tiếp tín hiệu

2.4.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AAF)

Việc thực hiện đơn giản nhất được thực hiện trên lớp vật lý (Layer 1) là chuyểntiếp, tức là trạm chuyển tiếp nhận tín hiệu từ BS và khuếch đại nó rồi phát tiếp choMS

Hình 2.5 Trạm chuyển tiếp lớp 1

Phương pháp này thường được sử dụng khi việc truyền tín hiệu có sự hạn chế về

độ trễ của tín hiệu với một công suất sẵn có Chức năng của thiết bị trong trạm chuyểntiếp layer 1 tương đối đơn giản, vì vậy hệ thống xử lý có giá thành thấp và trễ xử lý ngắn.Với các đặc tính này, trạm chuyển tiếp layer 1 đã được triển khai trong các hệ thống 2G

và 3G trước đây.Mục đích của việc triển khai này là cải thiện vùng phủ sóng cho các khuvực đồi núi, khu vực thưa thớt dân cư và đô thị cũng như khu vực trong nhà

Phương thức AF đơn giản Các tín hiệu nhận được ở trạm chuyển tiếp đã bị suyhao và cần được khuếch đại trước khi nó có thể được gửi một lần nữa Khi làm như vậynhiễu trong các tín hiệu đồng thời cũng bị khuếch đại lên, đó chính là nhược điểm lớnnhất của phương thức này Giả sử các đặc tuyến kênh truyền có thể được ước tínhmột cách hoàn hảo, độ khuếch đại tại trạm chuyển tiếp có thể được tính như sau:

Công suất của tín hiệu đến được cho bởi:

(2.1)Với : đáp ứng kênh truyền từ nguồn đến trạm chuyển tiếp

: tín hiệu được phát đi tại nguồn

: nhiễu nhiệt xuất hiện trong quá trình truyền từ nguồn đến trạm chuyển tiếp

ξ : năng lượng của tín hiệu.

Để gửi dữ liệu với cùng một công suất như bên gửi, trạm chuyển tiếp sử dụng

độ lợi:

(2.2)

Công thức này đã được tính toán cho tất cả block và do đó đặc tuyến kênh củamỗi block đơn cần phải được ước lượng.Ưu điểm của loại này là kỹ thuật đơn giản, chiphí không quá đắt đỏ, dễ triển khai Nhược điểm lớn của loại này đó chính là khi tínhiệu đến trạm chuyển tiếp sẽ được khuếch đại trong đó nhiễu cũng được khếch đại vàtruyền đi làm giảm chất lượng của tín hiệu

2.4.2.2 Giải mã và chuyển tiếp (DAF)

Cao cấp hơn việc chuyển tiếp sẽ thực hiện thêm trên layer 2, sẽ có kiểm soát tínhiệu đi qua RS bao gồm giải mã tín hiệu nhận được và mã hóa lại tín hiệu để đạt đượcchất lượng tín hiệu tốt hơn Đồng thời việc này sẽ dẫn đến đi kèm với các chi phí của độphức tạp cao hơn

Hình 2.6 Trạm chuyển tiếp lớp 2

Ngày nay, một truyền dẫn không dây rất hiếm khi truyền tương tự và trạmchuyển tiếp có đủ công suất cho tính toán, vì vậy DAF là phương pháp ưa thích để xử lýcác dữ liệu trong chuyển tiếp Các tín hiệu nhận được sẽ được giải mã và sau đó tái mãhóa tại trạm chuyển tiếp Vì vậy, không có nhiễu khuếch đại các tín hiệu được gửi nhưtrong trường hợp sử dụng giao thức AAF Trong loại này, có hai dạng hệ thống trạmchuyển tiếp sẽ được thực hiện tùy thuộc vào khả năng thực hiện của hệ thống:

- Nếu dữ liệu phát chứa nguồn mã sữa lỗi, những lỗi bit nhận được có thểđược điều chỉnh tại trạm chuyển tiếp Hoặc là trong bản tin có chứa mã để thực hiệnkiểm tra tại trạm chuyển tiếp để phát hiện các tín hiệu nhận được có lỗi hay không.Như vậy, trạm chuyển tiếp có thể giải mã các dữ liệu ở bên phát để trở thành dữliệu gốc Điều này đòi hỏi rất nhiều thời gian tính toán, nhưng có rất nhiều lợi thế

