Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật điện tử- Kỹ thuật chuyển tiếp mạng 4G

Giới thiệu về mạng 4G LTE Advance, Kỹ thuật chuyển tiếp, KT chuyển tiếp trong mạng 4G LTE Advance. Công nghệ trong mạng 4G LTE, Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp. Phân tích vùng phủ sóng và tiêu thụ công suất trong kỹ thuật chuyển tiếp. Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab.

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xuhướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp ViễnThông di động Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được cácnhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó, tuy nhiên mạng diđộng này cũng tồn tại một số nhược điểm Trong bối cảnh đó người ta đã chuyểnhướng sang nghiên cứu và triển khai hệ thống thông tin di động mới có tên gọi là4G dựa trên nền tảng là công nghệ LTE (Long Term Evolution)

Hiện nay, trên thế giới, các nước Bắc Mỹ và Bắc Âu đã bắt đầu triển khai cácmạng Viễn Thông 4G dùng công nghệ LTE Tại Việt Nam, công nghệ 4G/LTE đãđược thử nghiệm bởi Ericssion phối hợp với Bộ Thông tin và Truyền thông trongnăm 2010 Đến nay, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp giấy phép thử nghiệm4G/LTE trong một năm cho năm đơn vị, gồm: VNPT, tập đoàn Viettel, công ty cổphần Viễn thông FPT, tập đoàn Công nghệ CMC và tổng công ty VTC Trong giaiđoạn 1, dự án thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng 4G/LTE sẽ phủsóng tại khu vực Hà Nội có tốc độ truy cập Internet lên đến 60 Mbps Trạm BTSdùng công nghệ 4G/LTE đã được lắp xong vào ngày 10/10/2010, đặt tại Cầu Giấy,

Hà Nội Đây không chỉ là trạm BTS 4G/LTE đầu tiên ở Việt Nam mà còn ở cả khuvực Đông Nam Á

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 sửdụng 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 Đó chính là mục đíchnghiên cứu của luận văn

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Tập trung chính vào đối tượng nghiên cứu là kỹ thuật chuyển tiếp trong hệthống thông tin di động 4G/LTE-Advanced, trên cơ sở nghiên cứu:

- Lý thuyết tổng quan về công nghệ LTE/LTE-Advanced

- Lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp

- Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp

- Phân tích vùng phủ sóng và tiêu thụ công suất trong kỹ thuật chuyển tiếp

- Viết chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab để kiểm chứng kết quả

lý thuyết đã đề cập

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

- Viết chương trình chạy mô phỏng thực hiện kiểm chứng các kết quả

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Công nghệ 4G/LTE đang được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới và đã bắtđầu triển khai thử nghiệm ở Việt Nam Theo nhiều đánh giá chuyên môn, thời điểmthích hợp cho các dịch vụ Viễn Thông 4G/LTE phát triển tại Việt Nam được dựđoán khoảng từ năm 2013 trở đi Để đạt được những tiêu chuẩn đưa ra của hệ thống

về tốc độ, băng thông, dung lượng, … kỹ thuật chuyển tiếp với nhiều ưu điểm của

nó đã được đề xuất sử dụng Hướng nghiên cứu và kết quả đạt được của đề tài sẽ cónhững ứng dụng hiệu quả giải quyết những vấn đề nêu trên Hơn nữa, việc thực hiệnthành công đề tài mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng khác trong thực tiễn.

6 KẾT CẤU LUẬN VĂN

Chương 1: Tổng quan về LTE và LTE-Advanced

Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệthành 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 chếtruyền dẫn chuyển tiếp, các cơ chế bắt cặp chuyển tiếp vàtruyền dẫn phối hợp

Chương 3: Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp

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

Chương 4: Phân tích vùng phủ sóng và tiêu thụ công suất trong kỹ thuật

chuyển tiếpPhân tích việc mở rộng dải vùng phủ sóng và việc cải thiệntổng công suất tiêu thụ khi sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp

Chương 5: Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab

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

hệ thống phối hợp và sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sửdụng kỹ thuật chuyển tiếp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED

1.1 GIỚI THIỆU

Cùng với sự phát triển cũng như đòi hỏi của xã hội, ngành khoa học tronglĩnh vực truyền dẫn viễn thông cũng luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó.Đặc biệt là trong xã hội ngày nay nhu cầu về trao đổi thông tin, truyền dữ liệu, cácdịch vụ trên các thiết bị di động ngày càng cao Các hệ thống thông tin di động 2G,2.5G và đặc biệt là 3G vẫn đang hoạt động khá trơn chu và ngày càng phát triển vớinhững thế mạnh của mình Tuy nhiên chúng vẫn phần nào chưa đáp ứng được mongđợi của những khách hàng có nhu cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao Hệ thôngthông tin di động sử dụng công nghệ LTE được phát triển sẽ giải quyết được nhữngkhó khăn trên

