Kỹ thuật mimo cho hệ thống thông tin di động 4g

MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi bình phương trung bình cực tiểu MRC Maximum Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ cực đại MRRC Maximum Ratio Receive Combiner Kết hợp thu tỉ lệ cực đại OFDM

trường đại học bách khoa hà nội

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là kết quả nghiên cứu trung thực và chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

Communication System

Hệ thống thông tin di động thế hệ bốn

ACI Adjacent - Chanel Interference Nhiễu kênh liền kề

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại DĐ tiên tiến ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lặp tự động

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BLAST Bell Labs Layered Space-time

architecture

Kiến trúc không gian thời gian phân lớp của phòng thí nghiệm Bell BPSK Binary Phase Shift Keying

Modulation

Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái

CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kênh

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã D-

DOA Direction Of Arrival Tạo búp dựa trên phương tới

phát triển E-

UTRA

N

Enhanced Universal Terrestrial

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FDMA Frequency Division Multiple

IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP

Telecommunication

Thông tin di động quốc tế

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu và nhiều đầu ra

MBMS Multimedia Broadcast Multicast

Service

Dịch vụ quảng bá đa phương tiện

MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra

MME Mobility Management Entity Thực thể quản lý di động

MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi bình phương trung bình cực

tiểu MRC Maximum Ratio Combiner Kết hợp tỉ lệ cực đại

MRRC Maximum Ratio Receive Combiner Kết hợp thu tỉ lệ cực đại

OFDM Orthogonal Frequency Division

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Modulation

Điều chế khóa dịch pha cầu phương

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SINR Signal to Interference plus Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp

âm

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiêu trên tạp âm

SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra

STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian

SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

SSDT Site Selection Diversity

Transmission

Truyền dẫn phân tập lựa chọn trạm

TD-SDMA

Time Division-Synchronous Code

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ - phân chia theo thời gian

ULA Uniform Linear Array Mảng anten tuyến tính đồng nhất

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

URA Uniform Rectangular Array Mảng anten chữ nhật đồng nhất UPE User Plan Entity Thực thể mặt phẳng người sử dụng UTRA UMTS Teresstrial Radio Access Truy nhập vô tuyến UMTS

A Biên độ đỉnh của tín hiệu vượt trội

b Các bít thông tin được phát bởi nguồn phát

B Băng thông tổng

B C Băng thông nhất quán

B d Độ rộng băng tần của số liệu hay thông tin

E S Năng lượng ký hiệu

ƒc Tần số trung tâm

SE Dung lượng tức thời

T b Thời gian bit

T

C Thời gian nhất quán

T Chu kỳ ký hiệu

Tr{} Vết của ma trận

X Ma trận điều chế không gian thời gian

Y Ma trận NbL của các tín hiệu thu

Wx+ Ký hiệu của Wx có thêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống

 Giá trị trung bình quân phương của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss

2 Công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng thành phần

Gauss

 Biến ngẫu nhiên của điện áp đường bao tín hiệu thu

∆f Băng thông sóng mang con của hệ thống OFDM

η Tạp âm Gauss phức

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 -So sánh thông số và hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trên

đường xuống và HSDPA .34

Bảng 2.2 -So sánh thông số bvà hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trên đường lên và HSDPA .34

Bảng 3.1 -Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tạp phát hai anten 60

Bảng 3.2 -Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu 63

Bảng 3.3 -Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu 63

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 -Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu 20

Hình 1.2 - Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau 23

Hình 1.3 -Dãy truyền dẫn đa anten 24

Hình 1.4 -Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit 2 0/ 2 N   là mật độ phổ công suất tạp âm song biên .25

Hình 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao (O-STBC) 2x2 28

Hình 2.1 -Mô hình phát triển của mạng TTDĐ từ 2G trở đi 30

Hình 2.2 -Thí dụ về chuyển đổi trạng thái trong kiến trúc E- UTRAN 32

Hình 2.3 -Trễ mặt phẳng U 33

Hình 2.4 -Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng 36

Hình 2.5 -Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt 37

Hình 2.6 -Kiến trúc mô hình E-UTRAN theo TR 23.822 37

Hình 2.7 -Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN 38

Hình 2.8 -Lộ trình phát triển 3GPP .38

Hình 2.9 -Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G 39

Hình 3.1 -Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu 41

Hình 3.2 -Phân chia kênh pha đinh phẳng MIMO thành các kênh pha đinh phẳng song song tương đương dựa trên SVD 46

Hình 3.3 -BER cho các kênh không gian pha đinh phẳng điều chế BPSK trong AWGN 47

Hình 3.4 -Mô hình SVD MIMO tối ưu 49

Hình 3.5 -Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc 53

Hình 3.6 -Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại 55

Hình 3.7 -MRRC hai nhánh 56

Hình 3.8 -Sơ đồ phân tập hai nhánh phát với một máy thu của Alamouti 59

Hình 3.9 -Sơ đồ phân tập phát hai nhánh với hai máy thu Alamouti 62

Hình 3.10 -Cấu trúc mã STBC 65 Hình 3.11 -Hệ thống phân tập chọn lọc anten 70 Hình 3.12 -Sơ đồ hệ thống SM với ba anten phát và ba anten thu 73 Hình 3.13 -Thí dụ về cấu trúc các mã không gian thời gian phân lớp dử dụng cho phép kênh không gian a) D-BLAST, b) V-BLAST và c)W-STC 75 Hình 3.14 -Tách lớp hai trong số bốn lớp của D-BLAST B) Mã hóa V-BLAST 76

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU 2

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

LỜI NÓI ĐẦU 14

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO 18

1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO 18

1.1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO 18

1.1.2 Ưu điểm MIMO 21

1.1.3 Nhược điểm MIMO 21

1.2 Một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO 21

1.2.1 Tài nguyên truyền dẫn 21

1.2.2 Trực giao căn bản: Thời gian, tần số, mã .21

1.2.3 Phân tách không gian hay phân cực 21

1.2.4 Kỹ thụật hướng búp sóng, bộ tạo búp sóng 22

1.2.4.1 Kỹ thụật hướng búp sóng 22

1.2.4.2 Bộ tạo búp sóng 22

1.2.5 Khái niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul 23

1.2.6 Kỹ thuật đổ dầy nước và chất tải bit 24

1.2.7 Các khái niệm về phân tập 25

1.2.7.1 Phân tập đa đường 26

1.2.7.2 Phân tập vĩ mô 26

1.2.7.3 Phân tập thời gian 27

1.2.7.4 Phân tập anten thu 27

1.2.7.5 Phân tập anten phát 27

CHƯƠNG II XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỘ TRÌNH TIẾN TỚI 3G VÀ 4G CỦA MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TRÊN THẾ GIỚI .29

