Nghiên cứu lớp vật lý mimo ofdm của hệ thống thông tin di động 4g

Nhưng trong hệ thống MIMO, vấn đề ước lượng kênh cho hệ thống vô tuyến này là nhiệm vụ khó khăn từ yêu cầu của thiết bị đầu cuối khi phân tập tăng, số lượng các tham số cần ước lượng tăn

- Nguyễn Minh Trang

NGHIÊN CỨU LỚP VẬT LÝ MIMO - OFDM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS HÀN HUY DŨNG

Trang phụ bìa

Hà Nội – 2017

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện đề tài Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên như tôi có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Hàn Huy Dũng đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung của luận văn này

Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này

Tác giả

Nguyễn Minh Trang

MỤC LỤC

Trang phụ bìa 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 12

1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G 12

1.2 Lớp vật lý của hệ thống 4G 15

1.2.1 Giới thiệu về eNB 15

1.2.2 Cấu trúc khung của lớp vật lý 18

1.2.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE 20

1.3 Đường xuống kênh vật lý 23

1.3.1 Quá trình xử lý truyền tải đường xuống cho DL-SCH 23

1.3.2 Quá trình xử lý của kênh vật lý PDSCH 30

1.4 Kết luận chương 36

Chương 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 37

2.1 Hệ thống MIMO 37

2.1.1 Giới thiệu về MIMO 37

2.1.2 Kỹ thuật phân tập 38

2.1.3 Nguyên lý cơ bản của MIMO 39

2.1.4 Ưu điểm của MIMO 40

2.1.5 Mã hóa không gian thời gian 42

2.1.6 Ghép kênh không gian 46

2.1.7 Nhược điểm của MIMO 48

2.1.8 Kết luận 49

2.2 Hệ thống OFDM 49

2.2.1 Tổng quan hệ thống OFDM 49

2.2.2 Các ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 55

2.2.3 Kết luận 56

2.3 Hệ thống MIMO-OFDM 56

2.4 Kết luận chương 58

Chương 3 ƯỚC LƯỢNG KÊNH MÙ VÀ MÔ PHỎNG 59

3.1 Giới thiệu chung 59

3.2 Ước lượng kênh mù 60

3.2.1 Các mô hình tín hiệu và các giả thiết 61

3.2.2 Phương pháp ước lượng kênh: 63

3.2.3 Thiết lập thuật toán: 66

3.2.4 Phần không xác định còn lại 72

3.2.5 Kết quả mô phỏng 75

3.3 Kết luận 81

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kiến trúc của mạng thông tin di động 4G 13

Hình 1.2: Các kết nối của eNodeB 15

Hình 1.3: Cấu tạo eNodeB (Samsung) 16

Hình 1.4: Cấu trúc khung FDD (Loại 1) 18

Hình 1.5: Chỉ định khung con cho đường lên và đường xuống (FDD) 18

Hình 1.6: Cấu trúc khung TDD (Loại 2) 19

Hình 1.7: Ví dụ về việc chỉ định đường lên đường xuống cho hoạt động TDD 20

Hình 1.8: Kiến trúc giao thức vô tuyến quanh lớp vật lý 20

Hình 1.9: Sơ đồ kênh theo đường xuống giữa 3 lớp 21

Hình 1.10: Quá trình mã hóa kênh truyền tải cho DL-SCH 23

Hình 1.11:Cấu trúc bộ mã hóa turbo tốc độ mã hóa 1/3 26

Hình 1.12:Rate matching cho mã hóa turbo kênh truyền tải 27

Hình 1.13: Mô hình kênh DL-SCH 30

Hình 1.14: Ánh xạ lớp với 2 codeword và 4 layer 33

Hình 1.15: Ánh xạ lớp với 2 codeword và 8 layer 33

Hình 1.16: Biểu đồ khối precoding trong trường hợp MIMO 2x2 35

Hình 2.1: Hệ thống MIMO 37

Hình 2.2: Độ lợi mảng 40

Hình 2.3: Giảm nhiễu trong MIMO 42

Hình 2.4: Máy phát Alamouti 43

Hình 2.5: Máy thu cho sơ đồ Alamouti 44

Hình 2.6: Cấu trúc D-BLAST 46

Hình 2.7: Sơ đồ khối xử lý t n hiệu thu phát chung cho hệ thông vô tuyến 48

Hình 2.8: Tổng quan hệ thống OFDM 50

Hình 2.9 Nguyên lý điều chế OFDM 51

Hình 2.10: Dạng sóng của một ký hiệu OFDM 52

Hình 2.11: Nguyên lý giải điều chế OFDM 53

Hình 2.12: Chèn CP vào ký hiệu OFDM 54

Hình 2.13: Chèn khoảng bảo vệ triệt tiêu nhiễu ISI 55

Hình 2.14: Cấu trúc máy phát MIMO-OFDM 57

Hình 2.15: Cấu trúc máy thu MIMO-OFDM 58

Hình 3.1 Hàm chi phí J(W) và bước lặp 70

Hình 3.2: Chòm sao của ˆs1và ˆs2 72

Hình 3.3: So sánh NMSE khi ghép kênh không gian 77

Hình 3.4: So sánh SER khi ghép kênh không gian 78

Hình 3.5: So sánh NMSE khi sử dụng mã hóa Alamouti 79

Hình 3.6: So sánh SER khi sử dụng Mã hóa Alamouti 80

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Bảng tốc độ đỉnh của mạng 4G 14

Bảng 1.2:Mô hình hoán vị cột cho sub-block Interleaver 28

Bảng 1.3: Bảng ánh xạ từ mã sang lớp cho ghép kênh không gian 31

Bảng 1.4: Các chế độ truyền dẫn đường xuống trong 3GPP phiên bản 12 34

Bảng 1.5: Codebook cho truyền tải trên port {0,1} của ăng ten 35

Bảng 1.6: Large-delay CDD 36

Bảng 3.1: Tập hợp các ma trận không xác định cho các hệ thống STBC khác nhau khi sử dụng số ăng ten phát n t 2,3, 4: 73

Bảng 3.2: Thời gian tính toán trung bình cho mỗi thuật toán (SM) 76

Bảng 3.3: Thời gian tính toán trung bình cho mỗi thuật toán (má hóa Alamouti) 80

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

RRM Radio Resource Management

hỗ trợ các ứng dụng dữ liệu đa phương tiện tốc độ cao với chìa khóa công nghệ là

hệ thống MIMO-OFDM Hệ thống MIMO mạng lại lợi ích kép, vừa tăng dung lượng nhờ ghép kênh không gian và triệt fading nhờ phân tập thu/phát