LTE là từ viết tắt của Long Term Evolution, mô tả công việc chuẩn hóa của3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thốngtruyền thông di động LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thứ

4 hay còn gọi là 4G Hệ thống này được kỳ vọng có những tiến bộ vượt bậc về côngnghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3G trước đó

1.2 LTE

1.2.1 Các yêu cầu của LTE [18]

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTSthế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảotính 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 vớitên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồmgiảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt cácbăng 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 Đặc tả kỹ thuật cho LTE

đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong 2 năm tới.Các mục tiêu của công nghệ này là:

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

di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)

- Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảmchút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30 – 100 km thì không hạn chế

- 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 trựcgiao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output - đa nhập đa xuất).Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network) và hỗ trợ cả 2chế độ FDD và TDD

Trên thế giới đã có nhiều hãng viễn thông lớn triển khai hoạt động mạngLTE Mạng NTT DoCoMo của Nhật đi tiên phong khi khai trương dịch vụ vào năm

2009 Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, và China Mobile tuyên bố hợp tácthử nghiệm LTE vào năm nay Ngày 8 tháng 10 năm 2010 vừa rồi, hãng viễn thôngEricsson Việt Nam đã phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện của Bộ Thông tin vàTruyền thông trình diễn công nghệ LTE – công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiếncủa 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 từ1.5Mbps – 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 Đợt thử nghiệmvừa rồi diễn ra ở băng tần 2300-2400Mhz Kết thúc cuộc thử nghiệm tốc độ đođược: tải xuống đạt 80Mbps, tải lên đạt 20Mbps, vượt xa tốc độ truy nhập củaADSL hiện nay.

1.2.2 Kiến trúc LTE [18]

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

Hình 1.1 Kiến trúc LTE Release 8.

1.2.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến

Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trongnhững đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm thời gian thực, sẽ đượccung cấp qua các kênh chuyển mạch gói Điều này làm gia tăng hiệu quả phổ tần vàlàm tăng dung lượng hệ thống so với các hệ thống UMTS và HSPA hiện tại Mộtkết quả quan trọng của việc dùng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợptốt 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 khiểntài 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 Nhưvậy trong LTE không có nút tương đương với RNC Lý do chủ yếu là không có hỗtrợ 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 được gọi là eNodeB (Enhanced NodeB) eNodeB chịu trách nhiệm chomột tập các ô Tương tự như nodeB trong kiến trúc WCDMA/HSPA không cần sửdụng cùng 1 trạm anten eNodeB thừa hưởng các chức năng của RNC eNodeB chịutrách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến của 1 ô, các quyết định chuyển giao, lậpbiểu 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 giốngnhư 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

1.2.2.2 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 mới là EPC (Evoled PacketCore)

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 điềukhiển 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 lýphiên, cụ thể là:

+ Cung cấp tín hiệu cho phép truy nhập mạng và các khía cạnh an ninh.+ Chọn chế độ tích cực thấp cho thiết bị người sử dụng khi không làmviệc

+ 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 trongquá 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 nhànrỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầudịch 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 vụkhác 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

1.2.3 Cơ chế truyền dẫn

Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều cáccông nghệ đa truy nhập, cụ thể: đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho đườngxuống (OFDMA), và đa truy nhập phân chia tần số - đơn sóng mang (SC-FDMA)cho đường lên

1.2.3.1 Truyền dẫn đường xuống

Cốt lõi của truyền dẫn vô tuyến đường xuống trong LTE là ghép kênh phânchia theo tần số trực giao (OFDM) với dữ liệu được truyền đi trên một số lượng lớncác sóng mang con băng hẹp song song OFDM cung cấp nhiều ưu điểm, đó là hiệuquả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệthống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần sốlân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng)

Bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nhiều sóng mang, thời gian củasymbol sẽ dài hơn độ trải trì hoãn của kênh (delay spread) Vì thời gian ký tựOFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cungcấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequencyselectivity) Mặc dù trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọctần số có thể được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹthuật 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 O F D M vớ i k h ả n ă n g

v ố n c ó t r o n g v i ệ c c h ố n g l ạ i f a d i n g l ự a c h ọ n t ầ n s ố s ẽ t r ở thành sựlựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghépkênh không gian (spatial multiplexing)