2.1 Tổng quan mạng thông tin vô tuyến hiện tại 29

2.2 Nghiên cứu lộ trình tiến tới mạng thông tin vô tuyến 3G & 4G của mạng thông tin vô tuyến trên thế giới .30

2.2.1 Tổng quan kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN của LTE trong

3GPP 30

2.2.2 Lộ trình tiến tới mạng thông tin vô tuyến 3G & 4G của mạng thông tin vô tuyến trên thế giới .31

2.2.2.1 Các tính năng chung của E – UTRAN 31

2.2.2.2 Kiến trúc mô hình E- UTRAN 36

2.2.3 Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN và lộ trình tiến tới 4G 38

2.2.3.1Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN 38

2.2.3.2 Lộ trình tiến tới 4G .38

3.1 Mô hình MIMO tổng quát 40

3.2 Các mô hình hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân chia giá trị đơn SVD(Singular Value Decomposition) 43

3.2.1 Mô hình hệ thống SVD MIMO 43

3.2.2 Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu 48

3.2.3 Dung lượng kênh SVD MIMO 49

3.3 Các mô hình phân tập thu 51

3.3.1 Mô hình phân tập anten thu tổng quát 51

3.3.2 Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc 53

3.3.3 Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại 54

3.3.4 Mô hình phân tập anten thu kết hợp thu tỷ lệ cực đại với tách sóng khả giống cực đại (MRRC- Maximum Ratio Receive Combining) 56

3.4 Các mô hình phân tập phát 58

3.4.1 Mô hình phân tập anten phát tổng quát 58

3.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu 62

3.4.3 Mã khối không gian thời gian STBC tổng quát 65

3.4.3.1 Thiết kế STBC 66

3.4.3.2 Mã Alamouti 66

3.4.3.3 Các STBC bậc cao 67

3.4.3.4 Hệ thống phân tập lựa chọn anten thích ứng 69

3.4.3.5 Tiền mã hóa phân tập tuyến tính 71

3.5 Các mô hình MIMO ghép kênh không gian 73

3.5.3 W-STC (Wrapped STC: Mã không gian thời gian quấn nhau) .75

3.6 Mô hình MIMO đa người dùng sử dụng hệ thống truyền chuyển tiếp 76

3.7 Mô hình MIMO sử dụng bộ chuyển đổi kết hợp hai sơ đồ ghép kênh và phân tập 81

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 87

Kết luận - Những phần việc mà luận văn đã làm: 87

Hướng nghiên cứu tiếp theo: 87

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây cùng với sự lớn mạnh về nhu cầu sử dụng thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng đã thu hút nhiều sự quan tâm, nghiên cứu nhằm phát triển hoàn thiện các hệ thống mạng không dây tốc độ cao Một trong những thách thức chủ yếu trong lĩnh vực này là tốc độ xử lý cao đồng thời tiêu thụ ít điện năng trong các thiết bị di động Do đó thúc đẩy hướng nghiên cứu phải cải tiến

kỹ thuật điều chế nhằm tăng hiệu suất cũng như chất lượng phổ của hệ thống không dây

Kỹ thuật MIMO trong mạng vô tuyến gần đây thực sự nổi bật và nó là mô hình băng thông rộng đáp ứng được thách thức trên, bởi MIMO đáp ứng được việc truyền tin trên nhiều kênh khác nhau – việc này sẽ giúp chúng ta biểu diễn, mô phỏng hệ thống dưới dạng ma trận thu gọn và như vậy sẽ hứa hẹn nhiều kỹ thuật xử

lý tín hiệu mới ra đời

MIMO (Multiple input Multiple output) một cách tổng quát là hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra Trong thông tin vô tuyến nó là hệ đa anten phát đa anten thu và được áp dụng nhằm:

- Tăng dung lượng kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu có nghĩa là tách dòng số liệu từ một thiết bị đầu cuối thành N dòng số liệu riêng biệt (còn gọi là phân tập phát) có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát) Mỗi dòng số liệu này sẽ được điều chế (do đó còn có khái niệm là “ Điều chế MIMO”) vào các tín hiệu của các kênh truyền Các dòng số liệu lúc này chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu được phát đồng thời, như vậy về mặt lý thuyết, ở một số điều kiện nhất định dung lượng tăng tuyến tính với min(N t,N r), trong đó N t là số anten phát, N r

là số anten thu hay hiệu suất phổ tần được tăng lên N lần Các tín hiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi N anten của hệ thống thu Tóm lại khi tăng số lượng anten sẽ làm tăng hiệu suất công suất lẫn phổ tần

- Tăng cường khả năng chống pha đing thậm chí phần nào khai thác được

nó

- Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cả máy phát và thu)

- Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ đó sẽ giảm điện năng tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại công suất Tín hiệu từ các anten phát hoàn toàn khác biệt nhau tại vị trí của các anten thu Khi truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mỗi anten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian Hệ thống máy thu

có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồng thời từ các anten khác nhau

Khái niệm “phân tập phát/thu” (như ở trên chính là một trong những dạng của mô hình MIMO) đều được sử dụng cho các hệ thống 3G như WCDMA, CDMA2000 Đây cũng là một trong số các lý do tại sao các hệ thống thế hệ 3G như WCDMA lại cung cấp dung lượng, dịch vụ tốt hơn nhiều so với các hệ thống 2G như GSM và IS-95

Hiện nay các tiêu chuẩn vô tuyến được phát triển liên tục, vì thế tương lai sẽ chứa đựng nhiều tăng cường trong các giải pháp sử dụng nhiều anten Một giải pháp được tiếp nhận cho hệ thống nhiều anten thực tế là cân nhắc giữa ghép kênh phân tập, nhiễu đa người dùng và lập biểu thông qua các mô hình MIMO, mỗi mô hình này cũng có những ưu nhược điểm nhất định đòi hỏi phải vừa nghiên cứu lý thuyết vừa có triển khai thực tiễn

Tại Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu lý thuyết để nâng cấp mạng từ 2G lên 3G đã được định hướng theo một lộ trình đúng đắn Ứng dụng triển khai hệ thống WCDMA và CDMA2000 ở một số Công ty Viễn thông di động mang lại hiệu quả

và lợi ích cho khách hàng rất cao, với các ứng dụng truyền thông hữu ích như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao cùng nhiều ứng dụng dịch vụ viễn thông tiên tiến khác chính là mục tiêu và động lực để người ta cung cấp và sử dụng mạng di động 3G

