khảo sát bẻ gãy các giao thức và kĩ thuật trong truyền thông đa chặng mạng LTEADVANCED

Đồ án sẽ tập trung nghiên cứu các giao thức và kỹ thuật sử dụng trong trạm chuyển tiếp trong truyền thông đa chặng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng đường truyền từ t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung bản đồ án này không sao chép nội dung cơ bản từ các

đồ án khác

Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi ở mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kì tài liệu nào khác mà không được ghi

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỹ luật theo quy định

Sinh viên thực hiện (Ký tên)

Võ Như Tuân

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : 2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương 2

1.2 Sơ lược về hệ thống thông tin di động 3

1.3 Tổng quan về công nghệ LTE 4

1.3.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 5

1.3.2 Kiến trúc mạng LTE 5

1.3.3 Kiến trúc mạng lõi LTE 6

1.3.4 Mạng truy cập E-UTRAN 8

1.3.5 Thiết bị người dùng (UE) 9

1.3.6 Vùng dịch vụ (Services) 9

1.4 Các công nghệ sử dụng trong LTE-ADVANCED 10

1.4.1 Kết hợp sóng mang (Carrier Aggegation) 10

1.4.2 Kết nối chuyển tiếp (Relay) 11

1.4.3 Giải pháp đa anten (MIMO) 12

1.4.4 Hệ thống phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP 13

1.5 Kết luận chương 14

CHƯƠNG 2: 15

TỔNG QUAN VỀ TRẠM CHUYỂN TIẾP 2.1 Giới thiệu chương 15

2.2 Giới thiệu chung và khái niệm về chuyển tiếp 15

2.2.1 Giới thiệu chung về chuyển tiếp 15

2.2.2 Khái niệm về chuyển tiếp 18

2.3 Phân loại 19

2.3.1 Dựa theo các mô hình thực tế 19

2.3.1.1 Ở nông thôn (vùng dân cư thưa thớt) 20

2.3.1.2 Ở vùng đô thị (người dùng tập trung) 20

2.3.1.3 Điểm chết (vùng bị che khuất) 21

2.3.1.4 Các vị trí trong nhà 22

2.3.1.5 Nhóm thuê bao di chuyển 22

2.3.1.6 Triển khai mạng tạm thời 23

2.3.1.7 Mạng lưới không dây 24

2.3.2 Dựa theo vùng phủ sóng 24

2.3.3 Dựa theo băng tần sử dụng 25

2.3.4 Dựa theo cơ sở hạ tầng 26

2.3.4.1 Trạm chuyển tiếp cố định 26

2.3.4.2 Dựa theo băng tần sử dụng 27

2.3.4.2 Dựa theo băng tần sử dụng 27

2.3.5 Dựa theo các giao thức truyền dẫn 28

2.3.5.1 Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF 28

2.3.5.2 Relay giải mã và chuyển tiếp DF 29

2.4 Hệ thống thông tin đa chặng 30

2.4.1 Mô hình One-way relay 30

2.4.2 Mô hình Two-way relay 31

2.5 Ưu và nhược điểm của trạm chuyển tiếp 32

2.5.1 Các ưu điểm 32

2.5.2 Các nhược điểm 32

2.6 Kết luận chương 33

CHƯƠNG 3 : 34

CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG CHUYỂN TIẾP 3.1 Giới thiệu chương 34

3.2 Phân tập thu kết hợp theo tỉ số tối đa MRC 34

3.2.1 MRC cho chuyển tiếp AF 35

3.2.2 MRC cho chuyển tiếp DF 37

3.3 Hệ thống SDMA 38

3.3.1 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA 38

3.3.2 Kỹ thuật tiền mã hóa 39

3.3.2.1 Khái niệm tiền mã hóa 39

3.3.2.2 Tiền mã hóa trong zero-forcing 40

3.4 Kỹ thuật Network coding trong two-way relay 43

3.4.1 Mô hình Two-way relay đa người dùng 43

3.4.2 Mô hình hệ thống 44

3.4.3 Xây dựng ma trận tiền mã hóa 46

3.4.3.1 Ma trận tiền mã hóa tại trạm gốc 46

3.4.3.2 Ma trận tiền mã hóa tại trạm chuyển tiếp 48

3.5 Kết luận chương 51

CHƯƠNG 4 : 52

KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu chương 52

4.2 Khảo sát công suất khi dùng trạm chuyển tiếp 52

4.3 Khảo sát tỉ số bit lỗi BER của hệ thống có chuyển tiếp 55

4.4 Khảo sát BER với mô hình nhiều trạm chuyển tiếp 61

4.4 Khảo sát BER của kỹ thuật network coding 63

4.5 Kết luận chương 66

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TIẾP THEO 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 70

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN

AWGN Additive White Gauss Noise Nhiễn Gaussian trắng

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

BSC Base Station Controller Trạm điều khiển gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

CoMP Cooperative Multipoint

Transmisson

Hệ thống phối hợp truyền đa điểm

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

GSM Global System for Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HSPA High-Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thường trú

MIMO Multi Input Multi Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra

MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PCRF Policy Control Charging Tính cước tài nguyên

P-GW Packet Date Network Gatewway Cổng mạng dữ liệu gói

PSTN Public Switch Telephone Network Mạng chuyển mạch công cộng

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không

gian

SINR Signal to Interference Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu cộng

nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động 3

Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống cho mạng LTE 5

Hình 1.3: Kiến trúc mạng lõi LTE 6

Hình 1.4: Mạng truy cập E-UTRAN 8

Hình 1.5: Kết hợp sóng mạng trong LTE-ADVANCED 10

Hình 1.6: Kết nối chuyển tiếp trong LTE-ADVANCED 11

Hình 1.7: Các chế độ MIMO chính trong LTE-ADVANCED 12

Hình 1.8: Hệ thống phối hợp với 2 nút chuyển tiếp 13

Hình 2.1: Sự thay đổi khoảng cách cực tiểu của các chùm tia

tín hiệu điều chế mật độ cao 16

Hình 2.2: a) Giải pháp thu nhỏ cell và dùng nhiểu BTS 17

Hình 2.2: b) Giải pháp dùm trạm chuyển tiếp 17

Hình 2.3: Mô hình hệ thống với trạm chuyển tiếp 18

Hình 2.4: Dựa theo các mô hình thực tế 19

Hình 2.5: Chuyển tiếp ở vùng nông thôn 20

Hình 2.6: Chuyển tiếp ở vùng đô thị 20

Hình 2.7: Chuyển tiếp trong khu vực điểm chết 21

Hình 2.8: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao trong nhà 22

Hình 2.9: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao di chuyển 23

Hình 2.10: Sử dụng trạm chuyển tiếp để triển khai mạng tạm thời 23

Hình 2.11: Sử dụng chuyển tiếp làm mạng lưới không dây 24

Hình 2.12: Dựa theo vùng phủ sóng 24

Hình 2.13: Trường hợp minh bạch và trường hợp không minh bạch 25

Hình 2.14: Dựa theo băng tần sử dụng 26

Hình 2.15: Trạm chuyển tiếp cố định 26

Hình 2.16: Trạm chuyển tiếp tạm thời 27

Hình 2.17: Trạm chuyển tiếp di chuyển 27

Hình 2.18: Khuếch đại và chuyển tiếp AF 28

Hình 2.19: Giải mã và chuyển tiếp DF 29

Hình 2.20: Mô hình One-way relay 30

Hình 2.21: Mô hình Two-way relay 31

Hình 3.1: Hệ thống thông tin di động có chuyển tiếp AF 35

Hình 3.2: Hệ thống thông tin di động có chuyển tiếp DF 36

Hình 3.3: SDMA đa truy cập phân chia theo không gian 38

Hình 3.4: Mô hình SDMA đơn giản 39

Hình 3.5: Tiền mã hóa Zero-forcing 40

Hình 3.6: Mô hình Two-way relay đa người dùng 43

Hình 3.7: Mô hình hệ thống Two-way relay sử dụng tiền mã hóa 44

Hình 3.8: Mô hình truyền nhận dữ liệu trong Two-way relay 44

Hình 4.1: Mô hình hệ thống với một chuyển tiếp 52

Hình 4.2: Khảo sát công suất phát trạm gốc khi có và không có trạm chuyển tiếp 54 Hình 4.3: BER của hệ thống khi có relay AF và không có relay 56

Hình 4.4: BER của hệ thống khi có relay DF và không có relay 57

Hình 4.5: BER của hệ thống khi có relay DF, relay AF và không có relay 58

Hình 4.6: BER tại thuê bao với các hệ số khuếch đại khác nhau 60

Hình 4.7: Mô hình nhiều trạm chuyển tiếp 62

Hình 4.8: BER tại thuê bao với mô hình đa trạm chuyển tiếp 62

Hình 4.9: Hệ thống sử dụng Network coding 63

Hình 4.10: BER tại trạm thuê bao khi sử dụng kỹ thuật Network coding 65

Hình 4.11: BER tại trạm gốc khi sử dụng kỹ thuật Network coding 65

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay thông tin di động ngày càng phát triển và có vai trò quan trọng trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta Từ khi ra đời năm 1979 đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ 1G đến 4G với tốc độ và chất lượng dịch

vụ ngày càng cao đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Do đó nội dung đồ án sẽ tìm hiểu

và nghiên cứu một kỹ thuật mới trong 4G/LTE-ADVANCED nhằm nâng cao chất lượng

hệ thống; đó là kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin di động Đồ án sẽ tập trung nghiên cứu các giao thức và kỹ thuật sử dụng trong trạm chuyển tiếp trong truyền thông

đa chặng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng đường truyền từ trạm gốc đến thuê bao Qua đó ta có thể thấy được những lợi ích vượt trội mà kỹ thuật chuyển tiếp mang lại cho hệ thống thông tin di động thông qua phần lý thuyết và phần mô mô phỏng

Đồ án: “ Khảo sát BER các giao thức và kỹ thuật trong truyền thông đa chặng của mạng LTE-ADVANCED ” giúp chúng ta hiểu thêm về một công nghệ mới được áp dụng

để nâng cao chất lượng hệ thống Để hiểu rõ hơn về công nghệ đó, đồ án được chia thành

4 chương với nội dụng như sau:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động

- Chương 2: Tổng quan về trạm chuyển tiếp

- Chương 3: Các kỹ thuật sử dụng trong chuyển tiếp

- Chương 4: Khảo sát và mô phỏng

Sau khi tìm hiểu đồ án chúng ta có thể hiểu thêm về những vấn đề cơ bản về chuyển tiếp trong thông tin di động Hiểu hơn những ưu điểm của các giao thức và kỹ thuật mang lại cho hệ thống thông tin đa chặng Hơn hết là có cái nhìn tổng quan về kỹ thuật chuyển tiếp trong truyền thông đa chặng trong mạng LTE-ADVANCED

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2014

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương đầu tiên của đồ án này chúng ta sẽ nói sơ qua và cho cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin di động Chương bao gồm các phần sau:

 Lịch sử phát triển của thông tin di động

 Tổng quan về LTE và LTE-ADVANCED

 Các công nghệ sử dụng trong LTE-ADVANCED

1.2 Sơ lược về hệ thống thông tin di động

Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hòi các kỹ thuật tiên tiến và công nghệ cao; nó là một nhánh hết sức quan trọng và phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực truyền thông Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19, và kể từ đó nó trở thành một công nghệ được sử dụng rộng rãi Đến ngày nay chúng ta đã quá quen với việc sử dụng các thiết bị di động, dường như chúng đã trở thành một phần không thể thiểu trong cuộc sống Để có được như ngày nay, thì hệ thống thông tin di động đã trải qua lịch sử phát triển lâu dài với những bước ngoặt tương ứng với các thời kì

Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin di động số thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa phương tiện thế hệ tư đang được nghiên cứu, phát triển và triển khai trên một số nước

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Từ những năm 1979 hệ thống 1G thương mại đầu tiên đã được ra đời ở Nhật Bản, hệ thống này ban đầu lúc đầu có tốc độ khá thấp, chủ yếu là phục vụ cho thoại nhưng nhu cầu truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ

sở khai thác mạng hiện có; nó đã khởi đầu cho một quá trình phát triển mạnh mẽ Sau đó hệ thống 1G nhanh chóng được thay thế bằng hệ thống 2G, hệ thống này có chất lượng tốt hơn, tốc độ nhanh hơn, cung cấp thêm dịch vụ truyền bản tin thay vì chỉ có thoại như trước đây, và từ đó hệ thống đặc trưng cho 2G là GSM ngày nay được sử dụng khá phổ biến Cùng với Internet, Intranet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng Kéo theo sự phát triển của các thiết bị di động thông minh, đa chức năng ra đời ngày càng nhiều, cùng với đó là các dịch vụ đa phương tiện phát triển mạnh mẽ, đồng thời nhu cầu truyền tải dữ liệu tốc độ cao cũng tăng nhanh, khiến cho các hệ thống trước đó trở nên lỗi thời Những yêu cầu đó dẫn đến sự ra đời của các thế hệ di động sau này, và các thế hệ 3G, 4G ra đời như ta đã biết, các hệ thống này có thể cung cấp cho chúng ta các dịch vụ đa dạng như gọi video, chơi game, xem tv Với tốc độ nhanh hơn hẳn cũng như chất lượng tốt, các thế hệ thông tin di động này hứa hẹn đáp ứng được các nhu cầu hiện tại, và sẽ được phát triển rộng rãi trong nay mai