Nhưng trong hệ thống MIMO, vấn đề ước lượng kênh cho hệ thống vô tuyến này là nhiệm vụ khó khăn từ yêu cầu của thiết bị đầu cuối khi phân tập tăng, số lượng các tham số cần ước lượng tăng một khoảng là tích số ăng ten phát và ăng ten thu Vì vậy, cần tìm hiểu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống thông tin di động 4G và đề xuất ước lượng kênh mù nhằm tăng dung lượng kênh nhưng vẫn đảm bảo

đô tin cậy của tín hiệu phía thu

2 Tình hình nghiên cứu

MIMO là công nghệ mới được phát triển trong những năm gần đây và nó nhanh chóng trở thành một đề tài rất được quan tâm Đã có rất nhiều công trình khoa học, luận văn các cấp nghiên cứu vấn đề này dưới nhiều góc độ

Với công nghệ OFDM, những nghiên cứu còn lâu, nhiều và đầy đủ hơn Điều

đó thể hiện rõ về mặt thời gian phát triển và ứng dụng vào đời sống Một trong những ứng dụng nổi bật nhất là trong lĩnh vực phát thanh và truyền hình số quảng

bá

Việc kết hợp hai công nghệ tiên tiến MIMO và OFDM đã thu hút sự quan tâm

từ các nhà khoa học, các công ty, tổ chức trên khắp thế giới Nó đã, đang và sẽ còn phát triển nhiều hơn nữa cả về mặt lý thuyết lẫn triển khai ứng dụng một cách rộng rãi Tuy vậy, do mới được phát triển trong vài năm trở lại đây, công nghệ kết hợp MIMO-OFDM vẫn còn nhiều điều đáng được quan tâm, nghiên cứu

Ước lượng kênh truyền là thành phần không thể thiếu trong bất kì hệ thống vô tuyến nào Khác với một mạng truyền dẫn có dây, tín hiệu kênh truyền trong thông tin vô tuyến bị tác động bởi nhiều yếu tố như: fading, nhiễu xạ hay tán xạ do các các công trình kiến trúc nằm giữa thiết bị phát và thiết bị thu, tương quan tín hiệu do ảnh hưởng các kênh phát kề nhau, ảnh hưởng bởi tần số phát kề nhau giữa các kênh, nhiễu liên kí tự, …Do đó vấn đề ước lượng kênh truyền cho hệ thống MIMO-OFDM cũng là một vấn đề cần sự đầu tư nghiên cứu nhiều Hiện nay có rất nhiều các phương pháp ước lượng kênh vô tuyến và có thể chia làm 3 loại: ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện; ước lượng kênh bán mù và ước lượng kênh mù Ước lượng kênh dựa vào chuỗi huấn luyện và ước lượng kênh bán mù đã có rất nhiều tài liệu nghiên cứu tìm hiểu, cũng thấy rõ được ưu điểm của các phương pháp này là độ tính toán ít phức tạp, tín hiệu thu được có thể khôi phục dựa vào chuỗi huấn luyện đính kèm thông tin phát, tuy nhiên sẽ tốn băng thông kênh truyền dẫn tới giảm tốc độ truyền dữ liệu trong khi các công nghệ vô tuyến mới ra đời nhằm mục đích nâng cao tốc độ dữ liệu người dùng Phương pháp ước lượng kênh mù không sử dụng việc chèn chuỗi huấn luyện vào tín hiệu phát, tín hiệu được khôi phục dựa vào thông tin thu được nên cho hiệu quả băng thông cao Tuy nhiên, do không sử dụng chuỗi huấn luyện nên lượng thông tin cần xử lý rất lớn, độ tính toán cao Luận văn sẽ tập trung vào tìm hiểu và đưa ra thuật toán ước lượng kênh mù nhằm múc đích tăng số bít thông tin có ích được phát qua giao diện vô tuyến khi các thiết bị đầu cuối ngày càng phát triển, khả năng xử lý tín hiệu ngày càng nhanh

3 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Khi phát triển các công nghệ vô tuyến, người ta quan tâm đến hiệu quả sử dụng băng thông, cải tiến về chất lượng tín hiệu (lỗi trung bình bình phương chuẩn hóa NMSE, tỉ lệ lỗi ký hiệu SER) Do vậy, luận văn này tìm hiểu và đưa ra các giải pháp ước lượng kênh mù truyền nhằm cải tiến các phương pháp truyền thống Ngoài ra, luận văn cũng đề ra yêu cầu cho các kết quả nghiên cứu phải có tính ứng dụng cao, phù hợp cho các triển khai thiết bị phần cứng thực tế Các thuật toán đề

xuất nhằm giảm độ phức tạp tính toán so với giải pháp ước lượng mù đã có trước đây

Luận văn này nghiên cứu lớp vật lý MIMO-OFDM của hệ thống mạng thông tin di động thế hệ thứ 4:

 Tổng quan về lớp vật lý của hệ thống thông tin di động 4G

 Những ưu và nhược điểm của hệ thống MIMO-OFDM

 Áp dụng ước lượng kênh mù cho hệ thống MIMO-OFDM

Chương 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G

Smartphone đã thành tâm điểm trong kỷ nguyên Internet di động, sẵn sàng cung cấp mọi thông tin cho người sử dụng bất cứ lúc nào Với gần 7 tỷ thuê bao di động, sắp bằng dân số thế giới, và con số vẫn tiếp tục tăng, đặt ra thách thức lớn cho các nhà mạng di động trong việc xử lý lưu lượng dữ liệu khổng lồ Vấn đề cấp bách của ngành công nghiệp viễn thông là băng thông của mạng di động không đáp ứng được nhu cầu tăng rất nhanh của dữ liệu từ phía người dùng khiến mạng bị nghẽn, thiết bị đầu cuối dễ rơi vào tình trạng mất dịch vụ, giảm chất lượng trải nghiệm của người dùng Xu thế tăng cường chất lượng nội dung đa phương tiện và giảm độ trễ

là tất yếu tương tự như vấn đề của mạng Internet Đòi hỏi các nhà mạng trên thế giới phải mở rộng mạng, tăng cường băng thông đẩy nhanh tốc độ với mạng thế hệ mới 4G

2G (thập kỷ 1990): Tín hiệu số, chuyển mạch kênh; truyền cả tin nhắn và dữ liệu; dung lượng mạng lớn cho phép nhiều thuê bao hơn Các chuẩn thương mại chính: D-AMPS, GSM/GPRS/EDGE, CDMAOne