- Nếu hệ thống sử dụng phương thức thứ nhất là giải mã đầy đủ sẽ làm thờigian trễ của tín hiệu khá lớn và ứng dụng ta đang dùng không chấp nhận được cách xử lýbản tin này Ngoài ra trạm chuyển tiếp có thể không có đủ công suất tính toán hoặcbản tin nguồn giải mã ra dữ liệu gốc thì sẽ giảm độ bảo mật trong thông tin.Trongtrường hợp như vậy, các tín hiệu đến được giải mã và mã hóa lại theo mẫu(symbol) Vì vậy, việc sửa lỗi có thể được thực hiện mà không cần tính toán giải mã ra dữliệu gốc

Việc trang bị một phương thức thực hiện tại trạm chuyển tiếp theo cách nào ởtrên tùy thuộc vào khả năng triển khai cũng như ứng dụng của loại dữ liệu

2.4.2.3 Giải điều chế và chuyển tiếp (DMF)

Cao hơn nữa trạm chuyển tiếp sẽ làm việc trong layer 3 sẽ bao gồm các chứcnăng như quản lý thuê bao di động, thiết lập phiên kết nối, thực hiện việc chuyển giao tếbào… Lúc này RS sẽ có chức năng như mà một trạm gốc BS Điều này sẽ thêm phức tạpđối với một nút chuyển tiếp đồng thời độ trễ tín hiệu sẽ tăng theo độ phức tạp

Chuyển tiếp lớp 3 cũng thực hiện giải điều chế và giải mã tín hiệu RF thực hiện mã hóarồi phát lại dữ liệu hoàn toàn giống DAF ở lớp 2.

2.4.3 Các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp

Trong cấu trúc mạng truyền thông băng rộng sử dụng trạm chuyển tiếp, trong mỗi

tế bào sẽ có rất nhiều trạm chuyển tiếp RS và nhiều thiết bị di động MS Vấn đề quantrọng nhất trong việc truyền dữ liệu đó là lựa chọn được RS thích hợp nhất phục vụ chothiết bị truy cập vào mạng sao cho đạt được dung lượng lớn nhất với độ trễ ngắn nhất

Đó chính là mục tiêu của phương pháp lựa chọn đường truyền hay còn gọi là định tuyến(Routing selection method), đối tượng áp dụng chủ yếu của phương pháp này là mạngtruyền dẫn đa chặng Việc định tuyến phụ thuộc vào hai yếu tố là thông tin về kênhtruyền và thông tin vị trí của các thành phần trong mạng

2.4.3.1 Phương pháp bắt cặp tập trung

Phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho chuyển tiếp hai chặng và trongchuyển tiếp loại 2, vì tính đơn giản về cấu trúc (chỉ có hai chặng) nên mọi tính toán chọnđường, quyết định là do trạm gốc thực hiện

Trong phương pháp bắt cặp tập trung, trạm gốc đóng vai trò như một node trungtâm thu nhận thông tin kênh truyền và thông tin về vị trí MS, RS trong tế bào Các thôngtin này được cập nhập liên tục có định kỳ và báo cáo lại cho trạm gốc BS Tại trạm gốc,các thông tin cập nhập được tổng hợp lại thành một ma trận có i hàng và j cột lần lượttương ứng với thông tin vị trí của MS và RS Các thành phần trong ma trận thể hiện tốc

độ dữ liệu đạt được khi MS thứ i kết nối với RS thứ j Nếu MS thứ i không kết nối với RSthứ j thì tại vị trí hàng i cột j tương ứng sẽ được cho bằng 0 Vì vậy, ma trận Cij được tínhtoán tức thời dựa trên các điều kiện kênh truyền hiện tại

Phương pháp bắt cặp tập trung được phát triển với cấu trúc nhiều RS phục vụ choduy nhất một MS, trong một lần truyền dữ liệu một RS chỉ có thể liên kết với một MS và

nó không thể phục vụ cho các MS khác BS sẽ cho tất cả các hàng (trừ MS đang sử dụng)tương ứng với cột của RS đó bằng 0 Làm vậy để tránh các MS khác liên kết với RS đãchọn để sẵng sang phục vụ cho một liên kết đã được thiết lập trước trước Giá trị của

ma trận C được cập nhập liên tục để kiểm tra tình trạng rảnh của trạm chuyển tiếp RS.Thông lượng tổng cộng phục vụ cho một MS đó được tính bằng tổng các thành phầnphục vụ liên kết trong ma trận C