1.2.3.2 Truyền dẫn đường lên

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

Average Power Ratio _ tỷ lệ công suất 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 mộtthiết bị, và vì thế nên có hiệu quả công suất cao càng cao càng tốt để làm tăng tuổithọ pin của máy

Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối vớicác nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít nănglượng càng tốt Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càngthấp 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 mộtPAPR 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 sovới OFDM dẫn đến tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu cuối ít hơn, tăng tính di độngcho thiết bị Vì vậy nó được 3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng lên

1.2.4 Giải pháp đa anten (MIMO)

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

MIMO (Multi Input Multi Output) là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát vànhiều anen thu để truyền và nhận dữ liệu Điều này khắc phục được ảnh hưởng củahiện tượng đa đường Đa đường xảy ra khi các tín hiệu khác nhau đến máy thu tạicác 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 tínhiệu 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 ởthiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết Hiệu năng đạt được tùythuộc vào việc sử dụng MIMO Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatialmultiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật củaMIMO trong công nghệ LTE

1.3.1 Các yêu cầu của LTE-Advanced [18]

- 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

1.3.2 Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced [18]

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

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể đượcthỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so vớinhững gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lênđến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced Việc mở rộng độrộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ Điềunày có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiềusóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băngcần thiết Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiệnnhư là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thểkhai 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 nhậpđến 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 khíacạnh 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

1.3.2.2 Giải pháp đa anten mở rộng

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo khônggian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tụcđóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced Thiết kế đa anten LTE hiệntại 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/scũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã) Kết hợp với nhau trên độ rộng băngtoàn 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 hỗtrợ 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 cóthể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mởrộng băng tần

1.3.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

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

về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối Định dạng chùm

là một cách Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nốiđến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả vềchi phí Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ởmột nút đơn được mô tả ở hình 1.4 Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyềndẫn từ đa điểm truyền dẫn Phụ thuộc vào quy mô mở rộng, có 3 phương án A, B, Cnhư sau:

Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từnhiều điểm tách biệt về mặt vật lý Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở

bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đườngtruyền đang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụthể 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 phốihợp 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 trọngnhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất ở trạng thái rỗi

Hình 1.4 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

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

Ở phương án C, báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B Tuynhiên, không giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biếttruyền dẫn phối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn baonhiêu, ) Thông tin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ởphía thiết bị đầu cuối

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

1.3.2.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếpkhác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăngtốc độ số liệu Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tựthu được Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được màkhông 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 Tuynhiên, 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, chỉtích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộlặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực Các báo cáo đo đạc bổ sung từcác 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 vàlập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khíacạnh di động

Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưutiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ Đây thường được xem làchuyển tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mãhóa 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 tínhnăng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới)nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếpđược thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tựchuyển tiếp (self backhauling))

Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đạitạp âm), giải pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giaodiện 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 1.5 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced

1.4 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

- Tương tự như LTE

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

của LTE

- Nên được tối ưu chocác môi trường vùng nộihạt/micro cell

Dung lượng - Cell với 200 người dùng

hoạt động trong 5 MHz

- Gấp 03 lần LTE

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP

2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Để đạt được các yêu cầu về tốc độ, dung lượng, vùng phủ sóng, nhiều côngnghệ 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 chuyểntiếp là một trong những công nghệ đem lại nhiều lợi ích nhằm đáp ứng và thỏa mãnnhững 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 UEthông 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: nútnguồn (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 02chặng: 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 nhưtrong tòa nhà

Hình 2.2 Mở rộng vùng phủ sử dụng nút chuyển tiếp

2.2 CÁC LOẠI NÚT CHUYỂN TIẾP [6]

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 củaeNodeB, truy nhập đến eNodeB Vì thế node chuyển tiếp loại 1 cần phát tín hiệutham chiếu chung và thông tin điều khiển cho eNodeB, và mục tiêu chính của nó là

để mở rộng vùng phủ tín hiệu và dịch vụ Nút chuyển tiếp loại 1 chủ yếu thực hiệnchuyển tiếp gói IP trong lớp mạng và có thể phân phối đến toàn bộ hệ thống bằngviệc chuyển tải các dịch vụ thông tin và truyền dẫn dữ liệu cho các UE đầu xa