3G (thập kỷ 2000): Chuyển mạch gói tốc độ cao; băng thông rộng hỗ trợ dịch

vụ đa phương tiện trực tuyến Các chuẩn thương mại chính: CDMA200/EV-DO, WCDMA/HSPA+, TD-SCDMA

4G (thập kỷ 2010): Băng thông rộng hơn, tốc độ nhanh hơn, hỗ trợ các dịch vụ

di động cao cấp như truyền hình trực tuyến, video HD, game online cao cấp, đáp ứng cùng lúc nhiều người sử dụng Các chuẩn thương mại chính: LTE, LTE Advanced, Mobile Wimax và WiMax Release 2

Tính năng của hệ thống 4G

Quá trình phát triển lên mạng thông tin di động 4G có hai phần chính là:

LTE (Long Term Evolution : Phát triển dài hạn) cho phần vô tuyến

 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 và IMS

SAE (System Architecture Evolution : Phát triển kiến trúc hệ thống ) cho phần

mạng lõi

 Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng

 Đơn giản, tối ưu mạng lõi, lưu lượng IP và các dịch vụ

 Đơn giản hoá việc hỗ trợ và các chuyển giao đến công nghệ không theo chuẩn 3GPP

Hình 1.1: Kiến trúc của mạng thông tin di động 4G

Hình 1.1 mô tả kiến trúc tổng quát của mạng thông tin di động 4G Các thiết

bị đầu cuối người dung giao tiếp với hệ thống qua eNB, eNB truyền tải thông tin tới S-GW và các MME

Kết quả nghiên cứu của LTE là được chuẩn mạng truy nhập vô tuyến với tên gọi là E- UTRAN là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các telco có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng IP tối ưu, và đặc biệt thuận tiện cho việc nâng

cấp mạng từ 3G lên 4G Mục tiêu mà 3GPP đặt ra cho LTE (Release 8) gồm: tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối

ưu

Cụ thể như sau:

Tốc độ: Tốc độ tải xuống (Downlink - DL) cao nhất ở băng thông 20MHz có

thể lên đến 100Mbps, cao hơn từ 3-4 lần so với công nghệ HSDPA (3GPP Release 6) và tốc độ tải lên (Uplink - UL) có thể lên đến 50Mbps, cao hơn từ 2-3 lần so với công nghệ HSUPA (3GPP Release 6) với 2 ăng ten thu và 1 ăng ten phát ở thiết bị đầu cuối

Bảng 1.1: Bảng tốc độ đỉnh của mạng 4G

Tốc độ đỉnh tải xuống (64 QAM)

Tốc độ đỉnh tải lên (SISO)

Bảng 1.1 mô tả tốc độ đỉnh tải dữ liệu theo hướng xuống (khi sử dụng các loại ăng ten thu phát khác nhau) và tốc độ đỉnh hướng lên khi sử dụng một ăng ten phát, một ăng ten thu với các mức điều chế khác nhau.[13]

Độ trễ: Thời gian trễ tối đa đối với dịch vụ người dùng phải thấp hơn 5ms

Độ rộng băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với băng thông 1.4 MHz,

3MHz, 5 MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz

Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/giờ, và vẫn hoạt động tốt

với tốc độ di chuyển từ 15-120km/giờ, thậm chí lên đến 500km/giờ tùy băng tần

Phổ tần số: hoạt động theo chế độ phân chia theo tần tố (FDD Mode) hoặc

chế độ phân chia theo thời gian (TDD mode) Độ phủ sóng từ 5-100km (tín hiệu suy yếu từ km thứ 30), dung lượng hơn 200 người/cell (băng thông 5MHz)

Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho

các thiết bị VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ gần như không có) thông qua các mạng chuyển mạch UMTS

Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có

và các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ còn lại

Chi phí: Chi phí triển khai và vận hành giảm so với 3G

1.2 Lớp vật lý của hệ thống 4G

1.2.1 Giới thiệu về eNB

Sự phát triển vượt bậc của mạng 4G so với các mạng thế hệ trước được thể hiện rõ nét trong lớp truy nhập vật lý với việc tích hợp nhiều kỹ thuật công nghệ mới Trong khi mạng lõi tiếp tục sử dụng mạng gói được tối ưu bằng cách giảm số node mạng cần thiết, tách phần truyền dẫn và phần xử lý thông tin nhằm đạt được tốc độ cao nhất với độ trễ thấp nhất

Lớp vật lý chịu trách nhiệm cho việc mã hóa, xử lý Hybrid ARQ lớp vật lý, điều chế, xử lý đa ăng ten và ánh xạ tín hiệu tới những tài nguyên thời gian, tần số vật lý thích hợp

Lớp truy nhập vật lý của mạng 4G là các eNodeB, là các trạm gốc được tăng cường mới, có tên đầy đủ là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP, chúng chịu trách nhiệm truyền dẫn vô tuyến với các UE trong một hoặc nhiều cell

Hình 1.2: Các kết nối của eNodeB

Hình 1.2 minh họa sự kết nối giữa eNB với MME, S-GW và UE eNB kết nối với MME bằng giao thức S1-AP trên đường S1 interface cho đường tín hiệu báo hiệu, điều khiển Đồng thời kết nối với S-GW bằng giao thức S1-U trên S1 interface

cho đường dữ liệu người dùng Các eNB kết nối với nhau bằng giao diện X2 phục

vụ quá trình chuyển giao X2 So với mạng 3G, kiến trúc của mạng 4G được rút gọn hơn xuống còn 1 phần tử duy nhất làm giảm giá thành và sự phúc tạp khi triển khai cũng như bảo trì hệ thống mạng đồng thời cũng tăng tốc độ truyền dẫn và giảm trễ qua các node mạng.[15]

Hình 1.3: Cấu tạo eNodeB (Samsung)

Hình 1.3 minh họa cấu tạo của eNB: gồm 2 thành phần chính là DU- Digital Unit và RU-Radio Unit Trong đó DU làm nhiệm vụ xử lý các dòng dữ liệu số: nén

IP header và mã hóa dữ liệu người dùng, giao tiếp với MME và S-GW RU làm nhiệm vụ quản lý tài nguyên vô tuyến, thu và phát tín hiệu vô tuyến với UE-thiết bị đầu cuối của người dùng Nghiên cứu lớp vật lý của mạng 4G chính là nghiên cứu hoạt động của RU [9]

eNB cung cấp các chức năng sau:

Kiểm soát tế bào và hỗ trợ tập hợp các MME: eNB sở hữu và điều khiển tài

nguyên vô tuyến của các tế bào riêng của mình Nguồn tài nguyên vô tuyến này được yêu cầu và cấp một cách trật tự cho các MME Sự sắp xếp này hỗ trợ khái niệm mô hình tập hợp các MME Tập hợp các S-GW cũng được quản lý bới các MME và eNB cũng không thật sự thấy các S-GW này

Kiểm soát tính di động: eNB có trách nhiệm kiểm soát sự di động cho thiết

bị đầu cuối trong trạng thái hoạt động Điều này được thực hiện bằng cách ra lệnh

UE để thực hiện đo lường và sau đó thực hiện chuyển giao khi cần thiết (S1 handover, X2 handover, Inter-RAT handover)

Kiểm soát và bảo mật dữ liệu người dùng: Các mã hóa dữ liệu người dùng

qua giao diện vô tuyến được chấm dứt trong các eNB Ngoài ra các mã hóa và toàn vẹn bảo vệ RRC cũng chấm dứt trong các eNB

Thực hiện kênh chia sẻ: Vì các eNB sở hữu các cell vô tuyến nên eNB cũng

quản lý các kênh truy cập dùng chung, các kênh truy cập ngẫu nhiên để truyền tín hiệu và truy cập khởi tạo

Phân đoạn/ghép nối: Khi RLC, SDUs nhận từ lớp PDCP các gói dữ liệu IP

có kích thước lớn hơn kích thước khối mà lớp vật lý có thể truyền tải thì lớp RLC sẽ

hỗ trợ phân đoạn và ghép nối dữ liệu để phù hợp với kích thước khối truyền tải của kênh truyền

HARQ: Một lớp điều khiển truy cập môi trường MAC, lớp yêu cầu lặp tự

động hỗn hợp HARQ với các thông tin phản hồi nhanh chóng cung cấp một phương pháp để sửa chữa nhanh chóng hầu hết các lỗi từ kênh vô tuyến Để đạt được độ trễ thấp và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên vô tuyến thì HARQ hoạt động với một

tỷ lệ lỗi thấp chỉ đủ cho các dịch vụ với yêu cầu tỷ lệ lỗi vừa phải như dịch vụ VoIP

Tỷ lệ lỗi thấp hơn đạt được bằng cách cho phép một lớp bên ngoài tự động lại lời yêu cầu (ARQ) trong eNB xử lý các lỗi HARQ

Lập lịch: Lập lịch hỗ trợ QoS đem tới hiệu quả cho việc lập kế hoạch của UP,

một phần người dùng và CP, một phần dữ liệu điều khiển

Ghép kênh và ánh xạ: eNB thực hiện lập ánh xạ các kênh logic vào kênh

truyền tải

Các chức năng lớp vật lý: eNB điều khiển lớp vật lý như việc xáo trộn, phân

tập phát, xử lý beamforming và điều chế OFDM eNB cũng xử lý lớp một chức năng như liên kết thích ứng và điều khiển công suất

Đo lường và báo cáo: eNB thực hiện chức năng cấu hình và thực hiện đo môi

trường vô tuyến và các điều kiện và biến số nội bộ trong eNB Các dữ liệu thu thập được sử dụng nội bộ trong quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) nhưng có thể được báo cáo cho mục đích của RRM đa cell

Bảo trì và vận hành tự động: eNB cung cấp các chức năng cho hệ tự động

liên kết các eNB xung quanh (ANR) và tích hợp tự động của RBS

1.2.2 Cấu trúc khung của lớp vật lý

Để tìm hiểu về mã hóa kênh trong mạng 4G chúng ta cần nắm được cấu trúc khung và mô hình kênh vật lý và tín hiệu như sau [7]:

Ta có một đơn vị thời gian T s  1 15000 2048  (s), đường truyền hướng lên và hướng xuống đều có chung một thiết lập khung vô tuyến T f  307200  T s 10(ms)

Có 2 loại cấu trúc khung vô tuyến được hỗ trợ là cấu trúc khung loại 1 (ứng

dụng cho FDD) và cấu trúc khung loại 2 (ứng dụng cho TDD)

One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms

One slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms

One subframe

Hình 1.4: Cấu trúc khung FDD (Loại 1)

Hình 1.4 minh họa cấu trúc khung loại 1 Mỗi một khung vô tuyến (radio frame) có độ dài là Tf = 307200.Ts=10ms và bao gồm 20 khe thời gian (slot) có chiều dài là Tslot = 15360.Ts=0.5ms được đánh số từ 0 đến 19 Mỗi khung con (subframe) là 2 khe thời gian liên tiếp Khung thời gian loại 1 áp dụng cho cả FDD song công và bán song công Với FDD thì 10 khung con được sử dụng cho truyền

dữ liệu hướng xuống và 10 khung con được sử dụng cho truyền hướng lên trong khoảng 10ms và được thực hiện riêng biệt trong miền tần số (như hình 1.5) [12] Trong FDD bán song công UE không thể truyền và nhận ở cùng một thời điểm nhưng lại có thể thực hiện điều đó đối với FDD song công

Hình 1.5: Chỉ định khung con cho đường lên và đường xuống (FDD)

One slot,

T slot =15360T s

GP UpPTSDwPTS

One radio frame, T f = 307200T s = 10 ms

Subframe #2 Subframe #3 Subframe #4

Hình 1.6: Cấu trúc khung TDD (Loại 2)

Hình 1.6 mô tả cấu trung khung loại 2 được áp dụng cho TDD Mỗi khung vô tuyến có độ dài là Tf=307200.Ts=10ms gồm 2 nửa khung (haft-frame) có độ dài mỗi nửa khung là 153600.Ts =5ms Mỗi nửa khung gồm có 5 khung con (subframe) có

độ dài là 30720.Ts=1ms, mỗi khung con có 2 khe thời gian (slot) có độ dài là

Tslot=15360.Ts=0.5ms Một khung con đặc biệt chứa 3 trường DwPTS, GP và UpPTS có tổng độ dài là 30720.Ts=1ms

Hình 1.7 mô tả một ví dụ về chỉ định đường lên đường xuống các khung trong hoạt động TDD Trong cùng một sóng mang, những khung con khác nhau của một khung có thể được sử dụng cho truyền dẫn hướng xuống hoặc truyền dẫn hướng lên, riêng với cấu trúc khung TDD thì khung con thứ nhất và khung con thứ 6 (khung con 0 và khung con 5) chúng luôn luôn được chỉ định cho truyền dẫn đường xuống, các khung con còn lại có thể được chỉ định một cách linh hoạt để dùng cho

cả đường truyền dẫn lên hoặc xuống Do các khung con thứ nhất và khung con thứ

6 chứa các tín hiệu đồng bộ 4G nên được ấn định sẵn cho đường truyền xuống Các tín hiệu đồng bộ được truyền đi trên đường truyền xuống của mỗi tế bào và được dùng vào mục đích dò tìm tế bào khởi tạo (Initial Cell Search) cũng như dò tìm tế bào lân cận

Hình 1.7: Ví dụ về việc chỉ định đường lên đường xuống cho hoạt động TDD

Các khung con có thể thay đổi tuần hoàn theo chu kỳ 5ms hoặc 10ms cho chức năng là đường truyền xuống hoặc đường truyền lên

Trong trường hợp chu kỳ chuyển đổi giữa đường lên và đường xuống là 5ms thì khung đặc biệt tồn tại trong cả hai bán khung

Trong trường hợp chu kỳ chuyển đổi giữa đường lên và đường xuống là 10ms thì khung đặc biệt chỉ tồn tại ở nửa khung đầu tiên

1.2.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE

Radio Resource Control (RRC)

Medium Access Control (MAC)

Transport channels Physical layer

Layer 1

Hình 1.8: Kiến trúc giao thức vô tuyến quanh lớp vật lý

Hình 1.8 mô tả tổng quan về kiến trúc giao diện vô tuyến E-UTRA [10] xung quanh lớp vật lý Lớp vật lý (Physical layer) giao tiếp với MAC (Medium Access Control) là một phần của lớp 2 và điều khiển nguồn vô tuyến (RRC) của lớp thứ 3

Lớp vật lý giao tiếp với các lớp trên thông qua các kênh truyền tải (transport channels), các kênh truyền tải mang thông tin chuyển đi trên giao diện vô tuyến Lớp vật lý điều khiển việc mã hóa, giải mã, điều chế/giải điều chế, ánh xạ ăng ten

và các chức năng lớp vật lý tiêu biểu khác

Điều khiển truy cập môi trường MAC điều khiển việc truyền lại Hybrid ARQ

và hoạch định đường lên, đường xuống Chức năng hoạch định được định vị trong eNB và chỉ có 1 phần tử MAC cho một tế bào cho cả đường lên và đường xuống Khối MAC cung cấp các dịch vụ cho RRC dưới dạng kênh logic

Điều khiển nguồn vô tuyến (RRC) thực hiện phân đoạn, ghép nối, điều khiển việc truyền lại và đưa lên các lớp cao hơn theo thứ tự Do kiến trục mạng vô tuyến 4G chỉ có một loại node đơn nên giao thức RRC được định vị trong eNB

Hình 1.9: Sơ đồ kênh theo đường xuống giữa 3 lớp

Hình 1.9 mô tả một sơ đồ luồng tín hiệu đi đường xuống đi qua 3 kênh: kênh

vật lý, kênh truyền tải và kênh logic [12] Trong đó:

Các kênh vật lý đường xuống bao gồm:

- Kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH):

- Kênh quảng bá vật lý (PBCH): kênh này mang thông tin hệ thống cho các

thiết bị đầu cuối khi yêu cầu truy cập vào mạng, nó chỉ mang khối thông tin bản gốc (MIB) và tin nhắn

- Kênh chỉ định định dạng điều khiển (PCFICH): thông báo tới thiết bị đầu

cuối về định dạng của tín hiệu nhận được

- Kênh điều khiển đường xuống (PDCCH): mang thông tin lập lịch chính của

các loại khác nhau như: lập lịch tài nguyên đường xuống, chỉ dẫn điều khiển công

suất đường lên, cấp tài nguyên đường lên, chỉ định tìm kiếm hoặc thông tin hệ

thống

- Kênh chỉ định HARQ (PHICH): kênh này được dùng để báo cáo trạng thái

Hybrid ARQ [11]

Các kênh Logic đường xuống gồm:

- Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): kênh này sẽ cung cấp thông tin hệ thống tới tất cả đầu cuối di đồng để kết nối đến eNB

- Kênh điều khiển paging (PCCH): kênh này được sử dụng để paging thông tin khi cần tìm kiếm một phần tử trong mạng

- Kênh điều khiển thông thường (CCCH): kênh này được dùng để truy cập thông tin ngẫy nhiên ví dụ hành động thiết lập một kết nối

- Kênh điều khiển multicast (MCCH): kênh điều khiển này được dùng đưa các thông tin cần thiết cho phía thu multicast

- Kênh điều khiển dành riêng (DCCH): kênh này được dùng để truyền dẫn thông tin điều khiển tới người dùng, ví dụ hành động điều khiển công suất, chuyển giao,…

- Kênh lưu lượng dành riêng (DTCH): kênh này được dùng để truyền tải dữ liệu người dùng đến thiết bị đầu cuối

- Kênh lưu lượng multicast (MTCH): kênh này được dùng để truyền dữ liệu multicast

Kênh truyền tải đường xuống sẽ bao gồm:

- Kênh quảng bá (BCH): Nó được dùng cho việc truyền dẫn những thông tin

trên kênh logic BCCH

- Kênh chia sẻ đường xuống (Downlink Shared Channel - DL-SCH): đây là kênh chính để truyền tải dữ liệu đường xuống, nó được kết nối với nhiều kênh logic

- Kênh Multicast channel (MCH): kênh này sử dụng để truyền tải thông tin MCCH để thiết lập truyền tải multicast

- Kênh Paging (PCH): kênh này truyền tải PCCH

1.3 Đường xuống kênh vật lý

1.3.1 Quá trình xử lý truyền tải đường xuống cho DL-SCH

Hình 1.10 mô tả quá trình xử lý của khối truyền tải đối với DL-SCH, PCH, MCH Các bước xử lý cho mỗi khối truyền tải của DL cell bao gồm:[8]

- Thêm CRC vào khối truyền tải (Transport block CRC attachment)

- Phân đoạn khối mã hóa và ghép nối CRC vào khối mã hóa (code block segmentation and code block CRC attachment)

- Mã hóa kênh (channel coding)

1 1

0 ,a, ,a Aa

1 1

0 ,b , ,b Bb

r c c c

) 1 

) 1 )

0 ,f , ,f Gf

Transport block CRC attachment

Code block segmentation Code block CRC attachment

Hình 1.10: Quá trình mã hóa kênh truyền tải cho DL-SCH

Transport block CRC attachment:

Khối truyền tải dò tìm lỗi thông qua việc kiểm tra dư thừa tuần hoàn (CRC),

dữ liệu đầu vào khối truyền tải được sử dụng để tính toán bit chẵn lẻ CRC

Bit đầu vào của bộ tính toán CRC là a 0 , a 1 , a 2 ,……,a A-1 và các bit chẵn lẻ là p 0 ,

p 1 , p 2 , ….,p L-1 Trong đó A là kích thước khối truyền tải và L là số bit chẵn lẻ Bit

thông tin bậc thấp nhất a0 được ánh xạ tới bit có ý nghĩa nhất của khối truyền tải

Bít chẵn lẻ được tính ra bởi một trong đa thức phát sinh tuần hoàn có L=24 như sau:

Khi sử dụng đa thức phát sinh tuần hoàn gCRC24A(D) có L=24 thì chuỗi bít chẵn

lẻ p 0 , p 1 , p 2 , ….,p L-1 là hệ số của đa thức dư khi chia đa thức D 24 A(D) cho đa thức

gCRC24A(D) Khi đó khung đầu vào bộ CRC là chuỗi được hình thành từ A bit đầu vào a 0 , a 1 , a 2 ,……,a A-1 nối với L bit chẵn lẻ p 0 , p 1 , p 2 , ….,p L-1, ta có thể biểu diễn dưới dạng đa thức như sau:

23 1 22 22

1 23 0 24 1 22

1 23

bk=pk-A khi k=A, A+1, A+2,…., A+L-1 (1.4)

Code block segmentation and code block CRC attachment:

Chuỗi bit đầu vào khối code block segmentation là dữ liệu đầu ra của khối

CRC attachment: b 0 , b 1 , b 2 , b 3 ,… ,b B-1 , trong đo B là số bits trong khối truyền tải

(đã bao gồm cả CRC) Nếu B lớn hơn kích thước tối đa của khối mã hóa (Z=6144) thì sẽ thực hiện phân đoạn chuỗi bit đầu vào và thêm chuỗi CRC có L-24 bit vào mỗi khối mã hóa

Nếu số lượng bit điền đầy (F) được tính toán bên dưới là 0 thì bit điền đầy được thêm vào phần đầu của khối đầu tiên Nếu B40 thì bít điền đầy được thêm vào phần đầu của khối mã hóa

Tổng số khối mã hóa (C) được xác định như sau:

c

trong đó r là số khối mã hóa và Kr là số bit của khối mã hóa r

Chuỗi bít đầu ra của khối phân đoạn là 0, 1, 2, 3, ,  1 

r

K r r

r r

chi tiết trong tài liệu [8]

Mã hóa kênh (Channel coding):

Chuỗi bit đầu vào là chuỗi bit lấy ra từ khối mã hóa đưa vào khối mã hóa kênh là: c0, c1, c2,… , cK-1, trong đó K là số bít để mã hóa Sau khi mã hóa bit thu được là

) 1 )

3 )

d  trong đó D là số lượng bit đã mã hóa trên luồng ra và i là

chỉ số luồng ra Mối quan hệ giữa ck và ( )i

k

d , giữa K và D phụ thuộc vào phương

pháp mã hóa kênh truyền

Khối mã hóa sử dụng mã hóaTurbo để mã hóa dữ liệu, tốc độ mã hóa là 1/3 và

4

D K

Bộ mã hóa Turbo: Cấu trúc của bộ mã hóa Turbo là bộ mã hóa chập kết nối song song (PCCC) với 2 bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái và 1 bộ mã hóa turbo lồng vào bên trong tốc độ mã hóa của bộ mã hóa turbo là 1/3, cấu trúc được minh họa trong Hình 1.11 (đường … chỉ áp dụng cho trellis termination)

Hàm truyền của bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái cho PCCC là :

) ( , 1 0

1

D g

D g

(1.5)

trong đó g0(D)=1+D 2 +D 3 và g1(D)=1+D+D 3

Giá trị ban đầu của thanh ghi dịch của bộ mã hóa thành phần 8 trạng thái tất cả

là 0 khi bắt đầu mã hóa bit đầu vào

interleaver Output

Output 1st constituent encoder

Hình 1.11:Cấu trúc bộ mã hóa turbo tốc độ mã hóa 1/3

Đầu ra của bộ mã hóa turbo là:

Nếu khối mã hóa thứ 0 thực hiện mã hóa và số bit điền đầy F>0 thì bộ mã hóa

sẽ thiết lập ck =0, k=0,…., (F-1) tại đầu vào của nó và sẽ thiết lập (0)

k

d NULL, k=0,…(F-1) và (1)

k

d = <NULL>, k=0,…(F-1) tại đầu ra của nó

Bít đầu vào của bộ mã hóa turbo ký hiệu là c0,c1,c2,….,ck-1 và bít đầu ra từ bộ

mã hóa phần tử 8 trạng thái đầu tiên và thứ 2 tương ứng là z0, z1, z2, …., zk-1 và

Sub-block interleaver

Sub-block interleaver

Bit collection

virtual circular buffer

Bit selection and pruning

) 0 (

k

d

) 1 (

k

d

) 2 (

k

v

) 1 (

k

v

) 2 (

k

v

k

w

Hình 1.12:Rate matching cho mã hóa turbo kênh truyền tải

- Sub-block Interleaver: Chuỗi bít đầu vào của khối là )

1 )

2 ) 1 )

2 )

1 (

1 )

1 (

)

1

(

1 2

2 1

1 2

1 0

TC subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock

TC subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock

TC subblock

C R

C R

C R

C R

C C

C C

C

y y

y y

y y

y y

y y

y y

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock

TC subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock TC

subblock

TC subblock

C R

C P C

R P C

R P C

R

P

C C

P C

P C

P C

P

C P P

P P

y y

y y

y y

y y

y y

y y

) 1 ( ) 1 ( )

1 ( ) 2 ( )

1 ( 1 ( )

2 ( )

1 ( )

0

(

) 1 ( )

2 ( )

1 ( )

0i ,v i ,v i , ,v K i

v  lấy từ cột đầu tiên xếp chồng lên cột tiếp theo … của ma trận hoán vị cột có kích

1 )