Trong tương lai rất gần một số mô hình MIMO đã tích hợp trong WiMax sẽ được triển khai trên diện rộng toàn quốc Trên thực tế hiện nay công nghệ MIMO là

công nghệ nền tảng của hệ thống 3G, 4G và các mạng không dây khác (WLAN, WiMax…) Hiện nay trên thế giới có rất nhiều sản phẩm của nhiều hãng ứng dụng cho mạng không dây theo chuẩn 802.11a/b/g đã tích hợp MIMO nhằm tăng tốc độ (

có thể lên tới 108Mbps), mở rộng vùng truyền sóng, tăng hiệu suất phổ tần, tạo sự tin cậy cao…

Trong luận văn này, Tôi nghiên cứu một số kỹ thuật MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) ứng dụng cho hệ thống thông tin di động 4G Luận văn tập trung nghiên cứu các kỹ thuật MIMO với các khái niệm cơ bản cũng như các mô hình Nội dung các chương trong luận văn được trình bầy như sau:

Chương I: Tổng quan về kỹ thuật MIMO

Chương II: Xu hướng phát triển và lộ trình tiến tới 3G và 4G của mạng thông tin vô tuyến trên thế giới

Chương III: Một số mô hình MIMO được đề xuất áp dụng trong việc xây dựng mạng thông tin thế hệ 4G

Chương IV: Kết luận

Để tôi có được những kết quả như ngày hôm nay cũng như hoàn thành nội dung luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật này, trước hết phải kể đến công lao đào tạo của tất cả các Thầy, Cô giáo trong mái trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, sự động viên giúp đỡ của tất cả người thân, bạn bè Đặc biệt là sự quan tâm, hướng dẫn

tận tình của Thầy giáo PGS TS Đào Ngọc Chiến - Người đã gợi ý cho tôi hướng

nghiên cứu của luận văn, hỗ trợ giúp đỡ tôi những kiến thức khoa học bổ ích Thầy

đã đưa ra những nhận xét quý giá và trực tiếp hướng dẫn tôi trong qúa trình thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cám ơn tất cả các Thầy, Cô giáo trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là các Thầy, Cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông và Viện đào tạo sau Đại học, các anh chị đồng nghiệp nơi tôi đang công tác

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè của tôi, những người

đã động viên, khuyến khích tôi rất nhiều trong cuộc sống cũng như trong qúa trình công tác và học tập

Với năng lực và thời gian hạn chế Luận văn này không thể tránh khỏi những khiếm khuyết Tôi mong muốn nhận được sự chỉ bảo, góp ý chân thành của các Thầy Cô giáo cùng các anh chị đồng nghiệp

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO

1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO 1.1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO

Từ những thập niên 90 của thế kỷ trước người ta đã cảnh báo rằng nhu cầu người dùng mạng vô tuyến sẽ gia tăng rất mạnh trong các thập niên tiếp theo, vấn

đề đặt ra là làm thế nào cải thiện tốc độ số liệu, chất lượng, dung lượng và độ linh hoạt của hệ thống Khi tốc độ truyền số liệu của hệ thống mạng vô tuyến được cải thiện sẽ đồng nghĩa việc thu hút người dùng sử dụng các dịch vụ gia tăng tốc độ cao trên mạng khác ngoài thoại thông thường như:

Cũng ngay từ những năm 90, nhóm nghiên cứu gồm Greg Raleigh và VK Jones đã chỉ ra những đặc tính, ưu điểm của: “truyền sóng vô tuyến đa đường” (Radio transmission multipath) - đây là một phương thức truyền sóng mà trước đó người ta thường quan niệm: Khi truyền sóng đa đường sẽ làm suy yếu sóng vô

tuyến tại phía thu Nhưng thực tế hai Ông đã chứng tỏ rằng: “ Khi tín hiệu vô tuyến được gửi từ phía phát sẽ phản xạ qua rất nhiều vật thể trong môi trường truyền sóng tạo thành nhiều đường riêng biệt rồi mới tới được phía thu và ta có thể tận dụng hiện tượng này làm tăng dung lượng của hệ thống lên nhiều lần”

Hai Ông còn cho rằng: Nếu ta có thể coi mỗi một kênh là các đường truyền riêng biệt thì chúng ta có thể định tuyến các đường truyền này và tách chúng ra thành các

“đường truyền ảo” Một kênh có nhiều đường truyền ảo như trên thì cũng có thể coi

là “một bó các đường truyền ảo” Để tận dụng bó các đường ảo này trong khi truyền

dữ liệu người ta sử dụng một hệ thống nhiều anten phát và nhiều anten thu nhằm phân tập anten, hệ thống này gọi là MIMO; MIMO sẽ giải mã được luồng số liệu tốc độ cao thông qua các anten của nó Mỗi một anten này sẽ tách luồng số liệu tốc

độ cao thành luồng số liệu có tốc độ thấp hơn “ Bó các đường truyền ảo” ở trên sẽ

được dùng để truyền các luồng số liệu tốc độ thấp này một cách đồng thời

Trong các hệ vô tuyến tín hiệu phát, được phát ra theo rất nhiều đường như vậy phải

dùng các bộ định tuyến để định tuyến “ bó các đường truyền ảo” này Khi nói đến khái niệm “các đường” thì giữa những đường này phải có “khoảng cách” hay “khe hở”, như vậy tín hiệu hoàn toàn có thể nhảy từ đường này sang đường kia khi chúng

được truyền đi như vậy tại phía thiết bị thu do đó trong mô hình MIMO phải sử dụng các thuật toán đặc biệt hoặc các bộ vi xử lý tín hiệu đặc biệt để tách và khôi phục tín hiệu thu được thành tín hiệu nguyên thủy ban đầu như phía phát

Vào cuối những năm 1990 một bước tiến sâu hơn và lý thuyết điều chế và mã hóa

đã được Tarokh cùng các tác giả khác và Alamouti thực hiện với các mã không gian thời gian (cụ thể: Kỹ thuật phân cực đơn giản, hiệu quả sử dụng 2 anten phát được giới thiệu bởi Alamouti và được tổng quát hóa cho trường hợp nhiều anten phát bất

kỳ bởi Tarokh) Cũng đồng thời trong thời gian này, Foschini và Telatar cũng đã chứng minh một phương pháp tăng dung lượng kênh bằng cách sử dụng hiệu quả kích thước không gian Một số trong các khái niệm này nhận được thuật ngữ chung

là "phân tập phát" hay "điều chế MIMO" Phân tập phát không hoàn toàn là một khái niệm mới Các khái niệm do Witneben và Hiroike đề xuất cùng các tác giả khác sử dụng phân tập thông qua các giải pháp xử lý hiệu quả tín hiệu Các bài báo đầu tiên này thiếu các nét mã hóa của vấn đề thiết kế tín hiệu nhưng thường dễ dàng thực hiện và vì thế nhận được sự quan tâm của các kỹ sư không phải là các học giả

mã hóa Các giải pháp phân tập phát hay MISO (Multi-input single-output: nhiều đầu vào một đầu ra) đảm bảo phân tập và độ lợi hiệu năng nhưng không nhất thiết là