Một nút chuyển tiếp loại 2 có thể giúp một UE nội hạt, nằm trong vùngphủ của eNodeB và có tuyến thông tin trực tiếp đến eNodeB, cải thiện được chấtlượng dịch vụ và dung lượng tuyến truyền dẫn của nó Vì thế nút chuyển tiếp loại 2không thể phát tín hiệu tham chiếu chung hay thông tin điều khiển, và mục tiêuchính của nó là để gia tăng toàn bộ dung lượng hệ thống bằng việc tạo ra phân tập

đa đường và độ lợi truyền dẫn cho các UE nội hạt

Hình 2.3 Minh họa nút chuyển tiếp loại 1 và loại 2

2.3 CÁC CHIẾN LƯỢC CHUYỂN TIẾP [10]

Có 3 chiến lược chuyển tiếp: chuyển tiếp 1 chiều, chuyển tiếp 2 chiều vàchuyển tiếp chia xẻ như minh họa trong hình 2.4

Hình 2.4 Các chiến lược chuyển tiếp

Trong hình vẽ 2.4.a, eNodeB được thiết kế với một anten trên một sector vàmột nút chuyển tiếp phục vụ một UE trong vùng lân cận của nó Còn trong hình2.4.b, nút chuyển tiếp được chia xẻ giữa 3 cell gần kề (sử dụng cùng tần số) của cáceNodeB

Hình 2.5 Chuyển tiếp 1 chiều

Khái niệm chuyển tiếp 1 chiều được minh họa như trong hình 2.5 Truyềndẫn dữ liệu được phân chia thành 4 bước được biểu thị bởi các con số:

Trong đường downlink:

(1) eNodeB truyền đến RN

(2) RN truyền tiếp tín hiệu đến UE

Sau đó trong đường uplink:

(3) UE truyền đến RN

(4) RN truyền tiếp tín hiệu của UE đến eNodeB

Chuyển tiếp 2 chiều hiệu quả hơn chuyển tiếp 1 chiều ở chỗ truyền dẫn dữliệu được thực hiện trong 2 giai đoạn như hiển thị trong hình 2.6

Hình 2.6 Chuyển tiếp 2 chiều

Trong giai đoạn đầu, cả eNodeB và UE cùng phát tín hiệu của chúng đến RN

và sau đó trong giai đoạn hai, sau khi xử lý tín hiệu thích hợp, RN truyền tín hiệutrở lại cho cả eNodeB và UE Vì thế, thời gian truyền dẫn chỉ bằng nửa so với thờigian truyền dẫn trong chuyển tiếp 1 chiều

Chuyển tiếp chia xẻ tiết kiệm được giá thành khi số lượng RN được giảmxuống bằng cách cho phép một RN được chia xẻ bởi 3 cell

2.4 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN DẪN CHUYỂN TIẾP [6]

Nút chuyển tiếp hoạt động trong 02 cơ chế truyền dẫn, phụ thuộc vào việc tínhiệu thu được xử lý như thế nào

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

Đầu tiên, nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ eNodeB (hay UE) Sau đó nókhuếch đại tín hiệu thu này và chuyển tiếp nó đến UE (hay eNodeB) Cơ chế AF thìrất đơn giản và có độ trì hoãn nhỏ nhưng nó cũng khuếch đại nhiễu

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

Đầu tiên, nút chuyển tiếp giải mã hóa (giải mã hóa kênh) tín hiệu thu được từeNodeB (hay UE) Sau đó nếu dữ liệu giải mã được kiểm tra đúng bằng cách dùng

mã kiểm tra CRC, nút chuyển tiếp sẽ thực hiện mã hóa kênh và chuyển tiếp tín hiệumới đến UE (hay eNodeB) Cơ chế DF tránh được lỗi đường truyền qua nút chuyểntiếp nhưng có độ trì hoãn lớn

2.5 HỆ THỐNG PHỐI HỢP [5]

Khái niệm thông tin phối hợp dựa trên một thực tế là một tín hiệu, được phátmột lần có thể được thu (và được chuyển tiếp) bởi nhiều thiết bị đầu cuối Nhìnchung, hệ thống phối hợp có 01 nút nguồn phân phát 01 bản tin đến một số nútchuyển tiếp Các nút này gửi lại tín hiệu đã được xử lý đến nút đích Nút đích kếthợp và sử dụng phân tập tín hiệu thu được từ các nút chuyển tiếp và từ nút nguồn đểnhận được tín hiệu thu Hình 2.7 minh họa kỹ thuật phối hợp với 02 nút chuyển tiếp

Hình 2.7 Hệ thống phối hợp với 02 nút chuyển tiếp

2.6 CÁC CƠ CHẾ BẮT CẶP CHO VIỆC LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP [6]

Trong một mạng với nhiều nút chuyển tiếp và nhiều UE hiện diện trong cùngmột cell, một điều quan trọng là lựa chọn một nút chuyển tiếp bắt cặp với một UE