Hình 1.1: Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.3 Tổng quan về công nghệ LTE

1.3.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là từ viết tắt của Long Term Evolution miêu tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy cập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông di động LTE được xem như là thế hệ thứ tư, thế hệ tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Năm 2008, phiên bản phat hành cuối cùng 3GPP8, mang lại nhiều hơn sự cải tiến đối với HSDPA và HSUPA, được xem như

là phiên bản đầu tiên của LTE 3GPP phiên bản 9 tập trung vào những mở rộng đối với LTE Mục tiêu của LTE là cung cấp một dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu

Các ưu điểm nổi bật của hệ thống LTE:

- Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mbps và trên kênh đường lên có thể đạt 50Mbps

- Tăng tốc độ truyền dữ liệu trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển

- Đảm bảo hiệu suất di chuyển, giảm độ trể

- Không còn chuyển mạch kênh Tất cả sẽ dựa trên IP.VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại

- Độ phủ sóng từ 5-100km

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

- OFDMA và MIMO được sử dụng trong LTE thay vì CDMA như trong 3G

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.3.2 Kiến trúc mạng LTE

LTE được thiết kế để hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói, hướng đến cung cấp các kết nối IP giữa các UE (User Equipment) và PDN (Packet Data Network) Phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông qua các kết nối gói Được xây dựng trên một kiến trúc phẳng, rất đơn giản chỉ với 2 loại nút B phát triển (eNode B) và thực thể quản lý di động/cổng (MME/GW – Mobility Management Entity/Gateway)

Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống cho mạng LTE

Hình 1.2 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc tổng quát mạng LTE cơ sở với chỉ mạng truy cập E-UTRAN Hình cũng cho thấy

sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bi người dùng (UE); UTRAN phát triển (E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển (EPC); và các vùng dịch vụ

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.3.3 Kiến trúc mạng lõi LTE

Mạng lõi EPC chịu trách nhiệm điều khiển tổng thể UE và thiết lập các thông báo Các nút logic chính của mạng lõi EPC là :

- Thực thể quản lý di động (MME)

- Cổng phục vụ (S-GW)

- Cổng mạng số liệu gói (P-GW)

Hình 1.3: Kiến trúc mạng lõi LTE

+ Thực thể quản lý di động (MME) : Thực thể quản lý tính di động (MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC Điều khiển các Node xử lý tín hiệu giữa UE và EPC Giao thức giữa UE và EPC là Non-Access Stratum (NAS)

Các chức năng chính của MME được phân loại như sau :

 Các chức năng liên quan đến quản lý thông báo: chức năng này bao gồm thiết lập duy trì và gởi đi các thông báo và được điều khiển bởi lớp quản lý phiên trong giao thức NAS

 Các chức năng liên quan đến quản lý kết nối: bao gồm việc kết nối và bảo mật giữa mạng và UE được điều khiển bởi lớp quản lý tính di động hoặc kết nối trong giao thức NAS

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

+ Cổng phục vụ (S-GW): tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua S-GW, S-GW như một trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi

UE di chuyển giữa các eNodeB Đối với mỗi UE, S-GW giữ lại thông tin về các thông báo khi UE trong tình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE Thêm vào

đó, S-GW còn thực hiện các chức năng điều khiển mạng khách như là thu thập thông tin để tính cước

+ Cổng mạng số liệu gói (P-GW): chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE, cho phép UE truy nhập đến mạng dữ liệu gói (PDN) bằng cách gắn địa chỉ IP từ mạng PDN vào UE; ngoài ra nó còn thực thi QoS, thực hiện chức năng chọn lưu lượng và lọc các gói IP hướng xuống người sử dụng trong các thông báo QoS khác nhau

Ngoài các Node này, EPC cũng gồm có những Node và chức năng vật lý khác như HSS (Home Subscriber Server) và PCRF (Policy Control Charging Rules Function)

+ Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF): là một phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc điều khiển chính sách và tính cước Nó tạo ra các quyết định

về cách xử lý các dịch vụ QoS

+Máy chủ thuê bao thường trú (HSS): là kho dữ liệu thuê bao cho tất cả dữ liệu người dùng thường xuyên Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức độ của nút điều khiển mạng tạm trú Lưu trữ bản gốc của hồ sơ thuê bao, trong đó chứa thông tin về các dịch vụ áp dụng cho người sử dụng bao gồm cả thông tin về các kết nối PDN được cho phép và có được phép chuyển đến một mạng khác nào đó hay không

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.3.4 Mạng truy cập E-UTRAN

Mạng truy cập E-UTRAN chỉ bao gồm mạng lưới các eNodeB Vì thế kiến trúc E-UTRAN được gọi là một cấu trúc phẳng Các eNodeB kết nối với nhau thông qua các đường giao tiếp X2, và kết nối với EPC bằng đường giao tiếp S1 Giao tiếp S1 là giao diện giữa E-UTRAN và EPC, nó mang dữ liêu giao thông giữa các eNodeB và S-GW; nó là một giao diện báo hiệu chỉ giữa các eNodeB và các MME Giao tiếp X2 là giao diện giữa các eNodeB; các đường giao tiếp này được dùng để chuẩn bị những cuộc chuyển giao và dùng để gữi chuyển tiếp dữ liệu người dùng (các gói IP) từ mạng cơ sở hiện tại sang mạng cơ sở mới để giảm thiểu dữ liệu người dùng thất thoát trong quá trình chuyển giao

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Về phương diện mạng, eNodeB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến liên quan, và phân bố trên toàn khu vực phủ sóng của mạng; mỗi eNodeB sẽ quản lí một số lượng cell nhất định Khác với 2G hay 3G, LTE tích hợp chức năng điều khiển vô tuyến trong eNodeB Điều này cho phép sự tương tác thích hợp giữa những lớp giao thức khác nhau của mạng truy cập vô tuyến, vì vậy

có thể giảm trể và cải thiện hiệu suất

1.3.5 Thiết bị người dùng UE

UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối để liên lạc Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh UE chứa có modun nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM), USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyển tải trên giao diện vô tuyến

Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng Có lẽ quan trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể sử dụng để thiết lập một cuộc gọi thoai

1.3.6 Vùng dịch vụ (Services)

Bao gồm các dịch vụ của nhà mạng (IMS) và Internet IMS là một kiến trúc mạng dùng để thao tác, quản lý và điều khiển các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng cố định hay di động Nó là một lớp quản lý dịch vụ chung cho tất cả các dịch

vụ đa phương tiện, độc lập với mạng truy nhập mà người dùng đang kết nối

Ngoài ra nó còn cung cấp cho việc sử dụng mạng Internet Internet cung cấp phương thức để mọi người liên lạc, trao đổi, tương tác và làm việc cùng nhau Trong khi các mạng truy nhập vận tải dữ liệu không cần thời gian thực thì trong internet các dịch vụ thời gian thực với chất lượng dịch vụ QoS cao ngày càng được phát triển rộng rãi

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.4 Các công nghệ sử dụng trong LTE-ADVANCED

1.4.1 Kết hợp sóng mang (Carrier Aggregation)

Kết hợp sóng mang (CA) là một trong những chức năng quan trọng nhất của LTE-ADVANCED; sử dụng kỹ thuật kết hợp sóng mang để truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần Độ rộng băng truyền dẫn cao hơn hẳn so với LTE, UL là 40MHz và DL lên đến 100Mhz (Trong khi đó LTE cả 2 đường đều là 20MHz)

Hình 1.5: Kết hợp sóng mang trong LTE-ADVANCED

Các sóng mang được kết hợp lại chính là các sóng mang cơ sở trong phát hành 8, điều này chính là yếu tố khiến cho LTE-ADVANCED có thể dể dàng hơn trong khả năng tương thích ngược

Việc sử dụng kết hợp sóng mang đem lại lợi ích cho hiệu năng của hệ thống theo 2 cách sau:

+ Tốc độ dữ liệu đỉnh tăng lên khi thực hiện kết hợp phổ từ hai hay nhiều băng tần tần số Tốc độ dử liệu đỉnh theo lí thuyết từ việc kết hợp sử dụng kết hợp sóng mang với tổng cộng phổ tần 40MHz và 8 anten có thể đạt tới 1,2Gbps cho đường xuống

và Mbps cho đường lên (với công nghệ truyền dẫn đa anten đường lên)

+ Tăng thông lượng trung bình của người dùng, đặc biệt khi số lượng người dùng quá lớn Lập lịch sóng mang chung trong eNodeB cho phép sự lựa chọn sóng mang tối ưu do đó dẫn đến hiệu năng tốt nhất và cân bằng tải tốt nhất giữa các sóng mang

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.4.2 Kết nối chuyển tiếp (Relay)

Hình 1.6 : Kết nối chuyển tiếp trong LTE-ADVANCED

Tiếp theo là một trong công nghệ mới được sử dụng trong ADVANCED, đó là kết nối chuyển tiếp (Relay) LTE-ADVANCED sử dụng kết nối chuyển tiếp để tăng hiệu năng của mạng bằng cách thêm vào các nút mạng trong các vùng, nơi có các vấn đề nhất định về vùng phủ sóng

LTE-Việc mở rộng vùng phủ vô tuyến có thể thực hiện theo nhiều cách:

+ Một cách trực tiếp có thể thực hiện được đó là sử dụng các bộ lặp lựa chọn tần số, đơn giản là khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu tại một vài băng tần nhất định nào

đó Do khuếch đại luôn cả nhiễu làm giảm hệ số SNR nên nó thường được sử dụng với mục đích như là mở rộng vùng phủ sóng, năng cao mật độ phủ sóng hơn là nâng cao chất lượng của hệ thống

+ Một phương pháp khác đó là sử dụng các thiết bị như giải mã và chuyển tiếp tín hiệu Trong trường hợp này, tín hiệu mong muốn được giải mã và sau đó được mã hóa trở lại rồi lại chuyển tiếp đến UE hay eNodeB Nhờ tiến hành giải mã và mã hóa lại tin hiệu tại trạm chuyển tiếp nên giao thức này có thể giúp tăng hệ số SNR nhờ đó nâng cao chất lượng truyền thông tin và thường được sử dụng để cài thiện chất lượng của tuyển thông tin

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

1.4.3 Giải pháp đa anten (MIMO)

Kỹ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output) trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu Kỹ thuật MIMO tận dụng sự phân tập (thời gian, không gian, mã hóa,…) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu Tuy nhiên không giống OFDM, MIMO phát đồng thời và cùng tần số Vì thế MIMO được xem là một trong những khía cạnh chính của LTE-ADVANCED giúp cho phép hệ thống đáp ứng được yêu cầu về tốc

độ MIMO có 2 chế độ hoạt động chính là MIMO người sử dụng đơn (SU-MIMO)

và MIMO đa người sử dụng (MU-MIMO)

Hình 1.7: Các chế độ MIMO chính trong LTE-ADVANCED

+ MIMO người sử dụng đơn (Single User MIMO - SU-MIMO) :

 Hai dòng dữ liệu được mã hóa để phù hợp với kênh truyền

 Dung lượng cell tăng và tốc độ dữ liệu tăng

+ MIMO đa người sử dụng (Multi User MIMO - MU-MIMO) :

 Dòng dữ liệu MIMO đa người dùng đến từ các UE khác nhau

 Dung lượng cell tăng ,tốc độ dữ liệu không đổi

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Trên thực tế LTE-ADVANCED chọn MIMO đa người dùng làm hướng phát triển chính là vì :

+ Ở hướng lên, thật khó cho các UE sử dụng MIMO do bởi kích thước của UE hạn chế và công suất ngõ ra của nó Tuy nhiên bản thân kênh truyền hướng lên LTE vẫn thích hợp cho truyền MIMO hướng lên Để tận dụng trọn vẹn kênh truyền này, các nhà công nghệ thực hiện kỹ thuật anten đa người dùng (multi user MIMO) MU-MIMO cho phép nhiều người dùng truy cập đồng thời cùng một kênh bằng cách sử dụng độ không gian tự do được cung cấp bởi MIMO

+ Về phía trạm cơ sở, các dòng dữ liệu này được phân tách bởi bộ thu sóng MIMO

và được xử lý như là những cuộc truyền từ những thiết bị độc lập, không phụ thuộc vào thiết bị đầu cuối Tuy điều này không làm cho tốc độ truyền của mỗi thiết bị cao hơn, nhưng dung lượng hướng lên tổng thể của cell được gia tăng đáng kể

1.4.4 Hệ thống phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP

Hệ thống phối hợp truyền đa điểm CoMP (Cooperative Multipoint Transmission) trong LTE-ADVANCED được xem như là công cụ để tăng vùng phủ của tốc độ dữ liệu cao, thông lượng biên ô và tăng thông lượng hệ thống

Hình 1.8: Hệ thống phối hợp với 2 nút chuyển tiếp

Chương 1 : Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Hệ thống phối hợp có 1 nút nguồn phát bản tin đến 1 số nút chuyển tiếp và nút đích Các nút chuyển tiếp gửi lại tín hiệu đã được xử lý đến nút đích Nút đích kết hợp và sử dụng phân tập tín hiệu thu từ các nút chuyển tiếp và từ nút nguồn để nhận được tín hiệu thu

Lợi ích của hệ thống CoMP trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ:

+ Tăng hiệu quả sử dụng mạng: bằng việc cung cấp kết nối tới nhiều trạm cùng lúc,

dữ liệu có thể tận dụng tối ưu tài nguyên của các trạm phát đó

+ Nâng cao chất lượng thuê bao: sử dụng nhiều tế bào mạng trên 1 thuê bao sẽ tăng khả năng thu nhận và giảm đáng kể việc mất kết nối

+ Giảm nhiễu: Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu ở thiết bị đầu cuối nhờ sử dụng phân tập tín hiệu thu từ các nút chuyển tiếp và nút nguồn

1.5 Kết luận chương

Kết thúc chương chúng ta có thể hiểu được sơ qua về lịch sử thông tin di động và đặc biệt là về kiến trúc mạng LTE và những công nghệ được sử dụng trong LTE-ADVANCED Thông qua những công nghệ đó ta thấy xu hướng của thông tin

di động là ngày càng cố gắng xây dựng hệ thống có chất lượng tốt để phục vụ cho nhu cầu sử dụng LTE-ADVANCED là một trong những hệ thống hiện đại đang đi theo xu hướng đó Bên cạnh các công nghệ cơ bản đang sử dụng trong LTE thì một loạt công nghệ mới được nghiên cứu áp dụng Và công nghệ chuyển tiếp là một công nghệ khá phù hợp, và hứa hẹn mang lại nhiều hiệu quả tích cực Và chúng ta

sẽ tiếp tục tìm hiễu kĩ hơn về công nghệ này trong các chương tiếp theo

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ TRẠM CHUYỂN TIẾP

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này chúng ta sẽ tập trung vào tìm hiểu một số vấn đế liện quan đến trạm chuyển tiếp:

 Giới thiệu chung và khái niệm về chuyển tiếp

 Phân loại chuyển tiếp

 Mô hình thông tin đa chặng: One-way relay và Two-way relay

 Ưu và nhược điểm của các trạm chuyển tiếp

2.2 Giới thiệu chung và khái niệm về chuyển tiếp

2.2.1 Giới thiệu chung về chuyển tiếp

Dù chưa chính thức được chuẩn hóa nhưng trong chuẩn di động thế hệ 4G, tốc độ truyền dẫn dữ liệu tại giao diện vô tuyến được mong đợi là gấp 10 lần so với tốc độ hệ thống 3G hiện nay Để đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dẫn cao thì một trong những giải pháp là dùng các chùm tín hiệu điều chế tốc độ cao

Ví dụ các chùm tín hiệu điều chế 16-QAM đã được đề xuất trong các tiêu chuẩn 3G ở cà 3GPP và 3GPP2, trong chuẩn di động WiMAX, chùm tín hiệu điều chế 64-QAM cũng được sử dụng với mục đích cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng Tuy nhiên nếu duy trì mức công suất phát ngang bằng với công suất sử dụng ở những chùm tín hiệu mật độ thấp thì khoảng cách cực tiểu giữa 2 điểm tín hiệu trên chùm tín hiệu sẽ giảm (Hình 2.1) Điều đó đồng nghĩa với việc tỷ lệ lỗi ký hiệu sẽ tăng lên hay nói khác đi để đảm bảo chất lượng dịch vụ (BER) các máy phát phải tăng công suất

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

Việc tăng công suất trong mạng thông tin di động sẽ khó khăn đối với máy đầu cuối vô tuyền vì các máy đầu cuối vô tuyến như: cell phone, PDA sử dụng pin làm nguồn nuôi, công suất phát tăng sẽ rút ngắn thời gian sử dụng pin của những thiết bị này

Hình 2.1: Sự thay đổi khoảng cách cực tiểu của các chùm tia tín hiệu điều chế mật

độ cao

Đề giải quyết hai khó khăn trên thông thường người ta dùng giải pháp thu nhỏ kích thước cell và tăng mật độ các trạm thu phát gốc như Hình 2.2(a) Tuy vậy, nhược điểm của giải pháp này là :

- Phải cung cấp thêm các đường truyền dẫn ( thường là các luồng E1 ) từ các trạm BTS mới đến trung tâm điều khiển trạm gốc BSC Nhưng trên thực tế không phải lúc nào các luồng truyền dẫn E1 cũng sẵn có đối với tất cả các nhà khai thác mạng

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

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

- Phải thuê và xây dựng các trạm thu phát mới cũng gây nên những tốn kém nhất định trong việc triển khai hệ thống vì trong một khu vực việc chọn được một địa điểm tối ưu để đặt trạm gốc là rất khó khăn Đặc biệt là trong tình trạng có nhiều nhà khai thác cùng hoạt động

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

Những nhược điểm trên dẫn đến giá thành của giải pháp này rất lớn Đối với những nhà khai thác mạng đã phát triển đến mức độ bão hòa (số thuê bao không thể tăng vọt) thì những tốn kém trong việc triển khai hệ thống như thế sẽ làm giảm tính cạnh tranh, vì cước phí trên một đơn vị bit thông tin tăng cao

Hình 2.2: a) Giải pháp thu nhỏ cell và dùng nhiều BTS;

b) Giải pháp dùng trạm chuyển tiếp

Gần đây, người ta đưa ra một giải pháp để khắc phục nhược điểm của giải pháp này mà vẫn duy trì được chất lượng dịch vụ Đó là giải pháp sử dụng trạm chuyển tiếp bên trong các cell (tế bào) Đối với giải pháp sử dụng các trạm chuyển tiếp thì không cần thay đổi kích thước cell, không cần quy hoạch lại mạng cũng như cung cấp thêm các đường truyền E1 Các trạm chuyển tiếp có thể được thiết kế hoạt động ở dải tần không cần cấp phép và các trạm chuyển tiếp không cần thiết phải đặt ở những vị trí quá cao Những ưu điểm này làm cho chi phí của giải pháp dùng các trạm chuyển tiếp giảm đi đáng kể và thời gian triển khai cũng được rút ngắn lại

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

2.2.2 Khái niệm về chuyển tiếp

Như đã nói sơ qua trong phần giới thiệu chuyển tiếp thì ta có thể hiểu rằng bên trong mỗi cell ngoài trạm gốc BTS còn có các trạm chuyển tiếp để tiếp nhận và truyền lại các tín hiệu từ các trạm gốc và thuê bao, nhờ đó có thể tăng chất lượng của hệ thống và mở rộng vùng phủ sóng của mạng di động; các trạm này được gọi

là trạm chuyển tiếp Chuyển tiếp có cấu trúc khá đơn giản, dể dàng cho việc triển khai lắp đặt Việc xây dựng các trạm chuyển tiếp đã làm giảm chi phí nâng cao chất lượng của hệ thống, thời gian triển khai cũng được rút ngắn lại Có thể nói trạm chuyển tiếp là phương pháp tối ưu giúp cho hệ thống nâng cao chất lượng hệ thống với chi phí thấp, không cần tái tạo lại mạng lưới cũng như xây dựng thêm các trạm thu phát mới

Hình 2.3: Mô hình hệ thống với trạm chuyển tiếp

Với khả năng nâng cao chất lượng dịch vụ và vùng phủ sóng của mạng di động, hệ thống trạm chuyển tiếp đang càng được đầu tư nghiên cứu và triển khai rộng rãi Việc triển khai hệ thống các trạm chuyển tiếp cho hệ thống khá dể dàng,

nó không cần thiết phải thay đổi cấu trúc xương sống của mạng hiện tại và nhờ đó

nó có thể được triển khai nhanh chóng trực tiếp cho hệ thống thông tin liên lạc Việc triển khai hệ thống nhiểu trạm chuyển tiếp còn giúp cho hệ thông nâng cao dung lượng với sự phân tập theo không gian dược sử dụng tại các thuê bao

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

 Dựa theo băng tần sử dụng

 Dựa theo cơ sở hạ tầng

 Dựa theo các giao thức truyền dẫn

2.3.1 Dựa theo các mô hình thực tế

Hình 2.4: Dựa theo các mô hình thực tế

Việc truyền tín hiệu trong không gian tự do ngoài ảnh hưởng bởi yếu tố suy hao nó còn ảnh hưởng bởi các yếu tố như fading Vì thế việc truyển tải tín hiệu đi xa nhất là các vùng biên tế bào rất khó khăn, khi đó tín hiệu rất xấu nên thuê bao không thể kết nối đến trạm gốc Bên cạnh đó việc truyền tải tín hiệu còn bị ảnh hưởng bởi các điều kiện vật lý như các vật cản lớn, tòa nhà cao tầng, địa hình đồi núi Với khả năng nâng cao chất lượng của hệ thống và mở rộng vùng phủ sóng thì việc lựa chọn sử dụng relay trong các trường hợp đó hoàn toàn có khả năng Dựa theo các mô hình trong thực tế người ta sẽ lựa chọn vị trí đặt chuyển tiếp và giao thức thích hợp để đạt chất lượng tối ưu

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

2.3.1.1 Ở nông thôn ( vùng dân cư thưa thớt )

Hình 2.5: Chuyển tiếp ở vung nông thôn

Các dịch vụ ở khu vực nông thôn có đặc tính vùng phủ sóng rộng và mật độ người dùng thấp Ở vùng này, thông thường có mật độ người dùng thấp và không tập trung Do đó ở vùng này, các nhà mạng thường quan tâm làm sao để mở rộng vùng phủ sóng với chi phí thấp, và trong trường hợp này chuyển tiếp là một giải pháp hiệu quả Ở vùng nông thôn, thì ngoài mật độ người dùng thấp, môi trường truyền cũng khá trống trải, nên chất lượng truyền tin cũng đảm bảo hơn Do đó việc

sử dụng các trạm chuyển tiép để mở rộng vùng phủ sóng, giảm thiểu số trạm gốc và tiết kiệm chi phí là một giải pháp hiệu quả

2.3.1.2 Ở vùng đô thị ( người dùng tập trung )

Hình 2.6: Chuyển tiếp ở vùng đô thị

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

Các vùng đô thị là các vùng có đặc điểm khá trái ngược so với vùng nông thôn Ở vùng này thường có mật độ người sử dụng là khá cao, và phân bố không đồng đều Mục đích chính triển khai trong khu vực này là nâng cao năng lực của mạng Ở vùng này kích cở các cell thường nhỏ và người ta thường sử dụng các chuyển tiếp ở các khu vực tập trung để nâng cao cường độ sóng tại các vùng này Trong vùng này mật độ các tòa nhà cao tần là khá lớn, nó làm cho các đường truyền LOS bị hạn chế và hiện tượng fading bóng mờ là khá lớn Khi ta sử dụng các trạm chuyển tiếp, thông thường các trạm này được lặp đặt ở nơi cao và có đường LOS đến trạm gốc cũng như các thuê bao trong khu vực, nhờ đó nó khắc phục được các nhược điểm truyền tin trong khu vực thành phố khá hiệu quả

2.3.1.3 Điểm chết ( vùng bị che khuất )

Các điểm chết ở phía sau, xung quanh các tòa nhà cao tầng nơi mà sóng vô tuyến của trạm gốc không thể đến được Các kích thước lớn của các tòa nhà hay các vật cản dể dàng tạo ra các điểm chết xung quanh nó Môi trường truyền trong trường họp này tương tự như môi trường trong đô thị Nhiễu chủ yếu do sự phản xạ của các tòa nhà cao tầng hay vật cản Trong trường hợp này sử dụng chuyển tiếp là cần thiết, và có thể sử dụng relay giãi mã và chuyển tiếp DF để cải thiện chất lượng thông tin

Hình 2.7: Chuyển tiếp trong khu vực điểm chết

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

2.3.1.4 Các vị trí trong nhà

Chuyển tiếp có thể được sử dụng để đạt được thông lượng dữ liệu cao cho các vị trí trong nhà Do đa số các thuê bao đang ở trong nhà và tại các công sở nên sóng truyền từ các thiết bị thường bị phản xạ và khúc xạ bởi tường và các thiết bị trong nhà Việc sử dụng chuyển tiếp trong các trong trường hợp này giúp nâng cao thông lượng và phục vụ các thuê bao bên trong với vùng phủ sóng yếu

Hình 2.8: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao trong nhà

2.3.1.5 Nhóm thuê bao di chuyển: như trên xe buýt, tàu điện

Việc sử dụng điện thoại di đông thông minh đang ngày càng tăng một cách mạnh mẽ, người sử dụng trên các phương tiện vận chuyển công cộng trong lúc chờ đợi sẽ có xu hướng sử dụng dịch vụ truy cập không dây tốc độ cao Dịch vụ thoại trên xe buýt hoặc xe lửa thường có nhiều tạp âm và tốc độ dữ liệu thấp Trong điều kiện di chuyển nhanh thì liên lạc giữa trạm gốc và thuê bao trên đó khá xấu, và do

đó xác suất đứt liên lạc cao

Để hổ trợ cho trường hợp này, người ta thường sử dụng các chuyển tiếp gắn

ở trên đỉnh các phương tiện, các chuyển tiếp hoạt động giống như các điểm truy nhập duy nhất cho các thiết bị di động bên trong truy nhập vào Với nhu cầu sử dụng với tốc độ dữ liệu và mật độ người dùng khá cao , tốc độ di chuyển nhanh nên chuyển tiếp trong trường hợp này đòi hỏi phải có những kỹ thuật tốt

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

Hình 2.9: Chuyển tiếp với nhóm thuê bao di chuyển

2.3.1.6 Triển khai mạng tạm thời

Hình 2.10: Sử dụng chuyển tiếp để triển khai mạng tạm thời

Chuyển tiếp có thể được sử dụng để cung cấp mạng không dây tạm thời trong các trường hợp khẩn cấp như thiên tai, khủng bố, hoặc trong các sự kiện như trò chơi thể thao, tập hợp cộng đồng, buổi hòa nhạc cộng động hay vì một lí do nào

đó mà bị gián đoạn liên lạc ở một vùng cụ thể Trong các trường hợp này, mạng tạm thời cần được nhanh chóng triển khai và phải đảm nhận được một phần chức năng của một mạng lưới toàn diện

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

2.3.1.7 Mạng lưới không dây

Hình 2.11: Sử dụng chuyển tiếp làm mạng lưới không dây

Trong một số trường hợp thì người ta sử dụng chuyển tiếp để kết nối, truyền tải thông tin từ một trạm phát sóng hoặc một mạng từ xa về mạng trục Thông thường người ta thường sử dụng mô hình này để mở rộng vùng phủ sóng cho vùng núi, vùng có dân cư thưa thớt hay vùng đảo Các chuyển tiếp được triển khai để hoạt động chỉ như một nút truyền dẫn giữa các eNodeB, mà không phục vụ bất kỳ user nào Để giảm sự ảnh hưởng của thời tiết người ta sử dụng các bước sóng ngắn

để truyền point-to-point Các nút chuyển tiếp này được đặt ở những vị trí cố định Việc tối ưu hóa chuyển tiếp là quan trọng để đảm bảo chất lượng kênh tốt của truyền dẫn Khả năng truyền tải của nút chuyển tiếp dự kiến sẽ được nâng cao để đảm bảo truyền dẫn tốc độ cao trong truyền dẫn không dây

2.3.2 Dựa theo vùng phủ sóng

Hình 2.12: Dựa theo vùng phủ sóng

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

Trong trường hợp này các nhóm trạm chuyển tiếp được chia thành 2 loại thường được gọi là loại minh bạch và không minh bạch

+ Trường hợp minh bạch: Các trạm chuyển tiếp thường nằm trong vùng phủ sóng trực tiếp của trạm gốc, trong vùng này tồn tại đường liên lạc trực tiếp từ trạm gốc đến thuê bao, cũng có thể không tồn tại đường LOS dù thuê bao nằm trong vùng phủ sóng Trong trường hợp này các trạm chuyển tiếp dùng để nâng cao chất lượng đường truyền đối với trường hợp nằm ở vùng biên tế bào và các vùng bị che khuất

+ Trường hợp không minh bạch : Các trạm chuyển tiếp được đặt ở những vùng xa hơn đó là nơi các thuê bao không nằm trong phạm vi phủ sóng của trạm gốc, ở những vùng này các chuyển tiếp phủ sóng một vùng nhỏ xung quanh nó, nó

có tác dụng như một điểm truy cập cho các thuê bao ở vùng đó Trong trường hợp này các trạm chuyển tiếp dùng để mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc

a) Trường hợp minh bạch b) Trường hợp không minh bạch Hình 2.13: Trường hợp minh bạch và trường hợp không minh bạch

2.3.3 Dựa theo băng tần sử dụng

Một cách phân chia thường gặp nữa là theo băng tần sử dụng cho đường truyền giữa trạm chuyển tiếp và trạm gốc và giữa trạm chuyển tiếp và trạm thuê bao Theo cách này người ta chia làm hai loại đó là băng tần và ngoài băng tần + Trong băng: một trạm chuyển tiếp mà đường truyền giữa nó và trạm gốc sử dụng các tần số sóng mang giống với tần số sóng mang giữa trạm gốc đó với các thiết bị thuê bao thì được gọi là trạm chuyển tiếp trong băng

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

a) Trong băng b) Ngoài băng

Hình 2.14: Dựa theo băng tần sử dụng

+Ngoài băng : thì khác với nhóm trong băng, nhóm trạm chuyển tiếp ngoài băng sử dụng dãi tần số sóng mang dành cho trạm chuyển tiếp và trạm gốc khác với trạm gốc và thiết bị thuê bao

2.3.4 Dựa theo cơ sở hạ tầng

2.3.4.1 Trạm chuyển tiếp cố định

Các trạm chuyển tiếp cố định được để cải thiện vùng phủ sóng và nâng cao chất lượng đường truyền ở biên tế bào, cứu lấy những điểm chết bị che khuất nằm sau các tòa nhà Ngoài ra nó còn được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng cho người dùng nằm tế bào, sử dụng xây dựng truyền dẫn không dây Các trạm chuyển tiếp có thể được xây dựng trên đỉnh các tòa nhà, chiều cao của anten được giữ thấp hơn trạm gốc Việc lắp đặt các trạm chuyển tiếp phải được tính toàn kĩ lưỡng để đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt và chi phí thấp

Hình 2.15: Trạm chuyển tiếp cố định

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

2.3.4.2 Trạm chuyển tiếp tạm thời

Các trạm chuyển tiếp tạm thời được xây dựng để cải thiện chất lượng và mở rộng vùng phủ sóng ở những nơi có trạm eNodeB hoặc trạm chuyển tiếp cố định không có khả năng đáp ứng hoặc bị gián đoạn liên lạc

Hình 2.16: Trạm chuyển tiếp tạm thời

2.3.4.2 Trạm chuyển tiếp di động

Hình 2.17: Trạm chuyển tiếp di chuyển

Các trạm chuyển tiếp này thường được gắn lên các loại hình vận chuyển (xe buýt, tàu , ) nhằm mục đích để cung cấp vùng phủ sóng cho các user trong phương tiện di chuyển Các trạm chuyển tiếp hoạt động giống như một điểm truy cập cho các thiết bị sử dụng trên phương tiện truy cập vào Nó kết nối với trạm gốc để chuyển tiếp tín hiệu từ user trên xe thông qua điểm truy cập Việc xây dựng trạm chuyển tiếp phải đảm bảo sao cho phương tiện có thể dể dàng di chuyển và hoạt động an toàn

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

2.3.5 Dựa theo các giao thức truyền dẫn

2.3.5.1 Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF

Giao thức truyền dẫn khuếch đại và chuyển tiếp AF tại trạm chuyển tiếp là giao thức mà tại trạm chuyển tiếp sẽ tiến hành nhận tín hiệu sau đó khuếch đại tín hiệu nhận được rồi chuyển tiếp tín hiệu về đích Hoạt động của trạm chuyển tiếp trong giao thức này được chia làm 2 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Nhận được tín hiệu từ trạm BTS gửi xuống hoặc từ user gửi lên, trạm chuyển tiếp tín hành khuếch đại tín hiệu vừa nhận được từ BTS hoặc từ user

+ Giai đoạn 2: Trạm chuyển tiếp tiến hành gửi tín hiệu vừa khuếch đại đến trạm đích (có thể là trạm BTS ở đường lên hoặc user ở đường xuống)

Hình 2.18: Khuếch đại và chuyển tiếp AF Với giao thức khuếch đại và chuyển tiếp, trạm chuyển tiếp chỉ xử lý tín hiệu qua 2 giai đoạn qua đó thời gian xử lý thấp, cấu trúc hệ thống đơn giản Nhược điểm lớn nhất của giao thức này là khi tiến hành khuếch đại tín hiệu nhận được thì trạm chuyển tiếp sẽ thực hiện khuếch đại cả tín hiệu và nhiễu Qua đó làm tăng công suất nhiễu ở tín hiệu nhận được tại trạm đích Với những ưu và nhược điểm này người ta thường sử dụng trạm chuyển tiếp sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp với mục đích mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc, cứu lấy những điểm chết nằm ở biên tế bào thay vì tăng chất lượng của hệ thống Sự phân tập kết hợp theo tỉ số tối đa MRC để nâng cao chất lượng đường truyền tại thuê bao sẽ được nói rõ hơn ở chương 3

Chương 2 : Tổng quan về trạm chuyển tiếp

2.3.5.2 Relay giải mã và chuyển tiếp DF

Giao thức truyền dẫn giải mã và chuyển tiếp DF tại trạm chuyển tiếp là giao thức mà tại trạm chuyển tiếp sẽ tiến hành nhận tín hiệu sau đó giải mã và điều chế lại tín hiệu rồi mới chuyển tiếp tín hiệu về đích Hoạt động của trạm chuyển tiếp trong giao thức này được chia làm 3 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: chúng nhận tín hiệu, tiến hành giải điều chế và giãi mã tín hiệu

+ Giai đoạn 2: chúng tiến hành mã hóa lại tín hiệu và điều chể tín hiệu vừa

mã hóa

+ Giai đoạn 3: chúng khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp

Hình 2.19: Giải mã và chuyển tiếp DF

Với việc giải điều chế và mã hóa tín hiệu nhận được tại trạm chuyển tiếp thì

nó có khả năng loại bỏ được nhiễu nhờ tiến hành giải mã và mã hóa Tuy nhiên giao thức giải mã và chuyển tiếp xử lý tín hiệu qua 3 giai đoạn, làm tăng độ trễ do thời gian xử lỹ tại trạm chuyển tiếp Yêu cầu độ phức tạp tại trạm chuyển tiếp để trạm chuyển tiếp có khả năng giải điều chế và mã hóa lại tín hiệu nhận được Nhờ loại bỏ được nhiễu nên giao thức này có thể làm tăng hệ số SNR của tín hiệu nhận được tại trạm đích Vì thế trạm chuyển tiếp sử dụng giao thức DF thường được dùng với mục đích cải thiện chất lượng của đường truyền thông tin

Chương 2 : Tổng quan v

2.4 Hệ thống thông tin đa ch

2.4.1 Mô hình One-way relay

Hệ thống thông tin bao g

bao Quá trình trao đổi thông tin đư

+ Trong khe thời gian đ

+ Trong khe thời gian th

chuyển tiếp đến thuê bao

+ Trong khe thời gian th

+ Trong khe thời gian th

xử lý và chuyển tiếp đến tr

Hình 2.20: Mô hình OneViệc sử dụng 4 khe th

và trạm thuê bao là mộ

không cao do tốn quá nhi

tín hiệu được chuyển đi nên h

chính của hệ thống này là

tín hiệu đến hoặc đi nên ch

phát triển mạng bây giờ thì t

thời gian nên tốc độ không cao thì One

ưu

ng quan về trạm chuyển tiếp

ng thông tin đa chặng

way relay

ng thông tin bao gồm một trạm gốc, một trạm chuyển ti

i thông tin được mô tả như sau :

i gian đầu tiên: thông tin truyền từ trạm gốc tớ

i gian thứ hai: trạm chuyển tiếp sẽ nhận thông tin, x

o

i gian thứ ba: thuê bao nhận thông tin từ trạm chuy

i gian thứ tư: trạm chuyển tiếp sẽ nhận thông tin t

n trạm gốc

Hình 2.20: Mô hình One-way relay

ng 4 khe thời gian cho một chu kỳ trao đổi thông tin gi

ột nhược điểm của hệ thống này, tốc độ đư

n quá nhiều khe thời gian Trong một khe thời gian ch

n đi nên hệ thống này được gọi là One-way relay Ưu đi

ng này là ở trong một khe thời gian trạm chuyển tiế

c đi nên chất lượng của hệ thống khá tốt Nhưng đ

thì tốc độ ngày càng được nâng cao, với việckhông cao thì One-way relay không phải là m

n tiếp và một thuê

ới relay

n thông tin, xử lý và

m chuyển tiếp

n thông tin từ thuê bao,

i thông tin giữa trạm gốc

đường truyền sẽ

i gian chỉ có 1 hướng way relay Ưu điểm

ếp chỉ xử lý một

t Nhưng đối với yêu cầu

c sử dụng 4 khe

i là một hệ thống tối