độ lợi phổ Độ lợi phổ đòi hỏi khai thác chặt chẽ các kênh MIMO và bao hàm cả sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn nhiều anten

Năm 1998 phòng thí nghiệm Bell nghiên cứu đưa ra mô hình ghép kênh không gian (spatial multiplexing) nhằm cải tiến hiệu suất hệ MIMO

Như vậy ta có thể định nghĩa MIMO trong hệ thống thông tin vô tuyến như

sau: “Nếu một hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng nhiều anten ở cả phía phát lẫn

phía thu thì ta gọi nó là một hệ thống MIMO”

Hình 1.1 -Mô hình kênh MIMO với N t anten phát và N r anten thu

Hiện nay IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) đã đưa ra các chuẩn 802.11n là chuẩn cho mạng vô tuyến thế hệ sau Trong chuẩn này tốc độ truyền số liệu có thẻ lên tới 100Mb/s hoặc hơn nữa – đây là con số mà tại thời điểm hiện nay chỉ có áp dụng MIMO thì mạng vô tuyến theo chuẩn 802.11a/b/g mới đạt được Trong chuẩn này qui định sóng radio sử dụng cho anten để truyền một dòng

dữ liệu – đây là dạng điển hình của anten thông minh thay cho một hệ anten Anten thông minh là kỹ thuật anten mảng, nhưng MIMO lại ghép nhiều mảng anten thành một mảng anten thông minh để truyền đồng thời dòng dữ liệu rất lớn – đây là yếu tố làm tăng dung lượng mạng vô tuyến Qui định trong thiết kế của chuẩn này cũng làm giảm méo tín hiệu và nhiễu thông qua các chuẩn về chuyển mạch của hệ đa anten, phân tập lựa chọn, tần số tạo bước sóng và tổ hợp các phân tập thích ứng (Adaptive diversity combining)

1.1.2 Ưu điểm MIMO

Với tất cả đặc tính kể trên ta có thể kết luận vắn tắt về các ưu điểm của hệ MIMO như sau:

- Tăng dung lượng kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu

- Tăng cường khả năng chống pha đing thậm chí phần nào khai thác được nó

- Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cả máy phát và thu)

- Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ sẽ giảm điện năng tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại công suất

1.1.3 Nhược điểm MIMO

- Chi phí giá thành cho thiết bị cao hơn (do sử dụng nhiều ăng - ten thu phát, và phải dùng các bộ vi xử lý đặc biệt chuyên dụng…)

- Giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn

1.2 Một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO

1.2.1 Tài nguyên truyền dẫn

Tài nguyên truyền dẫn được chia thành hai loại: "không gian" và "thời gian" Trong chiều "không gian", đơn vị rời rạc được coi là "anten", còn trong chiều "thời gian" đơn vị rời rạc được coi là " chu kỳ ký hiệu" hay "thời gian ký hiệu" Sự khác biệt căn bản giữa hai kích thước này là kích thước thời gian về căn bản là trực giao trong khi đó kích thước không gian các ký hiệu được phát đồng thời từ các anten đồng kênh gây nhiễu cho nhau

1.2.2 Trực giao căn bản: Thời gian, tần số, mã

Ngoài khái niệm ghép kênh phân chia theo thời gian, chiều "thời gian" trực giao căn bản có thể chỉ thị ghép kênh phân chia theo tần số hoặc ghép kênh phân chia theo mã Để đảm bảo tính trực giao trong chiều thời gian, cần loại bỏ nhiễu giữa các ký hiệu trong các kênh đa đường Điều này có nghĩa cần sử dụng cân bằng hợp lý khi ghép kênh phân chia theo thời gian hoặc khoảng bảo vệ khi ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

1.2.3 Phân tách không gian hay phân cực

Chiều "không gian" có thể chỉ thị các anten hoạt động trong các vùng cách ly không gian hay trong các phân cực khác nhau Do môi trường tán xạ địa phương

khác nhau, các anten được đặt đủ cách ly trong không gian sẽ tạo ra các kênh pha đinh hầu như độc lập Điều kiện "đủ" ở đây phụ thuộc và môi trường Trong các ô

vĩ mô ở vùng nông thôn, có thể cần cách ly vài bước sóng để các anten không tương quan với nhau, còn trong môi trường trong nhà chỉ cần một nửa bước sóng là đủ Đối với phân cực, tỷ lệ ghép phân cực vuông góc quyết định phân cực có đảm bảo

phân tập hay tạo nên các kênh song song cận trực giao

1.2.4 Kỹ thụật hướng búp sóng, bộ tạo búp sóng

1.2.4.1 Kỹ thụật hướng búp sóng

Là kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệu dạng anten mảng (anten mảng trong bộ tạo búp sóng là dùng các phần tử anten đặt sát nhau, sau đó điều chỉnh pha cấp sóng cho anten để tạo búp sóng hẹp; điều chỉnh pha các phần tử anten nhằm hướng về máy di động Do phát hẹp nên không gây nhiễu ở cự ly xa) để định hướng truyền của tín hiệu nhằm tăng độ lợi anten phát và

độ nhạy phía thu Nhiễu trong tín hiệu nhận được khi dùng kỹ thuật tạo búp sóng sẽ giảm, bởi vì bộ tạo búp sóng lợi dụng nhiễu để chuyển tín hiệu trực tiếp vào các phần tử anten mảng Trong khi truyền tín hiệu đi các bộ điều khiển tạo búp sóng sẽ điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ nhiễu Đồng thời khi đang truyền tín hiệu người ta có thể nâng công suất của tín hiệu một cách trực tiếp

Tại phía thu các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổ hợp lại khả giống như mẫu ban đầu, đồng thời cũng tại phí thu các bộ tạo búp sóng tại các anten sẽ điều chỉnh các biên độ của tín hiệu thông qua các trọng số của nó như vậy tín hiệu nhận được sẽ được khôi phục như mong muốn

1.2.4.2 Bộ tạo búp sóng

Quá trình tạo búp sóng thông thường xây dựng trên cơ sở sử dụng mảng anten được áp dụng cho các hệ thống thông tin di đông thế hệ sau cho cả khái niệm mảng anten thích ứng và mảng anten cố định Khi trang bị mảng anten thích ứng,

BS có thể tạo búp đặc biệt cho người sử dụng Trong trường hợp này nhìn từ phía người sử dụng các kênh sẽ khác nhau, vì thế không thể sử dụng các kênh chung để ước tính kênh Thay vào đó các ký hiệu hoa tiêu riêng được phát trong các kênh riêng đường xuống sẽ được sử dụng để ước tính kênh cho tách sóng nhất quán

Các tùy chọn tạo búp và các khái niệm phân tập phát được trình bày ở trên khác nhau ở một số điểm quan trọng Chẳng hạn, tạo búp nhằm hướng búp sóng trong không gian đến người sử dụng nhờ vậy giảm nhiễu đến các người sử dụng khác trong ô Trong trường hợp này phương phát (hay mẫu phát xạ) trùng với phương thu cực đại và các búp có hướng được tạo ra bởi các dàn anten được hiệu

chỉnh chẳng hạn bằng mảng tuyến tính đồng dạng (Hình 1.2) hoặc mảng tròn đồng

dạng Kỹ thuật tạo búp thực hiện điều chỉnh pha và biên độ nguồn sóng cấp cho các phần tử anten mảng để điều chỉnh phương pháp phát/thu của anten mảng Việc điều chỉnh này thực hiện bằng cách chọn các trọng số cho từng loại anten Có hai loại tạo

búp cơ bản: Tạo búp dựa trên phương tới (DOA: Direction of Arrival) hay vật lý và

tạo búp eigen hay toán học

Hình 1.2 - Mảng tuyến tính đồng dạng có n t phần tử cách nhau

1.2.5 Khái niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul

Giải pháp thiết kế modul là giải pháp trong đó số lượng anten được tăng nhưng gây ảnh hưởng ít nhất đến các bộ phận khác của hệ thống Dãy truyền dẫn MIMO/MISO bao gồm các phần tử sau (xem hình 1.3):

 Nguồn phát các bit thông tin b với tốc độ nguồn Rsource Từ nguồn này các bit thông tin được đưa đến mạch mã hóa và đan xen Thông thường các mạch này là bộ lập mã có tỷ lệ mã rc và bộ đan xen có độ sâu Ni Đầu ra là một luồng (hay một vectơ) của các bit được mã hóa

 Các bit được mã hóa được đưa đến bộ điều chế để ánh xạ M bit vào vectơ

điều chế phức x Ta ký hiệu số ký hiệu phức được phát đồng thời trong

khoảng thời gian một ký liệu là tốc độ ký hiệu: Rs (Rs là số luồng ký hiệu phát song song)

 Luồng các ký hiệu trên được đưa đến bộ điều chế không gian thời gian, tại đây chuỗi gồm RsL ký hiệu điều chế được ánh xạ vào ma trận X LNb, trong đó L là độ dài khối của ma trận điều chế (hay mã không gian thời gian) còn Nb là số búp sẽ phát Như vậy ma trận X chuẩn bị các ký hiệu để phát

trên khoảng thời gian L

Hình 1.3 -Dãy truyền dẫn đa anten

Đầu ra của bộ điều chế không gian thời gian được đưa đến bộ tạo búp Bộ tạo búp sẽ tạo ra Nb búp trong số Nt nguồn phát vào không gian (các anten hoặc các

phân cực) Hoạt động của bộ tạo búp được trình bày bằng một ma trận W NbxNt

 Cuối cùng các tín hiệu sẽ được truyền trên các búp sóng này được chuyển lên

tần số vô tuyến và được phát vào không gian

1.2.6 Kỹ thuật đổ dầy nước và chất tải bit

Đổ đầy nước (water filling) là kỹ thuật trong đó công suất của các kênh không gian được điều chỉnh dựa trên độ lợi của các kênh Các kênh có độ lợi cao hơn sẽ được cấp nhiều công suất hơn Nhược điểm của phương pháp này là nó làm tăng thêm PAPR (Peak to Average Power Ratio – Tỷ số công suất đỉnh trên công suất) trung bình trong OFDM

Các kênh từ 1 đến N

Mức:

Mức công suất phát :

n E

2



Hình 1.4 -Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit 2  N0/ 2 là mật độ phổ

công suất tạp âm song biên

Chất tải bit (bit loading) là kỹ thuật điều chỉnh tăng số lượng các ký hiệu cho các kênh có độ lợi cao hơn Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng tỷ lệ mã và (hoặc) thay đổi sơ đồ điều chế Để sử dụng kỹ thuật này ta phải tạo lập một bảng theo dõi

độ lợi kênh và các điều kiện SNR Nhược điểm của phương pháp này là tăng độ phức tạp trong máy thu vì máy thu phải giải mã và giải điều chế trong các kênh khác nhau

1.2.7 Các khái niệm về phân tập

Trong hệ thống vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

Như vậy có thể khẳng định rằng phân tập – là một trong những kỹ thuật quan trọng được đưa ra áp dụng trong MIMO Trong quá trình nghiên cứu và triển khai, hiện nay người ta đưa ra các kỹ thuật phân tập sau đây:

- Phân tập đa đường (chọn lọc tần số)

- Phân tập thời gian sử dụng yêu cầu phát lại tự động ARQ (chọn lọc thời gian)

- Phân tập thu sử dụng nhiều anten thu (phân tập không gian thu)

- Phân tập phát sử dụng nhiều anten phát (phân tập không gian phát)

- Chuyển giao mềm (phân tập vĩ mô)

1.2.7.1 Phân tập đa đường

Các công nghệ CDMA sử dụng trải phổ, vì là kênh băng rộng nên máy thu

có khả năng phân biệt một số lượng lớn các thành phần đường truyền Mỗi thành phần này thể hiện một kênh ngẫu nhiên độc lập và việc kết hợp các thành phần này theo năng lượng của từng thành phần được đánh trọng số và được lấy trung bình một các hợp lý sẽ giảm được pha đinh tín hiệu so với từng thành phần riêng lẻ Phân tập có thể được thực hiện bởi máy thu tuyến tính hay phi tuyến trên cơ sở máy thu hay bộ cân bằng Rõ ràng rằng các môi trường khác nhau có các trải đa đường khác nhau và số lượng các phần tử khả phân giải đôi khi nhỏ Chẳng hạn trong các kênh trong nhà, các phần tử đến trễ chủ yếu trong thời gian một chip và vì thế chỉ có một

hệ số kênh (hay nhánh) là khả phân giải Trong môi trường này ta cần sử dụng giải pháp phân tập khác

1.2.7.2 Phân tập vĩ mô

Phân tập vĩ mô được thực hiện bằng cách sử dụng hiệu quả mạng Tín hiệu phát từ MS trên đường lên sẽ đến nhiều BS và vì các hệ số kênh của các BS này là độc lập vì thế việc kết hợp tín hiệu từ nhiều BS sẽ đảm bảo phân tập Mặt khác do băng thông trong mạng cố định bị hạn chế nên không thể kết hợp tín hiệu tối ưu (liên quan đến các anten phân tập) Tuy vậy ít nhất giải pháp kết hợp kiểu chọn lọc

là có thể thực hiện nếu xét từ quan điểm rẳng chỉ cần thu đúng tín hiệu được phát tại

ít nhất một BS Trên đường xuống, nhiều bản copy của cùng một tín hiệu được phát

đi từ các nguồn (BS) cách biệt trong không gian cũng sẽ tạo nên các đường truyền pha đinh độc lập tại MS Tiêu chuẩn bao hàm cả tùy chọn phân tập vĩ mô dựa trên hồi tiếp với tên gọi là SSDT (Site Selection Diversity Transmission: truyền dẫn phân tập lựa chọn trạm) SSDT nhằm giảm nhiễu đến các người sử dụng khác trong

hệ thống bằng cách phân bổ công suất tối ưu hơn trong ô Trong SSDT, các ô (các BS) được ấn định một nhận dạng tạm thời (ID) MS định kỳ thông báo ID của ô sơ cấp đến các BS bằng cách sử dụng trường báo hiệu (hồi tiếp) đường lên Kênh dành riêng này trong các ô khác (được gọi là các ô không phải sơ cấp) bị tắt ID của ô sơ cấp này được thông báo từ 1 đến 5 lần trong khung 10ms, tùy thuộc vào khuôn dạng báo hiệu được chọn

1.2.7.3 Phân tập thời gian

Các hệ thống thông tin di động thế hệ sau đều hỗ trợ giao thức HARQ (

Hybrid Automatic Repeat Request) Trong các giao thức này Khi nhận được không công nhận (NACK) từ phía thu, máy phát phía phát sẽ phát lại hoặc toàn bộ bản tin

bị lỗi kể cả các bit chẵn lẻ hoặc chỉ phát bổ sung thêm các các bit chẵn lẻ Phân tập thời gian hay chọn lọc thời gian của kênh có thể được khai thác nếu khung phát lại đến phía thu sau một khoảng thời gian đủ dài (sau thời gian nhất quán kênh) Ngoài HARQ, một dạng phân tập thời gian thông thường được sử dụng là việc kết hợp giữa đan xen và mã hóa kênh hiệu chỉnh lỗi trước (FEC Forward Error Correction)

1.2.7.4 Phân tập anten thu

Khi nhiều anten thu được sử dụng, ta nói máy thu sử dụng phân tập anten thu (Rx) Phân tập Rx có thể được sử dụng tại BS để tăng dung lượng đường lên và vùng phủ sóng Do giá thành và không gian chiếm, phân tập anten thu không phổ biến tại máy đầu cuối Tuy nhiên phân tập Rx là một trong các kỹ thuật phân tập hiệu suất nhất và thường dược sử dụng khi cần cải thiện hiệu năng cũng như vùng phủ

1.2.7.5 Phân tập anten phát

Các phương pháp phân tập anten thu cung cấp phân tập không gian cho các đầu cuối chỉ có một anten thu và cải thiện hiệu năng cũng như vùng phủ đường xuống mà không gây phức tạp cho máy đầu cuối Thông thường các phần tử anten phát được đặt khá gần nhau Trong trường hợp này lý lịch trễ gần như giống nhau đối với mọi phần tử Các giải pháp phân tập phát (Tx) vòng kín được nghiên cứu cho chế độ FDD để hỗ trợ hai anten phát Cả hai giải pháp phân tập vòng kín và vòng hở đều được nghiên cúu sử dụng trong các chế độ FDD và TDD

- Phân tập vòng hở Các khái niệm phân tập vòng hở đầu tiên đã được đề

xuất trong quá trình tiêu chuẩn hóa 3G dựa trên phân tập phát phân chia mã (phân tập phát trực giao) và phân tập phát chuyển mạch theo thời gian Phân tập phát chuyển mạch theo thời gian (TSTD) được áp dụng cho một số kênh chung Trong TSTD, tín hiệu phát được chuyển mạch trên hai anten phát theo thời gian Sau đó

một giải pháp phân tập phát không gian thời gian (STTD) hiệu quả hơn dựa trên mã khối không gian thời gian do Alamouti phát triển đã được nghiên cứu áp dụng cho các hệ thống TTDĐ thế hệ sau

Phương án mã Alamouti được sử dụng trong STTD như sau:

Trong đó cột 1 chứa các ký hiệu được phát đi từ anten 1 còn cột 2 chứa các ký hiệu được phát đi từ anten 2 Các ký hiệu này là các ký hiệu điều chế QPSK Sơ đồ phân tập phát O-STBC được mô tả trên hình 1.5

Hình 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao (O-STBC) 2x2

- Chế độ vòng kín Chế độ vòng hồi tiếp đầu tiên được đề xuất trong 3G

dựa trên phân tập phát chọn lựa (STD), trong đó chỉ một bit được sử dụng

để lựa chọn anten phát phù hợp Sau đó một số cải thiện đã đựơc đề xuất trong quá trình tiêu chuẩn hóa 3G

CHƯƠNG II XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỘ TRÌNH TIẾN TỚI 3G VÀ

4G CỦA MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TRÊN THẾ GIỚI

2.1 Tổng quan mạng thông tin vô tuyến hiện tại

Trong lịch sử hình thành phát triển mạng thông tin vô tuyến người ta chia thành các thế hệ gọi là G (Generation) Chúng ta lần lượt đã trải qua 1G, 2G, 2.5G, đồng thời đang có xu hướng phát triển lên 3G và 4G

Vào những năm 40 của thế kỷ 20 mạng thông tin di động ra đời và chỉ áp dụng cho nghiệp vụ cảnh sát ở băng tần vô tuyến 2MHz Năm 1948 hãng AT&T cho ra đời thế hệ mạng điện thoại di động ở băng tần 150MHz với kỹ thuật FM

Những năm 60 mạng thông tin di động đã sử dụng lần lượt các băng tần 450MHz và 850MHz với hiệu suất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so với trước đó

Có thể nói quá trình phát triển mạng thông tin vô tuyến giai đoạn từ những năm

40-60 được xem như thế hệ 1G Mạng 1G có các nhược điểm sau:

 Tốc độ truyền số liệu thấp (hệ Analog băng hẹp) hầu như chỉ hỗ trợ giọng nói, âm thanh

 Dung lượng hạn chế do sử dụng kỹ thuật FDMA kinh điển

 Dễ ảnh hưởng của tạp âm

 Truyền từ vùng phủ sóng này sang vùng phủ sóng kia dễ có tiếng ồn

 Mật mã bảo đảm an ninh cho đường truyền rất khó

 Mỗi nước tự đưa ra tiêu chuẩn riêng

Thế hệ mạng 2G được hình thành những năm 80 với hệ thống điện thoại di động

tiên tiến (AMPS: Advanced Mobile Phone System) ra đời với các ưu điểm sau:

 Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn

 Áp dụng kỹ thuật mạng tổ ong Cellular để sử dụng lại tần số trong các cell có khoảng cách đủ xa

 Mã hóa số tín hiệu thoại với tốc độ bit thấp do đó cho phép ghép nhiều kênh thoại hơn vào dòng bit tốc độ chuẩn

 Giảm tỉ lệ tín hiệu báo hiệu do đó dành tỉ lệ lớn hơn cho tín hiệu người sử dụng

kênh liền kề ACI (Adjacent - Chanel Interference) hiệu quả hơn do đó làm tăng dung lượng hệ thống

 Tích hợp thêm nhiều dịch vụ mới: Nhận thực, số liệu, mã hóa, kết nối ISDN Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn Dung lượng tăng, diện tích các cell nhỏ đi, báo hiệu dễ dàng điều khiển bằng phương pháp số

Trong mạng thông tin vô tuyến 2G, người ta đã thay đổi và tích hợp thêm các dịch

vụ tân tiến khác như WAP, GPRS Dịch vụ GPRS hỗ trợ tốc độ tối đa 144 Kbps dù

tỷ lệ thường gặp chỉ là 56 Kbps, sau đó GPRS được nâng cấp thành E-GPRS ( hay

EDGE - Enhanced Data Rates for GSM Evolution) với khả năng truyền dữ liệu tối

đa 384 Kb/giây và xem như chúng là 2.5G

Hình 2.1 sau đây mô tả sự phát triển của mạng thông tin di động từ 2G trở đi

Hình 2.1 -Mô hình phát triển của mạng TTDĐ từ 2G trở đi

Nhìn lại sự phát triển của mạng thông tin di động ta có thể kết luận: Tiến tới mạng thông tin vô tuyến 3G & 4G là một xu hướng phát triển tất yếu của khoa học công nghệ và thời đại

2.2 Nghiên cứu lộ trình tiến tới mạng thông tin vô tuyến 3G & 4G của mạng thông tin vô tuyến trên thế giới

2.2.1 Tổng quan kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN của LTE trong 3GPP

Lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G và 4G đang được tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm triển khai trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách nhiệm cho việc phát triển và hài hoà các tiêu chuẩn được phát hành của UMTS lên 4G UTRA

(WCDMA và TD – SDMA) Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 4G được có

hai phần: LTE (Long Term Evolution: Phát triển dài hạn) và SAE (System

Architecture Evolution: Phát triển kiến trúc hệ thống) cho phần mạng

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ nghiên cứu của LTE và SAE như sau:

1 Về phần vô tuyến (LTE):

 Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, trễ

 Đơn giản hoá mạng vô tuyến

 Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS (Multimedia Broadcast

Multicast Service - Dịch vụ quảng bá và phát đa hướng đa phương tiện hay còn gọi

là dịch vụ quảng bá đa phương tiện), IMS (IP Multimedia Subsystem - hệ thống con

đa phương tiện IP)

2 Về phần mạng (SAE):

 Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng

 Đơn giản mạng lõi

 Tối ưu hoá lưu lượng IP và các dịch vụ

 Đơn giản hoá việc hỗ trợ và các chuyển giao đến công nghệ không phải 3GPP Kết quả nghiên cứu của LTE là được chuẩn mạng truy nhập vô tuyến với tên

gọi là E - UTRAN (Enhanced Universal Terrestrial Radio Access Network: Mạng

truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường)

2.2.2 Lộ trình tiến tới mạng thông tin vô tuyến 3G & 4G của mạng thông tin vô tuyến trên thế giới

Từ các tính năng cơ bản của mạng thông tin vô tuyến hiện tại 3GPP bổ sung các tính năng chung về E-UTRAN và đưa ra lộ trình tiến tới mạng thông tin vô tuyến 3G & 4G như sau:

2.2.2.1 Các tính năng chung của E – UTRAN

lên 50 Mbps khi băng thông được cấp phát là 20 MHz (2,5bps/Hz) Vì thế băng thông E - UTRAN sẽ gấp 4 lần băng thông 3G - UMTS

Lưu ý rằng tốc độ đỉnh có thể phục thuộc vào số lượng anten phát và anten thu lại UE Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được diễn tả trong UE tham chuẩn gồm: (1) khả năng đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả năng đường lên với một anten tại UE Trong trường hợp phổ được dùng chung cho cả đường lên và đường xuống, E- UTRA không phải hỗ trợ tốc độ số liệu đường xuống và đường nói trên động bộ

 Trễ mặt phẳng C và mặt phẳng U

Cần giảm đáng kể trễ mặt phẳng điều khiển (Mặt phẳng C) (Chẳng hạn bao

gồm trễ chuyển đổi từ trạng thái rỗi sang trạng thái trao đổi số liệu không kể trễ tìm gọi là 100ms), như Hình 2.2

Hình 2.2 -Thí dụ về chuyển đổi trạng thái trong kiến trúc E- UTRAN

E- UTRAN phải có thời gian đổi trạng thái nhỏ hơn 10ms (như trong chế độ rỗi của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell- DCH) Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms trạng thái ngủ (như trong R6 Cell PCH) vào

trạng thái tích cực (như trong R6 Cell _ DCH)

Cần đảm bảo trễ trong mặt phẳng U nhỏ hơn 10ms Trễ mặt phẳng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong EU (hoặc nút biên của

Trạng thái rỗi

Trạng thái tích cực

(Cell_ DCH)

Trạng thái ngủ (Cell_ PCH)

50ms



UTRAN) đến lớp IP trong nút biên của UTRAN (hoặc UE) Nút biên của UTRAN

là nút giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩn phải đảm bảo trễ mặt phẳng U của