để đạt được đầu ra tốt nhất với độ trì hoãn xử lý nhỏ Cơ chế bắt cặp cũng phục vụcho mục đích chọn lựa nút chuyển tiếp để định tuyến trong mạng chuyển tiếp cónhiều hơn 02 chặng Có 02 kiểu cơ chế bắt cặp cho việc lựa chọn chuyển tiếp: cơchế bắt cặp tập trung và cơ chế bắt cặp phân phối

Trong cơ chế bắt cặp tập trung, một eNodeB sẽ phục vụ như một nút trungtâm để tập hợp tất cả các thông tin vị trí và kênh truyền được yêu cầu từ tất cả các

RN và UE trong vùng lân cập của nó và sau đó làm các quyết định bắt cặp cho tất

cả chúng

Trong cơ chế bắt cặp phân phối, mỗi RN chọn một UE thích hợp bằng cáchdùng thông tin kênh cục bộ và một cơ chế điều khiển truy cập môi trường cạnhtranh

2.6.1 Cơ chế bắt cặp tập trung

Trong cơ chế bắt cặp tập trung, mỗi RN nhận diện một tập các UE nó có thểphục vụ trong vùng lân cận nó và kiểm tra điều kiện kênh truyền (chất lượng dịchvụ) cho các tuyến giữa RN và eNodeB và giữa RN và mỗi UE trong tập phục vụnày Thông tin này cần được cập nhật và báo cáo định kỳ đến eNodeB để nắm bắtđược những thay đổi động của láng giềng và những điều kiện kênh truyền tại mỗi

RN Sau khi nhận các cập nhật từ tất cả các RN trong cùng một cell, eNodeB tươngứng sẽ tạo một ma trận 02 chiều C = c i,j với các hàng và cột của nó tương ứngvới số nhận diện các UE và các RN Trong ma trận C, phần tử c i,j (c,j  0) đạidiện cho tốc độ dữ liệu đạt được trên truyền dẫn 02 chặng khi UE thứ i được phục

vụ bởi RN thứ j Nếu UE thứ i không nằm trong tập dịch vụ của RN thứ j, c i,j sẽđược thiết lập về 0 Mặt khác, c i,j có thể được tính toán dựa trên các điều kiệnkênh truyền tức thời giữa UE thứ i và RN thứ j, và giữa RN thứ j và eNodeB

Với điều kiện này, mỗi RN có thể phục vụ chỉ một UE tại một thời điểm.Mục tiêu của cơ chế bắt cặp tập trung là để tăng tối đa số lượng UE được phục vụ

Cụ thể, eNodeB sẽ điều khiển ma trận C bằng cách giữ cho nhiều hàng khác 0 (cónghĩa là có ít nhất một phần tử dương tồn tại trong mỗi hàng), trong khi duy trì tối

đa một phần tử khác 0 trong mỗi cột bởi vì một RN không thể phục vụ đồng thờinhiều hơn một UE Để đạt được mục tiêu này, eNodeB tìm và giữ các hàng với chỉmột phần tử khác 0, đó là các UE với độ ưu tiên cao được ghép đôi với chỉ RN củachúng Nếu có nhiều UE độ ưu tiên cao chia sẻ cùng một RN thì UE với tốc độ dữliệu đạt được lớn nhất sẽ được chọn Kết quả là, các hàng tương ứng với những UEkhác sẽ được loại ra khỏi ma trận C Một RN chỉ được chọn một UE, nó không thểđược chọn bởi bất kì một UE nào khác trong tập dịch vụ của nó Vì vậy eNodeB sẽđưa về 0 những giá trị trong cột mà RN được chọn đang định vị, ngoại trừ hàngtương ứng với UE được bắt cặp với nó

Với thủ tục tương tự, eNodeB sẽ kiểm tra và giữ các hàng còn lại, thực hiệnvới nhiều phần tử khác 0 và tiếp tục cập nhật đến ma trận C bằng cách thiết lập vềcác giá trị 0 vào cột mỗi lần một RN thích hợp bắt cặp với một UE mới Cuối cùng,

tất cả các cột chỉ chứa một phần tử khác 0 (đó là UE và RN bắt cặp) Và kết quả bắtcặp này được phân phát đến tất cả các RN và UE trong cùng một cell.