2.4.3.2 Phương pháp bắt cặp phân phối

Trong phương pháp bắt cặp này, trạm chuyển tiếp sẽ tự chọn các MS mà nó liênkết, các RS này phục vụ cho hệ thống thông tin nhiều hơn hai chặng Các RS sẽ thu thậpthông tin kênh truyền từ các trạm chuyển tiếp và thiết bị di động lân cận và từ trạm gốc

BS Mỗi RS lân cận với BS sử dụng một kênh liên lạc thông thường

Hình 2.7 Mạng chuyển tiếp bắt cặp phân phối

Phương pháp bắt cặp phân phối được sử dụng cho kết nối nhiều hơn hai chặng

để lựa chọn đường đi Thông tin kênh truyền được gửi đi trong một “thông điệp” gọi làUCD UCD được gửi từ trạm gốc BS và từ các RS đến các RS trong tế bào lặp lại theo định

kỳ Thông điệp này mô tả đường lên của kênh truyền để cung cấp các thông số vật lý củakênh đã được tổng hợp Các thông số này được sử dụng để chọn đường truyền lên nhưbăng thông liên kết có sẵn, SNR, số chặng Các thông số này cũng quyết định độ trễ củađường truyền Các RS khi nhận được UCD sẽ tổng hợp lại các thông số vào một bảng sốliệu và định tuyến

Hình 2.7 mô tả cách trạm chuyển tiếp định tuyến bằng phương pháp bắt cặpphân phối RS lập bảng số liệu sau khi nhận tất cả thông điệp UCD từ các RS lân cận, sau

đó tính toán chọn đường tối ưu nhất Đường tốt nhất phụ thuộc vào yếu tố thông lượngđường truyền và số chặng, càng nhiều chặng thì độ trễ càng lớn Đại lượng để so sánhđược tính bằng công thức sau:

Path cost = (thông lượng/ số chặng) (2.3)Giá trị Path cost lớn nhất sẽ được chọn để truyền dữ liệu Cả hai phương phápbắt cặp tập trung và bắt cặp phân phối đều có khả năng tăng xác suất kết nối mạng, dẫnđến tăng lưu lượng và cũng có khả năng tăng lưu lượng lên cực đại

2.4.4 Một số đặc điểm kỹ thuật khác

2.4.4.1 Chuyển tiếp minh bạch và không minh bạch

Dựa vào sự nắm bắt thông tin của trạm chuyển tiếp về các thông số kênh truyềnhay lộ trình đường đi của dữ liệu (tín hiệu điều khiển), trạm chuyển tiếp chia làm hai loại

đó là trạm chuyển tiếp minh bạch (Transparent) và trạm chuyển tiếp không minh bạch(Non-transparent)

Trong chuyển tiếp minh bạch, tín hiệu điều khiển được truyền riêng biệt với dữliệu, nó không được truyền qua trạm chuyển tiếp mà truyền trực tiếp từ BS sang MS.Trong khi đó, kết nối không minh bạch thì tín hiệu điều khiển và dữ liệu được truyền nhưnhau đều được chuyển tiếp qua trạm RS.

Chuyển tiếp minh bạch chỉ hỗ trợ cho phương pháp bắt cặp tập trung, có ý nghĩatăng dung lượng của kênh truyền Còn chuyển tiếp không minh bạch hỗ trợ cả haiphương pháp bắt cặp tập trung và bắt cặp phân phối, có ý nghĩa tăng độ bao phủ

2.4.4.2 Trong băng và ngoài băng

Liên quan đến việc sử dụng phổ của trạm chuyển tiếp, RS được chia thành hai loại

là trong băng (In-band) và ngoài băng (Out-of-band) Để hiểu về khái niệm trong băng vàngoài băng ta cần phải nắm bắt được các định nghĩa về Direct link, Relay link và theAccess link