E- UTRAN nhỏ hơn 5ms (hình 2.3) trong điều kiện không tải (nghĩa là 1 người sử dụng với 1 luồng số liệu) đối với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề) Rõ ràng rằng các chế độ ấn định băng thông của E- UTRAN có thể ảnh

hưởng đáng kể lên trễ

Hình 2.3 -Trễ mặt phẳng U

 Thông lượng số liệu

Thông lượng đường xuống trong E- UTRAN sẽ gấp 3 đến 4 lần thông lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một MHz Cần lưu ý rằng thông lượng HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại nút B với tính năng tăng cường và một máy thu trong EU; trong khi đó E- URA sử dụng cực đại hai anten tại nút B và hai anten tại UE

 Hiệu suất phổ tần

E- UTRAN phải đảm bảo tăng đáng kể hiệu suất phổ tần và tăng tốc độ bit tại biên ô trong khi vẫn đảm bảo duy trì các vị trí đặt trạm hiện có của UTRAN và EDGE

Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của E- UTRAN phải gấp 3 đến 4 lần R6 HSDPA tính theo bit/s/Hz/trạm Trong đó giả thiết rằng R6 HSDPA sử dụng một anten tại nút B và một máy thu, còn E- UTRA sử dụng 2 anten tại nút B và anten tại nút UE

Hiệu suất phổ tần kênh đường lên trong E- UTRAN phải gấp 3 đến 4 lần R6 HSDPA tính theo bit/s/ Hz/trạm với giả thiết HSUPA sử dụng 2 anten tại nút B và 1 anten tại UE còn E- UTRAN sử dụng 2 anten tại nút B và 2 anten tại nút UE

Bảng 2.1 và 2.2 cho thấy so sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng giữa E- UTRAN và HSPA và đường lên

Bảng 2.1 -So sánh thông số và hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trên đường xuống và HSDPA

HSDPA (R6) LTE Đích LTE đã đạt

Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/số)

0,75 1,84 3-4 lần HSDPA/ đạt

2,5 Thông lượng người sử dụng biên

2- 3 lần HSDPA/ đạt 2,5

Bảng 2.2 -So sánh thông số bvà hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trên đường lên và HSDPA

HSUPA (R6) LTE Đích LTE /đã đạt

Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/số) 0,26 0,67 2- 3 lần HSUPA/ đạt

2,6 Thông lượng người sử dụng biên

2- 3 lần HSDPA/ đạt 2,5

 Hỗ trợ di động

Hiệu năng E- UTRAN cần được tối ưu hoá cho các người sử dụng di động tại các tốc độ thấp từ 0 đến 15kmph Các người di động tại các tốc độ cao từ 15 đến 120kmph cần được đảm bảo hiệu năng cao thoả mãn Cũng cần hỗ trợ di động tại

các tốc độ từ 120kmph đến 350kmph (Thậm chí đến 500kmph phụ thuộc vào băng tần được cấp phát)

 Vùng phủ

E- UTRAN phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại các đài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có

Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phải đáp ứng các ô có bán kính 5km và với giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán kính 30km

Như đã nói ở trên E- UTRA phải hoạt động trong các băng thông 1,25 MHz, 2,5MHZ; 5MHz; 15MHz; và 20MHz trên cả đường xuống lẫn đường lên Cần đảm bảo làm việc cả chế độ đơn băng lẫn song băng

đa truy cập, mã hoá, điều chế cơ bản áp dụng cho đơn phương cho các dịch vụ MBMS

và cũng sử dụng tập chế độ băng thông của UE cho các khai thác đơn phương cho MBMS, (2) thoại và MBMS: giải pháp E- UTRA cho phép tích hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dành riêng vào các dịch vụ MBMS cho người sử dụng; (3) Khai thác MBMS đơn bằng: Phải hỗ trợ phát triển các sóng mang E- UTRA mang các dịch vụ MBMS trong phổ tần đơn băng

 Triển khai phổ tần

Yêu cầu E- UTRA làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau đây:

1 Đồng tồn tại trên cùng vùng hoặc cùng đài trạm với GERAN/ UTRAN trên các kênh lân cận

2 Đồng tồn tại trên các kênh lân cận hoặc chồng lấn tại biên giới các nước

3 E- UTRA phải có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mang khác)

4 Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyên tắc băng tần độc lập

 Đồng tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT

E- UTRAN phải hỗ trợ tương tác với các hệ thống 3G hiện có và với các hệ thống không theo chuẩn 3GPP E- UTRAN phải đảm bảo khả năng đồng tồn tại

giữa các nhà khai thác trong các băng liền kề và trên biên giới

Sau đây là các yêu cầu cho tương tác mạng:

- Thời gian ngắt để chuyển giao các dịch vụ thời gian thực giữa E- UTRAN

và UTRA/ GERAN không được quá 300ms

- Thời gian ngắt để chuyển giao các dịch vụ phi thời gian thực giữa E- UTRAN và UTRAN/GERAN không được quá 500ms

 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Như đã đề cập ở trên, quản lý tài nguyên vô tuyến đòi hỏi: (1) hỗ trợ tăng cường QoS cuối đầu cuối; (2) hỗ trợ hiệu quả truyền các lớp cao; (3) hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách trên các công nghệ truy cập vô tuyến (RAT)

2.2.2.2 Kiến trúc mô hình E- UTRAN

Các kiến trúc mô hình được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3 GPP) đề xuất

cho kiến trúc E- UTRAN được trên các hình 2.4, 2.5 và 2.6

Hình 2.4 -Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng

Hình 2.5 -Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó R h đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt

Hình 2.6 -Kiến trúc mô hình E-UTRAN theo TR 23.822

Các đường nối và các vòng tròn không liên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mới của kiến trúc E-UTRAN

2.2.3 Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN và lộ trình tiến tới 4G

2.2.3.1Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN

Các vấn đề nghiên cứu được thực hiện trong hai TSG:

1 TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến

2 TSG SA: Nghiên cứu kiến trúc mạng

Kế hoạch nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn E-UTRAN được thể hiện trên hình 2.7

Hình 2.7 -Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN

2.2.3.2 Lộ trình tiến tới 4G

Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn UTRAN được tiến hành trong các UTRAN TSG (Technical Specification Group – nhóm đặc tả kỹ thuật), và hình 2.8 cho thấy lộ trình phát triển của 3GPP

E-Hình 2.8 -Lộ trình phát triển 3GPP

Hình 2.9 -Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Trên hình 2.9 là lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Kết luận:

LTE là trong số các con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp sau đó sẽ là IMT Adv 4G