2.6.2 Cơ chế bắt cặp phân phối

Để giảm việc trao đổi thông tin định kỳ trong cơ chế bắt cặp tập trung, cơchế bắt cặp phân phối được sử dụng Cơ chế bắt cặp phân phối dựa trên kỹ thuậtđiều khiển truy cập môi trường cạnh tranh Cụ thể, một kênh thông tin chung cónhiều slot được chia sẻ bởi tất cả các RN trong cùng một cell Mỗi N slot được hợpthành nhóm vào trong một đoạn bắt cặp, và một thủ tục bắt cặp hoàn chỉnh sẽ chứa

M đoạn bắt cặp Các thông số N và M có thể được điều chỉnh theo mật độ của RN

và UE trong mỗi cell

Trong cơ chế bắt cặp phân phối, mỗi RN nhận diện một tập các UE trongvùng phục vụ của nó Nó cũng đánh giá điều kiện kênh truyền giữa nó và eNodeB,

và giữa nó với các UE trong tập dịch vụ của nó Sau đó, trong đoạn bắt cặp đầu tiên,các RN với tập dịch vụ một UE chọn ngẫu nhiên một khe thời gian từ N slot trongđoạn bắt cặp này để phân phối đến UE ghép đôi của nó Nếu có nhiều RN chọncùng một khe thời gian để loan báo đến các UE được phục vụ của chúng, một đụng

độ xảy ra, và các RN còn lại sẽ thực hiện trở lại trong đoạn bắt cặp kế tiếp Các RNkhác với tập dịch vụ chứa nhiều hơn một UE sẽ lắng nghe bản tin phân phối trongđoạn bắt cặp đầu tiên và sau đó cập nhật các tập dịch vụ của chúng bằng cách loại

bỏ các UE đã được bắt cặp đó Đoạn bắt cặp thứ hai là cho các RN bị đụng độ trongđoạn bắt cặp đầu tiên và các RN mới thêm Mỗi RN có một tập dịch vụ được cậpnhật mới với chỉ một UE Các RN sẽ chọn khe thời gian riêng của chúng để loanbáo cho các UE bắt cặp của chúng Đụng độ bắt cặp có thể xảy ra và các RN còn lại(với tập dịch vụ nhiều hơn một UE) sẽ cập nhật các tập dịch vụ của chúng sau khinghe được các UE được bắt cặp thành công Tiến trình tương tự sẽ tiếp tục trong cácđoạn bắt cặp tiếp theo, cho đến đoạn bắt cặp cuối cùng (thứ M) Trong đoạn bắt cặpnày, mỗi RN (không được bắt cặp) còn lại sẽ chọn một UE từ tập dịch vụ hiện tạicủa nó và loan báo sự chọn lựa bắt cặp này tại một khe thời gian ngẫu nhiên Đụng

độ bắt cặp trong đoạn cuối cùng này sẽ không được giải quyết và một thủ tục bắt

cặp mới sẽ được bắt đầu khi một láng giềng của RN bị thay đổi do bởi sự di độngcủa người dùng hay bởi điều kiện kênh truyền thay đổi.

Bằng việc sử dụng mức ưu tiên cao cho các RN với tập dịch vụ một UE, cơchế bắt cặp phân phối có thể giảm được đụng độ ghép đôi một cách hiệu quả, giatăng được xác suất ghép đôi thành công

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG PHỐI HỢP

3.1 GIỚI THIỆU

Thông tin phối hợp là một phương pháp thông tin mới cung cấp phân tậpkhông gian để chống lại fading trong mạng vô tuyến Trong thông tin phối hợp, tínhiệu thu là sự kết hợp của tín hiệu phát từ nút nguồn và từ các nút chuyển tiếp.Trong chương này, chúng ta sẽ phân tích đặc tính của hệ thống sử dụng kỹ thuậtphối hợp với 02 loại nút chuyển tiếp AF và DF

3.2 HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP AF [12]

3.2.1 Mô hình hệ thống

Xem xét một hệ thống thông tin phối hợp trên các kênh fading Rayleighphẳng, bao gồm một kênh trực tiếp và N kênh hai chặng với các nút chuyển tiếp AFnhư hình vẽ 3.1 Ở đây, nguồn chỉ sử dụng một anten phát và đích chỉ sử dụng mộtanten thu

Hình 3.1 Mô hình phối hợp với nút chuyển tiếp AF

Chúng ta giả sử rằng thông tin trạng thái kênh được biết từ đích Đầu tiên,thiết bị nguồn phát tín hiệu x đến các node chuyển tiếp và đến thiết bị đích Tín hiệuthu tại nút chuyển tiếp thứ i và tại đích tương ứng là:

y SR i h SR i xn SR i (3.1)

y SD h SD xn SD (3.2)