Hình 2.8 Direct link, Relay link và Access link trong mạng LTE-Advanced

Dựa vào hình 2.8 mô tả các loại đường truyền trong mạng LTE-Advanced ở trên,

có thể dễ dàng nhận thấy trong mạng LTE-Advanced có 3 loại đường truyền đó là:

- Direct link: (hay còn gọi là Backhaul link) đường kết nối trực tiếp giữa thiết bị di động

MS (UE) và trạm gốc BS (eNB)

- Relay link: là đường kết nối dữ liệu giữa trạm chuyển tiếp và trạm gốc

- Access link: là đường kết nối dữ liệu giữa thiết bị di động MS và trạm chuyển tiếp RS

Trạm chuyển tiếp RS sử dụng cùng một tần số sóng mang để phục vụ cho Relaylink và Access link gọi là RS trong băng Còn sử dụng hai tần số khác nhau để phục vụ chohai đường liên kết này gọi là ngoài băng Rõ ràng việc sử dụng RS trong băng sẽ có ưuđiểm hơn vì sử dụng ít tần số hơn đem lại hiệu suất phổ cao hơn Điều này có ý nghĩaquan trọng khi phổ ngày càng khan hiếm

2.4.4.3 Song công và bán song công

Ngoài ra còn có thể phân loại RS dựa trên chế độ hoạt động của nó, có hai loại làchế độ hoạt động song công ( Full-duplex) và bán song công (Half-duplex):

- Chế độ hoạt động song công ( full-duplex) hay còn được gọi là chuyển tiếp hai

chiều (Two way relay), trong chế độ này trạm chuyển tiếp RS có thể đồng thời vừatruyền và nhận dữ liệu cùng một lúc từ MS và BS

- Chế độ hoạt động bán song công (half-duplex) hay còn gọi là chuyển tiếp một

chiều (One way relay), trong chế độ này trạm chuyển tiếp RS không thể đồng thời vừatruyền và nhận dữ liệu cùng một lúc từ MS và BS mà được ghép kênh phân chia theo thờigian, vì vậy RN không thể truyền dữ liệu khi mà nó đang thực hiện nhận dữ liệu

Loại thứ hai phổ biến hơn bởi vì nó xử lý các vấn đề về nhiễu liên kênh khi Directlink và Access link sử dụng chung tần số sóng mang con như trong trường hợp chuyểntiếp trong băng

2.4.4.4 Chuyển tiếp cố định và chuyển tiếp di động

Dựa vào cơ sở hạ tầng, trạm chuyển tiếp cũng có thể được phân thành 2 loạichính là trạm chuyển tiếp cố định hoặc chuyên tiếp di động, nó có thể được đặt trênmột chiếc xe đang di chuyển để mở rộng phạm vi bao phủ cho các khu vực cụ thể nhưtrong tàu điện hay xe buýt Ngoài ra, còn có thể đặt trạm chuyển tiếp tạm thời

- Chuyển tiếp cố định (Fixed Relay Sation):

Trạm RS cố định thường được triển khai trong mạng để cải thiện vùng phủ sóng

và năng lực truyền tải dữ liệu trong mạng tại các vùng biên của tế bào, các vùng lõm do

bị che chắn như trong hình sau :

Hình 2.9 Trạm chuyển tiếp cố định

Chúng có thể được sử dụng vùng phủ sóng trong mạng cho các ngườidùng bên ngoài khu vực di dộng RS có thể được triển khai trên các tháp , cột, các đỉnhcủa tòa nhà hoặc các cột đèn điện Chiều cao anten được giữ thấp hơn so với trạmgốc.Các nhà khai thác mạng có thể tính toán để đạt được vị trí RS ở tầm nhìn thẳng(LOS) so với trạm gốc

- Chuyển tiếp di động (Mobile Relay Station) :

Trạm chuyển tiếp di động thường được gắn trên các thiết bị giao thông như xebuýt, xe lửa …nhằm mục tiêu cung cấp dịch vụ di động bên trong các phương tiên giaothông tố hơn Trạm gốc kết nối với trạm chuyển tiếp di động khi có nhu cầu kết nối vớithiết bị người dùng UE bên trong phương tiện đang di động Chiều cao anten tương đốithấp do hạn chế của phương tiện giao thông và để vận hành an toàn