2 ( 2 ) 2 ( 1 ) 2 (

k TC subblock subblock TC

TC subblock

mod 1 mod

) (



- Bit collection: Đầu ra của khối Bit collection là chuỗi wk

Chiều dài của bộ đệm tuần hoàn là KW=3k, với khối mã hóa thứ r được tính

như sau:

) 0 (

k

w  với k = 0,… , k-1

) 1 (

w   với k = 0,… , k-1

) 2 ( 1

w    với k = 0,… , k-1

- Bit selection and pruning:

E là chiều dài chuỗi đầu ra của bộ rate matching đối với khối mã hóa thứ r,

rv idx = 0, 1,2 là số phiên bản dư thừa cho việc truyền tải Chuỗi bit đầu ra là ek trong

Ghép khối mã hóa (Code block concatenation):

Chuỗi bít đầu vào cho khối ghép khối mã hóa là chuỗi e rkvới r0, ,C1và

0, , r 1

k E  Đầu ra là chuỗi f kvới k 0, ,G1 Trong đó E rlà số bít của khối

rate matching của khối mã hóa thứ r, G là tổng số bít đã mã hóa cho đường truyền

Khối ghép khối mã hóa thực hiện ghép liên tiếp đầu ra của khối rate matching cho các khối mã hóa khác nhau Khi đó các giá trị f kđược xác định như sau:

Trong trường hợp truyền dẫn đa ăng ten thì có thế lên đến 2 khối truyền tải kích thước động cho mỗi TTI, ở đó mỗi khối truyền tải tương ứng với một từ mã trong trường hợp ghép kênh không gian đường xuống

1.3.2 Quá trình xử lý của kênh vật lý PDSCH

Hình 1.13: Mô hình kênh DL-SCH

Hình 1.13 mô tả mô hình kênh DL-SCH Các khối chức năng chính của kênh vật lí bao gồm: khối xáo trộn (scramber), khối điều chế (modulation), khối ánh xạ lớp (layer mapping), khối tiền mã hoá trước khi tạo ra symbol OFDM (precoding)

và khối generation OFDM:

Khối xáo trộn (Scrambler): Đầu vào cho mỗi từ mã codeword q, là khối bit

) 1 (

 ( ) )mod 2 )

i c i b i

Trong đó c(q)(i) là thứ tự xáo trộn, chúng được khởi tạo khi bắt đầu của mỗi khung phụ trong đó giá trị khởi tạo phụ thuộc vào loại kênh truyền tải (luận văn chỉ xét đến kênh SCH) nên

c n   q n  N (1.8)

Trong đó: nRNTI: định danh mạng vô tuyến tạm thời

n s: Số thứ tự khe trong một khung vô tuyến

Khối điều chế (Modulation): Điều chế có thể là BPSK, QAM 16,QAM 64,

256QAM được sử dụng theo mục đích từng kênh khác nhau, mục đích chính là tăng

tốc độ bit truyền (điều chế số) Với mỗi từ mã q, các bit ngẫu nhiên

) 1 (

Khối ánh xạ lớp (Layer Mapping): các symbol sau khi điều chế sẽ được tổ

chức thành các lớp tương ứng với các cổng ăng ten MIMO (thực hiện một mô hình toán học) Các ký hiệu sau điều chế d(q)( 0 ), ,d(q)(Msymb(q)  1 )sẽ được mapping tương

i x i

x i

x )  (0)( ) (1) ) với i 0 , 1 , ,Msymblayer 1 theo Bảng 1.3

Bảng 1.3: Bảng ánh xạ từ mã sang lớp cho ghép kênh không gian

layer symb symb

layer symb symb

layer symb symb

Hình 1.14: Ánh xạ lớp với 2 codeword và 4 layer

Hình 1.15: Ánh xạ lớp với 2 codeword và 8 layer

Hình 1.14 và Hình 1.15 mô tả ví dụ ánh xạ từ mã sang lớp cho trường hợp với

2 từ mã 4 lớp và 2 từ mã 8 lớp

Khối tiền mã trước khi thực hiện tạo symbol OFDM (Precoding): thực

hiện xắp xếp lại giản đồ chòm sao IQ sau điều chế sao cho đạt thông lượng cao nhất cho bên nhận nhiều ăng ten

Bảng 1.4: Các chế độ truyền dẫn đường xuống trong 3GPP phiên bản 12

Các chế độ truyền dẫn đường xuống trong LTE

1B 1 lớp (hạng 1),

2 hoặc 4 ăng ten ports 0,1 (…3)

ăng ten ảo, thực tế cấu hình ăng ten phụ thuộc vào hệ thống xử lý)

TM 3 – Open loop spatial multiplexing with CDD

Chế độ này hỗ trợ ghép kênh không gian của 2-4 lớp (ghép 2-4 ăng ten tương ứng) để đạt được tốc độ dữ liệu cao Nó yêu cầu ít hơn thông tin phản hồi của UE

về trạng thái kênh (không có chỉ số ma trận tiền mã hóa), và được dùng khi các thông tin kênh bị thiếu hoặc khi kênh nhanh chóng thay đổi, ví dụ cho UE di chuyển với vận tốc cao

Ngoài các tiền mã hóa theo quy định tại Bảng 1.5, tín hiệu được cung cấp cho tất cả các ăng-ten với một độ trễ nhất định (CDD), do đó tạo ra sự đa dạng tần số

Chúng ta chỉ tìm hiểu trường hợp có 2 ăng ten phát và 2 ăng ten thu theo TM3 Biểu đồ khối của khối tiền mã hóa được mô tả như hình 1.16

Hình 1.16: Biểu đồ khối precoding trong trường hợp MIMO 2x2

Chuỗi đầu ra được tính toán dựa vào biểu thức sau:

) ( )

( ) ( ) (

)

) 1 (

) 0 (

) 1 (

) 0 (

i x

i x U i D i W i y

i y

M  W(i) được tính tương ứng như bảng bên dưới:

Bảng 1.5: Codebook cho truyền tải trên port {0,1} của ăng ten

và báo cáo CSI dựa theo port {0,1} hoặc {15,16}

1 2

0 1 2 1

1 1 2 1

1 1 2 1

-

D(i) và U được tính tương ứng như bảng sau:

i j

3 4 3 2 1 1

1 1

1 3

j j

e e

e e

3 2 0 0

0 0

0 0

1

i j

i j

4 12 4 8 4 4

4 6 4 4 4 2

1 1 1

1 1

1 1 2 1

j

j j

j

j j

j

e e

e

e e

e

e e

4 4

4 2

0 0

0

0 0

0

0 0

0

0 0

0 1

i j

i j

i j

e e

e







Khối Generation OFDM : khối cuối cùng sinh ra các symbol OFDM từ các

symbol của khối Precoding và phát tra các ăng ten vào môi trường truyền sóng

1.4 Kết luận chương

Nghiên cứu và tìm hiểu về lịch sử phát triển của mạng 4G, chức năng của lớp vật lý với phần tử duy nhất eNB Nắm vững quá trình mã hóa kênh đường xuống cho kênh truyền tải và kênh vật lý từ eNB tới UE Đây là tiền đề quan trọng trong phần mô phỏng tiếp theo Tìm hiểu được ứng dụng của hệ thống MIMO-OFDM trong lớp vật lý của 4G

Chương 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 2.1 Hệ thống MIMO

2.1.1 Giới thiệu về MIMO

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là tuyến thông tin điểm-điểm với đa ăng ten tại phía phát và phía thu, có thể tăng đáng kể tốc

độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống Đây là những ưu điểm rất lớn trong điều kiện tài nguyên vô tuyến về tần số hạn hẹp hiện nay Tuy nhiên chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống ăng ten, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý số tín hiệu cũng tăng lên

Hình 2.1: Hệ thống MIMO

Hình 2.1 mô tả một hệ thống MIMO đơn giản gồm nhiều ăng ten phát, nhiều ăng ten thu, truyền tin theo đa đường có thể bị phản xạ qua các vật cản như nhà cao tầng,…Đặc tính nổi bật trong hệ thống MIMO là khả năng làm cho lan truyền đa đường, là khó khăn truyền thống của truyền thông vô tuyến trở thành lợi ích Điều này cải thiện quan trọng là không làm tăng phổ tần trong truyền thông vô tuyến Ý tưởng ở đằng sau MIMO là các tín hiệu trên các ăng ten phát tại một đầu cuối và các ăng ten thu tại một đầu cuối khác được kết hợp sao cho chất lượng tỉ lệ lỗi bit hoặc tốc độ dữ liệu của việc truyền thông cho mỗi người dùng sẽ được cải thiện Một điều kiện thuận lợi để tăng cường chất lượng dịch vụ mạng và hoạt động thu nhận Bản chất cốt lõi của hệ thống MIMO là xử lý tín hiệu không gian thời gian [3]

2.1.2 Kỹ thuật phân tập

Ý tưởng ra đời hệ thống MIMO là dựa vào các kỹ thuật phân tập do đó tìm hiểu các kỹ thuật phân tập giúp ta có cái nhìn sâu sắc hơn về MIMO Trong truyền thông không dây di dộng, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải tiến độ tin cậy của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần thiết Kỹ thuật phân tập yêu cầu nhiều bản sao tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau Điều này có nghĩa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm Vì vậy, sự kết hợp hợp

lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền

Có nhiều cách để đạt được phân tập:phân tập thời gian có thể thu được qua mã hoá (Coding) và xen kênh (Interleaving): phân tập tần số nếu đặc tính của kênh truyền là chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều ăng ten phát hoặc thu đặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn.Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể ứng dụng trong miền không gian, sự phân cực của ăng ten, miền tần số và miền thời gian Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, ta kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiều chiều (multi-demnsional diversity)

Có 3 kỹ thuật phân tập như sau

Phân tập không gian: còn gọi là phân tập ăng ten, sử dụng nhiều ăng ten

hoặc chuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các ăng ten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu không tương quan với nhau Yêu cầu về khoảng cách giữa các ăng ten tùy thuộc vào độ cao của ăng ten, môi trường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư

thừa trong miền không gian Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao do đó đây là một trong những kỹ thuật được áp dụng trong hệ thống mạng 4G

Phân tập tần số: sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một

thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví

dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số

Phân tập theo thời gian: có thể thu được qua mã hóa và xen kênh Trong

truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian Các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể.[3]

2.1.3 Nguyên lý cơ bản của MIMO

Xét hệ thống truyền thông đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) sử dụng nhiều ăng ten tại cả máy phát và máy thu: dưới môi trường đa đường với fading đa đường độc lập giữa mỗi cặp ăng ten truyền và nhận, thì hệ thống truyền thông vô tuyến MIMO

đạt được những độ lợi dung lượng đáng kể qua những hệ thống ăng ten đơn truyền thống bởi việc lợi dụng đa số những mô hình hiện tại trong ma trận kênh bên trong khe thời gian-tần số như nhau Hơn nữa những hệ thống MIMO đưa ra lợi thế phân tập quan trọng qua những hệ thống thông tin liên lạc không dây truyền thống bởi việc khai thác cả hai việc phân tập phát và phân tập thu nhờ sử dụng những sơ đồ

mã không gian-thời gian khác nhau Hai đặc tính này được liên hệ tới hai lớp khác nhau của MIMO tức là mã không gian-thời gian và ghép kênh không gian Lớp đầu tiên có thể cải thiện độ tin cậy đường truyền và lớp thứ hai tăng cường hệ số truyền của những hệ thống không dây

2.1.4 Ưu điểm của MIMO

Độ lợi mảng: Xem xét hệ thống MIMO với một ăng ten phát và hai ăng ten

thu (minh họa trong Hình 2.2) Hai ăng ten thu sẽ nhận những bản sao khác nhau, s1

và s2, của cùng một tín hiệu được phát s Tín hiệu s1 và s2có biên độ và pha khác nhau xác định bởi điều kiện lan truyền Nếu kênh dẫn được biết tại nơi thu, các kỹ thuật xử lý tín hiệu thích hợp có thể được áp dụng để kết hợp các tín hiệu s1 và

s2để công suất tín hiệu thu được tăng cường, ảnh hưởng đến việc cải thiện chất lượng tín hiệu Đặc biệt là SNR tại đầu ra là tổng của SNR của các tuyến nối cá nhân đơn lẻ Việc tăng lên trung bình công suất tín hiệu tại đầu thu được định nghĩa như là độ lợi mảng và tỉ lệ với số ăng ten thu.[3]

Hình 2.2: Độ lợi mảng

Độ lợi phân tập: Sử dụng phân tập trong hệ thống MIMO yêu cầu kết hợp

phân tập thu và phát Hệ thống MIMO bao gồm MxN liên kết SISO Nếu tín hiệu được phát thông qua mỗi tuyến liên kết này trải qua fading độc lập Khi đó bậc