ở đây h SR i và h SD tương ứng là độ lợi kênh giữa nguồn và nút chuyển tiếp thứ i và

độ lợi kênh giữa nguồn và đích Nhiễu Gauss trắng cộng phức tại nút thứ i và tạiđích tương ứng được biểu thị bởi n SR i C N0 N, 0, n SD C N0 N, 0, ở đây N0 làphương sai nhiễu

Kế tiếp, nút chuyển tiếp thứ i khuếch đại tín hiệu thu được của nó và chuyểntiếp đến đích thông qua kênh h R i D Đầu cuối đích nhận tín hiệu trên truyền dẫnchuyển tiếp theo biểu thức:

D

i i

i i

ở đây vSR i,R i D,SD biểu thị chỉ số tuyến.

Để đơn giản việc phân tích, một giới hạn trên cho số hạn thứ hai của SNR được cho bởi:

 

D R SR

D R SR D

R SR i

i i

i i i

3.2.2 PDF và CDF cho SNR giới hạn trên

Để tìm PDF và CDF của SNR giới hạn trên up được cho trong (3.8), ta đitìm hàm tạo mômen MGF (moment generating function) của up Sau đó, dùngbiến đổi Laplace ngược, ta sẽ có được PDF tương ứng

3.2.2.1 Trường hợp không có chọn lựa nút chuyển tiếp

Giả sử rằng SD và i là độc lập, MGF của up có thể được viết:

s s

s

i SD

i i

i i

i

F F

1

Pr1Pr

11Pr

Pr1

(3.12)

F là CDF của SNR trong các chặng S  R i và R i  D tươngứng với nút chuyển tiếp thứ i.

Thay thế (3.6) với chỉ số thích hợp vào (3.12) thu được:

D R SR C

i i

i i i

3.2.2.2 Trường hợp chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất

Xem xét N nút chuyển tiếp, thuật toán chọn lựa nút chuyển tiếp sẽ chọn lựanút chuyển tiếp tốt nhất (biểu thị là b) sẽ là:

 i

i

ở đây  1 , 2 , ,N , i là SNR tức thời cho nút chuyển tiếp thứ i Vì vậy, SNRtức thời cho nút chuyển tiếp tốt nhất được cho bởi:

N

C C

i i b

e e

N

F f N f

n s

   

n s

SD C

n N

n

N n

ở đây L 1 . là chuyển đổi Laplace ngược

Thay thế biểu thức MGF (3.24) vào (3.25) được :

n N

n

N n

SD C

n N

n

N n

e n

e n

1

3.2.3 Phân tích đặc tính hệ thống

3.2.3.1 Độ lợi SNR end-to-end trung bình

Độ lợi SNR end-to-end trung bình đạt được từ chọn lựa nút chuyển tiếp trong

hệ thống phối hợp có thể được định nghĩa như sau:

1 ,

up

up SNR

Gain





trong đó up, 1 là SNR trung bình của hệ thống phối hợp 01 nút chuyển tiếp, và up

là SNR end-to-end trung bình với chọn lựa nút chuyển tiếp Chúng ta có thể đơngiản nhận thấy rằng: , 1 0 1 5 0





up   C Mặt khác, có thể đạt được up từ :

C up

Lúc này, dùng biểu thức (3.28), độ lợi SNR end-to-end trung bình đạt được

từ chọn lựa nút chuyển tiếp có thể được biểu diễn là:

Gain

12

11

32

(3.32)

Hình 3.2 Độ lợi SNR trung bình theo số lượng nút chuyển tiếp.

3.2.3.2 Tỉ lệ lỗi symbol trung bình

Tỉ lệ lỗi symbol trung bình (SER) có thể đạt được bằng cách tích phân xácsuất lỗi symbol tức thời tại đích SER  qua PDF của up và có thể được viết là:

SERSER  fup d

0 (3.33)Sau đây, chúng ta sẽ tìm biểu thức SER trung bình cho các kiểu điều chếkhác nhau Do bởi dùng MGF của SNR giới hạn trên up nên biểu thức SER trungbình sẽ là giới hạn dưới của SER trung bình

Thay thế (3.24) vào (3.34) và sau một vài thao tác, SER trung bình trongtrường hợp này có thể được biểu diễn là:

/ 0

1 2

2 1

sinsin

sin1

2 2 2

L n SER

n N

1

1 2

1 sin

L n SER

n N

n

N n

0 2 1 1

sin2

sin22

c M

M c

c M

M

d c c

tan 2 1

1 1 1 sin

sin 1

1

/ 1

2 2

(3.40)

 Tín hiệu M-QAM

SER trung bình cho tín hiệu M-QAM có thể được viết là:

g M

SER

QAM QAM

up up

/ 0 2

2 /

sin

1 1 4

sin

1 1 4

(3.41)

ở đây g QAM  1 5 /M  1

Thay thế (3.24) vào (3.41) và sau những bước tương tự như trong (3.36) và sau một vài thao tác, SER trung bình trong trường hợp này có thể đượcviết là:

1

1 5 1 2 1 75 0 1

1 2

1 1 4

0 3

0 3

2

0 1 0

1 1

1

M nL M

n L M

M nL M

n L M n

SER

n N

n N

c

d c c

L

1 tan

4 1

1 4 1

sin

sin 1

1

4 /

2 3

Hình 3.3 Mô hình phối hợp với nút chuyển tiếp DF

Trong giai đoạn đầu, nút nguồn quảng bá thông tin của nó đến cả nút đích vànút chuyển tiếp Tín hiệu thu y s,d và y s,r tương ứng tại đích và tại nút chuyểntiếp có thể được viết:

y s,d  P1h s,d x  s,d (3.44)

y s,r  P1h s,r x  s,r (3.45)

ở đây P1 là công suất phát của nguồn, x là symbol dữ liệu phát, s , d và s, r lànhiễu cộng Trong (3.44) và (3.45), h s,d và h s,r là các hệ số kênh tương ứng từnguồn đến đích và từ nguồn đến nút chuyển tiếp Nếu nút chuyển tiếp giải mã đúngsymbol phát, thì sau đó trong giai đoạn thứ hai, nút chuyển tiếp sẽ gửi tiếp symbol

đã được giải mã với công suất P2 đến đích, nếu không thì nút chuyển tiếp sẽ khônggửi Vì vậy, tín hiệu thu tại đích có thể được mô hình hóa như sau:

y r,d  P~2 h r,d x  r,d (3.46)

ở đây 2 2

~

P

P  nếu nút chuyển tiếp giải mã đúng symbol phát, nếu không thì P~2  0

và h r,d là hệ số kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến đích Các hệ số kênh h s,d,

 , 2

, r s

 và 2

, d r

 Chúng được xem là đãđược biết tại máy thu, nhưng không được biết tại máy phát Các thành phần nhiễu

d

s ,

 , s , r và r , d được mô hình như là các biến ngẫu nhiên Gaussian phức, trungbình không với phương sai là N0

Để kết hợp tín hiệu thu phát trực tiếp từ nguồn trong giai đoạn đầu và từ nútchuyển tiếp trong giai đoạn thứ hai, phía đích sử dụng kết hợp tỉ số cực đại (MRC).Chúng ta đặt công suất phát tổng thể P là:

ở đây a1  P1h s ,d / N0 và a2  P2h r ,d / N0 Giả sử rằng symbol phát x có năng

lượng trung bình bằng 1, khi đó SNR tại đầu ra MRC là:

0

2 , 2 2 , 1

~

N

h P h

h h

sin exp

1

, , ,

(3.50)

ở đây b PSK sin 2 /M



Nếu tín hiệu M-QAM (M  2k với k chẵn) được dùng trong hệ thống, SER

có điều kiện có thể được biểu diễn như sau:

gửi từ nguồn, sau đó tại nút chuyển tiếp, khả năng giải mã không đúng là





PSK P1h ,r 2 / N0 , khả năng giải mã đúng là 1  PSKP1h,r 2 /N0 Tương tự, nếumột symbol M-QAM được gửi từ nguồn, khả năng giải mã không đúng tại nútchuyển tiếp là QAMP1h s,r 2/ N0 và khả năng giải mã đúng là

~

0

2 , 1 0

~ ,

2 ,

, ,

N

h P N

h P P

r PSK P

P PSK

r PSK P PSK h

h h PSK

d r d

2 , 1 1

2 0

2 , 2 2

0

2 , 1 1

2 0

2 , 1 1

2 0

2 , 1 1

sin1

1

sin

1sin

1

sin

1sin

1

N

P b F

N

P b N

P b F

N

P b F N

P b F P

r s PSK

d r PSK d

s PSK

r s PSK d

s PSK PSK

0 1

1 1

(3.54)Tương tự, với điều chế M-QAM, SER có điều kiện trong (3.51) với các hệ sốkênh h s,d, h s,r và h r,d có thể được quyết định bởi: