công nghệ MIMO trong 4G-Lte

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VIỄN THÔNG II

-------------------------

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

NIÊN KHÓA: 2010-2015

Đề tài :

CÔNG NGHỆ MIMO TRONG LTE

NỘI DUNG - CHƢƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE

- CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MIMO

- CHƢƠNG III: MỘT SỐ MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO TRONG 4G LTE

- CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG

- CHƢƠNG V: TÓM TẮT LUẬN VĂN

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN TẤT THIÊM

MSSV : N102101107

Lớp : D10CQVT02-N

Giáo viên hƣớng dẫn : LÊ CHU KHẨN

i

MỤC LỤC .................................................................................................................................. i

MỤC LỤC HÌNH .................................................................................................................... iii

MỤC LỤC BẢNG .................................................................................................................... iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU ..................................................................... v

LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................................... 1

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE ............................................................... 2

1.1 Tổng quan ....................................................................................................................... 2

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE.................................................................................. 2

1.1.2 Mục tiêu về thiết kế ................................................................................................... 2

1.1.2.1 Tiềm năng công nghệ ........................................................................................... 2

1.1.2.2 Hiệu suất hệ thống ................................................................................................ 3

1.1.2.3 Quản lí tài nguyên vô tuyến .................................................................................. 4

1.1.2.4 Độ phức tạp .......................................................................................................... 5

1.1.2.5 Những vấn đề chung ............................................................................................. 5

1.1.3 Các thông số vật lý của LTE ................................................................................. 5

1.1.4 Dịch vụ của LTE ..................................................................................................... 6

1.2 Các nút cơ bản trong LTE ............................................................................................ 7

1.2.1 Chức năng của thiết bị sử dụng UE(user equipment) ......................................... 8

1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến RAN(Radio access network) ........................................ 8

1.2.2.1 Chức năng của thực thể quản lý di động MME ................................................... 8

1.2.2.2 Chức năng Evolved Node B (eNB ) ...................................................................... 9

1.2.3 Mạng lõi core CN (core network) ......................................................................... 9

1.2.3.1 Cổng dịch vụ (serving Gateway S-GW) ................................................................ 9

1.2.3.2 Cổng mạng dữ liệu gói P-GW (Packet Data Network-Gateway) ......................... 9

1.2.3.3 Chức năng chính sách và quy định tính phí PCRF. ............................................. 9

1.2.3.4 Máy chủ quản lý thuê bao thường trú (Home Subscriber Server HSS) ......... 10

1.2.4 Ứng dụng (application) ........................................................................................ 10

1.2.4.1 Dịch vụ đa phương tiện IMS (IP Mutimedia server) .......................................... 10

1.2.5 Đƣờng giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến ............................ 10

1.2.6 Đƣờng giao tiếp với cơ sở dữ liệu ngƣời dùng ................................................... 11

1.2.7 Cấu trúc chuyển vùng roaming .......................................................................... 12

1.2.8 Kết nối với các mạng khác .................................................................................... 13

1.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN ........................................................................... 13

1.3.1 Kênh vật lý ............................................................................................................ 13

1.3.2 kênh logic .............................................................................................................. 13

1.3.3 Kênh vận chuyển .................................................................................................. 14

CHƢƠNG II : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MIMO ................................................. 15

2.1 Tổng quan,khái niệm,ƣu,nhƣợc điểm của hệ thống MIMO ...................................... 15

2.1.1 Tổng quan,khái niệm về MIMO ......................................................................... 15

2.1.2 Ƣu điểm ................................................................................................................. 16

2.1.3 Nhƣợc điểm ........................................................................................................... 16

2.2 Một số khái niệm cơ bản trong MIMO.................................................................... 16

2.2.1 Tài nguyên vô tuyến ............................................................................................. 16

2.2.2 Các loại nhiễu ....................................................................................................... 16

ii

2.2.2.1 Nhiễu trắng Gaussian ......................................................................................... 16

2.2.2.2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) ................................................. 17

2.2.3 Fading .................................................................................................................... 17

2.2.4 Beamfomer - tạo búp sóng ,Beamforming-Kỹ thụật hƣớng búp sóng ............ 18

2.2.4.1 Beamfomer .......................................................................................................... 18

2.2.4.2 Beamforming ...................................................................................................... 19

2.2.5 Các khái niệm về phân tập. ................................................................................. 19

2.2.5.1 Phân tập tần số(Frequency Diversity) ............................................................... 20

2.2.5.2 Phân tập gian (Time Diversity) .......................................................................... 20

2.2.5.3 Phân tập không gian (Space Diversity) .............................................................. 20

2.2.5.4 Phân tập phân cực (Polarization Diversity) ....................................................... 21

CHƢƠNG III: MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO ....................................................................... 22

3.1 Mô hình MIMO tổng quát .......................................................................................... 22

3.2 Các mô hình hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân chia giá trị đơn SVD ........ 23

3.2.1 Mô hình kênh SVD MIMO .................................................................................. 23

3.2.2 Mô hình kênh SVD MIMO tối ƣu....................................................................... 26

3.2.3 Dung lƣợng kênh SVD MIMO ............................................................................ 27

3.2.4 Thuật toán water filling. ...................................................................................... 28

3.3 Các mô hình phân tập thu .......................................................................................... 29

3.3.1 Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc (SC) ......................................... 29

3.3.2 Mô hình phân tập anten thu kết hợp theo ngƣỡng (TC) .................................. 31

3.3.3 Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC) ............................... 31

3.3.4 Mô hình kết hợp với độ lợi bằng nhau (EGC) ................................................... 33

3.3.5 Kết quả mô phỏng và kết luận chung về các mô hình phân tập thu ............... 34

3.4 Mô hình phân tập phát ................................................................................................ 35

3.4.1 Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-time block code) .................. 35

3.4.1.1 Mô hình Alamouti ............................................................................................... 36

3.4.1.2 Mã hóa ................................................................................................................ 36

3.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu .............................................. 39

3.4.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét chung về phân tập phát. ................................. 40

3.4.4 Mô phỏng so sánh giữa phân tập phát và phân tập thu ................................... 41

3.5 Các mô hình MIMO ghép kênh không gian ............................................................. 41

3.5.1 D-BLAST (Diagonal-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian thời gian

phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo đường chéo). ........................................................... 42

3.5.2 V-BLAST (Vertical-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian thời gian

phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo chiều đứng). ............................................................ 43

3.5.3 W-STC (Wrapped STC: Mã không gian thời gian quấn nhau). ......................... 43

CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG.................................................................................................. 45

4.1 Giới thiệu ...................................................................................................................... 45

4.2 Chƣơng trình mô phỏng.............................................................................................. 45

4.3 kết quả mô phỏng.[10] ................................................................................................. 47

CHƢƠNG V : TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................. 48

PHỤ LỤC LÝ THUYẾT CƠ SỞ .......................................................................................... 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 53

iii

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 - Yêu cầu trễ mặt bằng trong LTE.

Hình 1.2 - Nút cơ bản trong LTE.

Hình 1.3 - Các đường giao tiếp giữa mạng lõi và mạng truy cập vô tuyến.

Hình 1.4 - Đường giao tiếp trong mạng lõi.

Hình 1.5 - Cấu trúc chuyển vùng truy cập với P-GW trong mạng nhà.

Hình 1.6 - Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS.

Hình 2.1 - Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu.

Hình 2.2 - Nhiễu trắng.

Hình 2.3 - Nhiễu liên ký tự ISI.

Hình 2.4 - Hiện tượng fading.

Hình 2.5 - Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau.

Hình 2.6 - Phân loại phân tập.

Hình 2.7- Phân tập theo tần số.

Hình 2.8- Phân tập theo thời gian..

Hình 2.9 - Các phương pháp phân tập.

Hình 2.10 - Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit..

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

Hình 3.2 - Xây dựng mô hình kênh SVD MIMO.

Hình 3.3 - Xây dựng kênh truyền SVD MIMO.

Hình 3.4 - Phân chia kênh fading phẳng MIMO thành các kênh fading phẳng song song

tương đương dựa trên SVD..

Hình 3.5 - Mô hình SVD MIMO tối ưu..

Hình 3.6 - Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc.

Hình 3.7 - Mô hình phân tập anten thu TC

Hình 3.8 - Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại

Hình 3.9 - Mô hình phân tập anten thu độ lợi bằng nhau EGC

Hình 3.10 – Độ cải thiện lỗi bit (BER) đối với các mô hình phân tập thu N_Rx =2

Hình 3.11 – Độ cải thiện lỗi bit (BER) đối với các mô hình phân tập thu N_Rx =4

Hình 3.12 – Sơ đồ phát của mô hình Alamouti

Hình 3.13 –Sơ đồ khối giải mã Alamouti sử dụng một anten thu.

Hình 3.14 - Kết quả mô phỏng các mô hình phân tập

Hình 3.15 – Kết quả mô phỏng Alamouti (2Tx_1Rx) và kỹ thuật phân tập thu MRC(1Tx_2Rx)

Hình 3.16 - Sơ đồ hệ thống SM với ba anten phát và ba anten thu

Hình 3.17 - 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-ST

Hình 3.18 - Tách lớp hai trong số bốn lớp của D-BLAST. B) Mã hóa V-BLAST.

.

iv

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1 - Mục tiêu thiết kế LTE .

Bảng 1.2 - Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng.

Bảng 1.3- Các thông số lớp vật lí của LTE.

Bảng 1.4 - Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp.

Bảng 1.5 - So sánh các dịch vụ của 3G với 4G LTE.

v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

3G

Third Generation Mobile

Communications System

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba

3GPP 3rd

Generation Partnership Project Đề án của các đối tác thế hệ ba

3GPP2 3rd

Generation Partnership Project 2 Đề án thứ 2 của các đối tác thế hệ ba

4G

Fourth Generation Mobile

Communication System

Hệ thống thông tin di động thế hệ bốn

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi

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

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

D-BLAST Diagonal-Bell-Labs Layered Space-

Time

Mã không gian thời gian phân lớp

phòng thí nghiêm Bell theo đƣờng

chéo

DOA Direction Of Arrival Tạo búp dựa trên phƣơng tới

E-RAN Evolved Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất phát

triển

E- UTRAN

EPC

Enhanced Universal Terrestrial

Radio Access Network

Evolved Packet Control

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn

cầu tăng cƣờng

Phát triển điều khiển gói dữ liệu

FEC

FDD

Forward Error Correction

Frenquency Division Duplex

Hiệu chỉnh lỗi trƣớc

Song công phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE

GPRS

GGSN

General Packet Radio Service

Gateway GPRS Support Node

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

Nút hỗ trợ cổng nối GPRS

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động lai ghép

HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy cập gói đƣờng xuống tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy cập gói đƣờng lên tốc độ cao

MM Management các hệ thống truy nhập

IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống đa phƣơng tiện IP

IMT International Mobile

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 phƣơng 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 phƣơng 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

MS Mobile Station Trạm gốc

OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực

vi

PDN

PDF

Multiplexing

Packet Data Network

Probability density function

giao

Mạng số dữ liệu gói

Hàm mật độ xác suất

PCRF Polcy and Charging Rules Function Chức năng các qui tắc tính cƣớc và

chính sách

PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch phase

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phƣơng

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Modulation

Điều chế khóa dịch pha cầu phƣơng

QoS

RF

RNC

Quality of Service

Radio frenquency

Radio Network Controler

Chất lƣợng dịch vụ

Tần số vô tuyến 3KHz-300GHz

Điều khiển mạng vô tuyến

RX Receiver Máy thu

SAE

SC-FDMA

System Architecture Evolution

Single Carrier -Frenquency Divison

Mutiplex Access

Phát triển kiến trúc hệ thống

Đa truy nhập phân chia đơn sóng

mang

SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần

SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu

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

SM Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian

SNR

SGSN

Signal to Noise Ratio

Serving GPRS Support Node

Tỷ số tín hiêu trên nhiễu

Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra

SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

TD-SDMA

TDD

Time Division-Synchronous Code

Division Multiple Access

Time Division Duplex

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng

bộ - phân chia theo thời gian

Song công phân chia theo thời gian

TX Transmitter Máy phát

UE User Equipment Thiết bị ngƣời sử dụng

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

UPE User Plan Entity Thực thể mặt phẳng ngƣời sử dụng

UTRA UMTS Teresstrial Radio Access Truy nhập vô tuyến UMTS

UTRAN UMTS Teresstrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

V-BLAST Vertical-Bell-Labs Layered Space-

Time

Mã không gian thời gian phân lớp

phòng thí nghiêm Bell theo chiều

đứng

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng

rộng

SVTH: NGUYỄN TẤT THIÊM Đ10CQVT02-N 1

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 có như vậy mới giảm kích thước và tăng thời gian hoạt động của các thiết bị MS

trong mạng không dây”. Do đó thúc đẩy hƣớng nghiên cứu phải cải tiến kỹ thuật điều chế

nhằm tăng hiệu suất giải mã cũng nhƣ chất lƣợng phổ của hệ thống không dây.

Kỹ thuật MIMO trong mạng vô tuyến gần đây thực sự nổi bật và nó là mô hình duy

nhất về băng rộng đáp ứng đƣợc thách thức trên, bởi MIMO đáp ứng đƣợc việc truyền tin trên

nhiều kênh khác nhau – việc này sẽ giúp chúng ta biểu diễn, mô phỏng hệ thống dƣới dạng

ma trận thu gọn và nhƣ 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 đƣợc áp dụng

nhằm:

- Tăng dung lƣợng (capacity) kênh.

- Tăng cƣờng khả năng chống phading.

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

phát và thu)

- Giảm mức công suất phát trên đƣờng 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.

Trong luận văn này, Em nghiên cứu một số mô hình MIMO ( Multiple Input Multiple

Output ) ứng dụng cho 4G. Luận văn tập trung nghiên cứu các mô hình MIMO với các khái

niệm cơ bản

Luận văn đã: Phân tích, đánh giá, hiệu năng một số mô hình MIMO khả dụng cho 4G dựa

trên các kết quả mô phỏng sau đó cũng đƣa ra bàn luận các kết quả này.

Nội dung các chƣơng trong luận văn đƣợc trình bày nhƣ sau:

Chƣơng I: Tổng quan hệ thống 4G LTE

Chƣơng II: Tổng quan về công nghệ

Chƣơng III: Một số mô hình MIMO trong 4G LTE

Chƣơng IV: Mô phỏng

Chƣơng V: Tóm tắt luận văn.

Để Em có được những kết quả như ngày hôm nay cũng như hoàn thành nội dung luận

văn tốt nghiệp, trước hết phải kể đến công lao đào tạo của tất cả các Thầy, Cô giáo trong mái

trường Học viện Công nghệ Bưu chính - Viễn thông, 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 Lê Chu Khẩn-

Người đã gợi ý cho Em hướng nghiên cứu của luận văn, hỗ trợ giúp đỡ Em 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.

Với năng lực và thời gian hạn chế Luận văn này không thể tránh khỏi những khiếm

khuyết. Em mong muốn nhận được sự chỉ bảo, góp ý chân thành của các Thầy Cô giáo.

CHƢƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE



1.1 Tổng quan

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là thế hệ mạng di dộng thứ tƣ của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ

thứ ba dựa trên WCDMA đã đƣợc triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh

cho hệ thống này, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bƣớc phát triển về lâu

dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu

cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng

linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở

và giảm đáng kể năng lƣợng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

1.1.2 Mục tiêu về thiết kế

-Bắt đầu các dịch vụ mới dựa trên những khả

năng mới

- Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng cao chất lƣợng

tính năng mạng

-cơ sở hạ tầng dịch vụ mới

-triển khai nhanh các dịch vụ mới

-kết nối và chuyển giao linh hoạt giữa nhiều hệ

thống truy nhập

-tốc độ truyền dẫn

-dung lƣợng hệ thống

-chi phí

-100Mb/s(tốc độ cao nhất của môi trƣờng di

động).1Gb/s (tốc độ tối đa của môi trƣờng trong

nhà)

-gấp 10 lần hệ thống 3G

-1/10 đến 1/100 trên mỗi bit truyền

-Thời gian trễ -50ms hoặc tối ƣu hơn

Bảng 1.1- mục tiêu thiết kế LTE

Những yêu cầu cho LTE đƣợc chia thành 7 phần khác nhau nhƣ sau:

Tiềm năng dung lƣợng

Hiệu suất hệ thống

Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

Quản lí tài nguyên vô tuyến

Độ phức tạp

Những vấn đề chung

1.1.2.1 Tiềm năng công nghệ

Yêu cầu đƣợc đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đƣờng xuống là 100Mbit/s và

cho đƣờng lên là 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 Mhz. Khi mà phân bố phổ

hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo.Nhƣ sẽ đƣợc thảo luận dƣới đây, LTE hỗ trợ

cả chế độ FDD và TDD. Rõ ràng, đối với trƣờng hợp TDD, truyền dẫn đƣờng lên và đƣờng

xuống theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời. Do đó mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh

cũng không thể trùng nhau đồng thời. Mặt khác, đối với trƣờng hợp FDD, đặc tính của LTE cho

phép quá trình phát và thu đồng thời đạt đƣợc tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý thuyết ở trên.

Yêu cầu về độ trễ đƣợc chia thành:

Trễ mặt phẳng điều khiển : xác định độ trễ của việc chuyển từ trạng thái thiết bị đầu cuối

không tích cực khác nhau sang trạng thái tích cực, khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể

gửi và nhận dữ liệu.



Có hai cách xác định:

Cách xác định thứ nhất đƣợc thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú

(camped state) chẳng hạn nhƣ trạng thái Release 6 Idle mode(chế độ không tải,nghỉ), khi

đó thì thủ tục chiếm 100ms.

Cách xác định thứ hai đƣợc thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ chẳng

hạn nhƣ trạng thái Release 6 Cell-PCH. Khi đó thì thủ tục chiếm 50ms.

- Chế độ Release 6 idle : là 1 trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không đƣợc nhận biết

đối với mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là mạng truy nhập vô tuyến không có bất cứ

thuộc tính nào của thiết bị đầu cuối và thiết bị đầu cuối cũng không đƣợc chỉ định một tài

nguyên vô tuyến nào. Thiết bị đầu cuối có thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe hệ

thống mạng tại những khoảng thời gian cụ thể.

- Trạng thái Release 6 Cell-PCH : là trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không đƣợc

nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến. Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết bị

đầu cuối đang ở trong tế bào nào những thiết bị đầu cuối lại không đƣợc cấp phát bất cứ

tài nguyên vô tuyến nào. Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế độ ngủ.

Trễ mặt phẳng ngƣời dùng đƣợc thể hiện qua thời gian để truyền một gói IP từ thiết bị

đầu cuối tới nút biên RAN. Thời gian truyền theo một hƣớng sẽ không vƣợt quá 5ms trong

mạng không tải (unloaded network), nghĩa là không có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện

trong tế bào.

.

Hình 1.1 - yêu cầu trễ mặt bằng trong LTE

Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết

bị đầu cuối di động ở trong trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần 5Mhz. Trong mỗi

phân bố rộng hơn 5Mhz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối đƣợc hỗ trợ.

1.1.2.2 Hiệu suất hệ thống

Các mục tiêu thiết kế công năng hệ thống LTE sẽ xác định lƣu lƣợng ngƣời dùng, hiệu suất

phổ, độ linh động, vùng phủ sóng và MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service: hỗ

trợ,cung cấp dịch vụ) nâng cao.

Yêu cầu lƣu lƣợng ngƣời dùng đƣợc định rõ theo hai điểm: vùng phủ và 5% của phân

bố ngƣời sử dụng (khi mà 95% ngƣời dùng có đƣợc chất lựợng tốt hơn). Mục tiêu hiệu

suất phổ cũng đƣợc chỉ rõ, và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ đƣợc định nghĩa là lƣu

lƣợng hệ thống theo tế bào tính theo bit/s/Mhz/cell. Những yêu cầu lƣu lƣợng này đƣợc

tổng hợp trong bảng 1.2



Phƣơng pháp đo hiệu suất Mục tiêu đƣờng xuống so

với cơ bản

Mục tiêu đƣờng lên so với

cơ bản

Lƣu lƣợng ngƣời dùng tại

biên tế bào(trên 1MHz)

3-4 lần 2-3 lần

Lƣu lƣợng ngƣời dùng tại

biên tế bào (trên 1 MHz)

2-3 lần 2-3 lần

Hiệu suất phổ(bit/s/Hz/cell) 3-4 lần 2-3 lần

Bảng 1.2 - Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết bị đầu cuối

di động.

- Tại tốc độ thấp, 0-15 km/h thì hiệu suất đạt đƣợc là tối đa, và cho phép giảm đi một ít

đối với tốc độ cao hơn.

- Tại vận tốc lên đến 120 km/h, LTE vẫn cung cấp hiệu suất cao và đối với vận tốc trên

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

- Tốc độ tối đa có thể quản lí đối với một hệ thống LTE có thể đƣợc thiết lập lên đến

350 km/h (hoặc thậm chí đến 500 km/h tùy thuộc vào băng tần). Một yếu tố quan trọng đặc

biệt là dịch vụ thoại đƣợc cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lƣợng mà

WCDMA/HSPA hỗ trợ.

Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi tế bào (bán kính), nghĩa là

khoảng cách tối đa từ vùng tế bào (cell site) đến thiết bị đầu cuối di động trong cell. Đối với

phạm vi tế bào lên đến 5 km thì những yêu cầu về lƣu lƣợng ngƣời dùng, hiệu suất phổ và

độ linh động vẫn đƣợc đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hƣởng bởi nhiễu. Đối với những

tế bào có phạm vi lên đến 30 km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lƣu lƣợng ngƣời dùng

và hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhƣng vẫn có thể chấp nhận đƣợc. Tuy

nhiên, yêu cầu về độ di động vẫn đƣợc đáp ứng. Khi mà phạm vi tế bào lên đến 100 km thì

không thấy có đặc tính kĩ thuật về yêu cầu hiệu suất nào đƣợc nói rõ trong trƣờng hợp này.

Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: broadcast (Quảng bá

Broadcast là thuật ngữ được sử dụng để mô tả cách thức truyền tin được gửi từ 1 điểm đến

tất cả các điểm khác. Trong trường hợp này, có 1 nguồn gửi nhưng thông tin được gửi đến

tất cả các nguồn nhận trong cùng 1 kết nối.) và unicast(Unicast là 1 thuật ngữ được sử

dụng để mô tả cách thức truyền tin được gửi từ 1 điểm đến 1 điểm khác. Trong trường hợp

này chỉ có 1 nguồn gửi và 1 nguồn nhận.). Nhìn chung, LTE sẽ cung cấp dịch vụ tốt hơn so

với những gì có trong phiên bản 6. Yêu cầu đối với trƣờng hợp broadcast là hiệu suất phổ

1 bit/s/Hz, tƣơng ứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300

kbit/s trong mỗi phân bố phổ tần 5 Mhz. Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ

một dịch vụ trên một sóng mang, cũng nhƣ là kết hợp các dịch vụ non-MBMS khác. Và nhƣ

vậy thì đƣơng nhiên đặc tính kĩ thuật của LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ

thoại và dịch vụ MBMS.

1.1.2.3 Quản lí tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lí tài nguyên vô tuyến đƣợc chia ra nhƣ sau:

- Hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end: yêu cầu một “dịch vụ phối hợp cải tiến”và các

yêu cầu về giao thức (bao hàm cả lớp báo hiệu cao hơn)cho các tài nguyên vô tuyến RAN

và các đặc tính RAN.



- Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn: yêu cầu rằng LTE RAN phải cung cấp

các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơn trên giao diện

vô tuyến

- Và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng nhƣ là quản lí chính sách thông qua các công nghệ

truy cập vô tuyến khác nhau: Yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hƣớng dẫn các đầu

cuối di động chuyển tới các công nghệ truy cập vô tuyến tƣơng ứng trong qua trình chuyển giao

giữa các cổng

1.1.2.4 Độ phức tạp

LTE bên cạnh phải thỏa mãn các hiệu năng yêu cầu,vấn đề mức độ phức tạp cũng phải

đƣợc giảm thiểu để ổn định hệ thống và tƣơng tác với các giai đoạn trƣớc.Điều này cũng cho

phép giảm giá thành thiết bị đầu cuối và UTRAN.

Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp của UTRA UE liên quan đến

kích thƣớc,trọng lƣợng và dung lƣợng acqui(chế độ chờ và chế độ tích cực) và các trạng thái

UE đơn giản hơn so với UMTS.nhƣng vẫn đảm bảo các dịch vụ tiên tiến của LTE.

1.1.2.5 Những vấn đề chung

Phần này đề cập đến những yêu cầu chung trong LTE về những khía cạnh liên quan đến

chi phí và dịch vụ. Rõ ràng, mong muốn đặt ra là giảm thiểu các chi phí trong khi vẫn duy trì

hiệu suất yêu cầu cho tất cả các dịch vụ. Các vấn đề về đƣờng truyền, hoạt động và bảo

dƣỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí. Nhƣ vậy không chỉ giao tiếp vô tuyến, mà việc truyền

tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lí cũng phải đƣợc xác định rõ. Một yêu cầu quan trọng về

giao tiếp nhiều nhà cung cấp (multi-vendor interfaces) cũng thuộc vào loại yêu cầu này.

1.1.3 Các thông số vật lý của LTE

Bảng 1.3- Các thông số lớp vật lí của LTE



Bảng 1.4 - Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

1.1.4 Dịch vụ của LTE

Qua việc kết nối của đƣờng truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu suất sử dụng

phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng hơn. Đối

với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc

và nội dung đa phƣơng tiện. Tất cả các dịch vụ sẽ cần lƣu lƣợng lớn hơn để đáp ứng đủ chất

lƣợng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của ngƣời dùng về đƣờng truyền TV độ rõ nét cao.

Đối với khách hàng là doanh nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lƣợng video hội

nghị tốt

Dọc theo sự bảo đảm về thƣơng mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực nhƣ

game đa ngƣời chơi và chia sẻ tập tin

Dịch vụ 3G 4G

Thoại (rich voice) Âm thanh thời gian thực. VoIP.video hội nghị chất

lƣợng cao.

Tin nhắn Sms,MMS,các email ƣu tiên

thấp(low priority emails).

Photo các tin nhắn,IM,email

di động,tin nhắn video.

Lƣớt web

Truy cập các dịch vụ wap

thông qua GPRS và mạng

3G.(access to online

information services,for

which users pay standard

network rates.curently limited

to wap browsing over GPRS

and 3G networks).

Duyệt siêu nhanh(supper-

online trực tuyến,trình duyệt

fast browsing),uploading

content to social networking

sites.

Thông tin cƣớc phí(paid

Ngƣời dung trả qua hoặc trên

Thông tin dựa trên tạp chí



information) mạng tính cƣớc chuẩn,chủ

yếu là dựa trên thông tin văn

bản.

trực tuyến.

Games Tải về và trò chơi trực tuyến. Chơi trò chơi phù hợp cả cố

định và mạng di động

Video/tv theo yêu cầu Xem trực tuyến hoặc có thể

tải về.

Dịch vụ phát sóng truyền

hình tivi theo yêu cầu với

chất lƣợng cao.

Nhạc Theo dõi tải đầy đủ và dịch

vụ phát thanh.

Lƣu trữ và tải nhạc chẩt

lƣợng cao.

Thƣơng mại

hóa

Thanh toán cơ sở vật chất

thông qua mạng di dộng.

Điện thoại cầm tay nhƣ thiết

bị thanh toán, với các chi tiết

thanh toán qua mạng tốc độ

cao để cho phép các giao

dịch thực hiện nhanh chóng.

Mạng dữ liệu

di động

Truy cập đến các mạng nội

bộ và cơ sở dữ liệu cũng nhƣ

cách sử dụng các ứng dụng

Chuyển đổi file P2P(peer-to-

peer:chia sẻ ngang hàng).các

ứng sụng kinh doanh,chia

sẻ,giao tiếp M2M

Bảng 1.5 - So sánh các dịch vụ của 3G với 4G LTE

1.2 Các nút cơ bản trong LTE

Hình 1.2 - Nút cơ bản trong LTE

- S1- Tổ chức quản lý di động ( MME ) : đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu giữa các

ENodeB ( eNB ) và MME.

- S1-U : Xác định mặt phẳng ngƣời sử dụng giữa eNB và cổng dịch vụ.

- S10 : Đƣợc sử dụng bởi MMEs để hỗ trợ thay đổi MME.

- X2 : Đƣợc sử dụng để hỗ trợ nội MME chuyển giao mà không bị mất gói tin.



- S11 : Đƣợc sử dụng bởi các MME để điều khiển đƣờng chuyển mạch và thành lập cổng

dịch vụ và cổng PDN.

- S6a : Đƣợc sử dụng bởi các MME để lấy dữ liệu từ máy chủ thuê bao thuê bao ( HSS ).

- SGI : Giao diện vào IP PDN . Đây là nơi tiếp xúc giữa IP nhìn thấy với địa chỉ IP UE.

- S8 : Tƣơng tự nhƣ S5 ngoại trừ việc nó đƣợc sử dụng trong kịch bản chuyển giao.

- Rx : Đƣợc sử dụng bởi các chức năng ứng dụng,chẳng hạn nhƣ IMS P- CSCF

(Call/Session Control Functions - Khối chức năng điều khiển phiên cuộc gọi Proxy-CSCF:

Có vai trò một outbound SIP proxy. Tất cả yêu cầu xuất phát hoặc gửi đến IMS đều phải

chuyển giao qua nó sau đó nó thực hiện chuyển tiếp các bản tin SIP. Để kết nối với hệ thống

IMS, ta phải đăng kí với nhà mạng mà P-CSCF kết nối. Ngoài ra P-CSCF còn có các chức

năng liên quan đến bảo mật và nén báo hiệu. Nó thiết lập một số liên kết bảo mật với các thiết

bị đầu cuối của mình nhằm trao đổi các thông tin giao thức SIP một cách toàn vẹn. Các thiết

bị đầu cuối và P-CSCF có thể liên lạc thông qua một liên kết vô tuyến với băng thông thấp.

Ngoài ra nó còn có khả năng xác thực nhận dạng thông tin của khách hàng và gửi tới các node

khác trong mạng, nhờ đó mà các node khác không cần phải xác thực lại và có thể sử dụng trực

tiếp các thông tin đó để sử dụng cho việc cung cấp các dịch vụ để chuyển tải chính sách dữ

liệu tới các PCRF.

1.2.1 Chức năng của thiết bị sử dụng UE(user equipment)

Chứa USIM(Universal Subscriber Identity Module) là thẻ nhớ thông minh sử dụng

trên điện thoại di động, lƣu trữ những thông tin nhƣ số điện thoại, mã số mạng di động, số

PIN, số điện thoại cá nhân và các thông tin cần thiết khác khi sử dụng điện thoại.

Hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng.

Màn hình vô tuyến và vận hành chuyển tải tới kênh phát triển nodeB.

Hỗ trợ các giao diện đƣờng lên LTE và đƣờng xuống giao tiếp không khí.

1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến RAN(Radio access network)

1.2.2.1 Chức năng của thực thể quản lý di động MME (Mobility

Management Entity)

MME là node điều khiển quan trọng của mạng truy nhập LTE. điều khiển các Node xử

lí tín hiệu giữa UE và CN. Giao thức giữa UE và CN là Non-Access Stratum (NAS).Chức năng

chính của MME bao gồm:

MME cung cấp chức năng chuyển đổi tính lƣu động giữa LTE và mạng truy

nhập 2G/3G.

Trạng thái UE rỗi – Idle theo dõi và khả năng liên lạc (bao gồm điều khiển và thực

hiện các chuyển tiếp tìm gọi).

Nó chịu trách nhiệm nhận thực các user (bằng cách tƣơng tác với HSS – Home

Subscriber Service) và định vị các UE.

MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịch mật mã, bảo vệ toàn diện

cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật.

http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%87n_tho%E1%BA%A1i_di_%C4%91%E1%BB%99ng

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=S%E1%BB%91_PIN&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=S%E1%BB%91_PIN&action=edit&redlink=1

http://tudien.vntelecom.org/Special:Search/2G

http://tudien.vntelecom.org/Special:Search/3G

http://tudien.vntelecom.org/Special:Search/HSS



1.2.2.2 Chức năng Evolved Node B (eNB )

Là trạm thu gốc đƣợc tăng cƣờng mới, có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP.

Nó là một BTS đƣợc tăng cƣờng cung cấp giao diện không gian LTE và thực hiện quản lý tài

nguyên vô tuyến cho hệ thống truy nhập tiên tiến. Nó bao gồm các chức năng sau :

Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến,điều khiển và kiểm soát sóng vô tuyến.

Nén tiêu đề IP và mã hoá dòng dữ liệu ngƣời sử dụng.

Sự chọn lọc cho một MME tại thời điểm UE (User Equipment) không có định tuyến

tới một MME nào thì nó có thể xác định từ thông tin đƣợc cung cấp bởi UE.

Định tuyến dữ liệu mặt phẳng ngƣời sử dụng (user plane) hƣớng tới cổng dịch vụ

Serving Gateway.

1.2.3 Mạng lõi core CN (core network)

1.2.3.1 Cổng dịch vụ (serving Gateway S-GW)

Là một node kết thúc trong giao diện hƣớng tới EUTRAN,chức năng của S-GW bao

gồm:

Nhƣ một trạm di động địa phƣơng để cung cấp các thông báo dữ liệu khi UE di

chuyển giữa các Node B (eNB) nó cũng cung cấp các trạm di động để kết nối liên mạng với

các kĩ thuật khác của 3GPP nhƣ GPRS và UMTS.

Giữ thông tin về các thông báo khi UE trong tình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho

dữ liệu hƣớng xuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE

Khi các UE ở trạng thái rỗi,S-GW kết thúc đƣờng dữ liệu Dowlink và kích hoạt tìm

gọi khi dữ liệu Dowlink chuyển tới UE

Tất cả các gói IP ngƣời dùng đƣợc chuyển đi thông qua S-GW(định tuyến và chuyển

tiếp gói tín).

Tính phí trên mỗi đƣờng hƣớng xuống và hƣớng lên trên mỗi thiết bị ngƣời dùng,nút

dữ liệu gói(PDN) và nhận dạng lớp chất lƣợng dịch vụ (QoS).

1.2.3.2 Cổng mạng dữ liệu gói P-GW (Packet Data Network-Gateway)

PDN GW cung cấp kết nối cho UE tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểm

vào ra của lƣu lƣợng cho UE,một UE có thể đồng thời kết nối với nhiều hơn một P-GW .nó

có các chức năng sau:

Chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE(gán IP từ mạng PDN vào UE)

Hỗ trợ tinh cƣớc.

Lọc gói cho mỗi ngƣời dùng (per-user packet).

Ngăn chặn hợp pháp (lawful interception)(cung cấp khả năng kết nối bảo mật giữa các

UE đƣợc kết nối từ một mạng truy nhập không tin cậy).

1.2.3.3 Chức năng chính sách và quy định tính phí PCRF(policy and charging

rules Function).

PCRF là nút phần mềm đƣợc chỉ định trong thời gian thực để xác định các quy tắc

chính sách trong một mạng đa phƣơng tiện .

Giao diện với các chức năng ứng dụng nhƣ proxy- chức năng điều khiển cuộc gọi

hoặc các ứng dụng chính sách kích hoạt khác.

Trong thời gian thực , hỗ trợ việc tạo ra các quy tắc và sau đó tự động đƣa ra quyết

định chính sách cho mỗi thuê bao đang hoạt động trên mạng . Một mạng lƣới nhƣ vậy có

thể cung cấp nhiều dịch vụ , chất lƣợng dịch vụ ( QoS ) cấp, và các quy tắc tính cƣớc.

http://tudien.vntelecom.org/Special:Search/BTS

http://tudien.vntelecom.org/Special:Search/IP

http://tudien.vntelecom.org/Special:Search/UE



1.2.3.4 Máy chủ quản lý thuê bao thường trú (Home Subscriber Server HSS)

HSS là một trung tâm lƣu trữ của tất cả các thuê bao trong phạm vi của HSS.

Nó có chức năng chính sau :

Lƣu giữ và bảo mật mọi thông tin liên quan đến ngƣời sử dụng.

Vecto xác thực và khóa bảo mật cho mỗi UE.

Địa chỉ của đơn vị phục vụ quản lý di động hiện nay (MME).

1.2.4 Ứng dụng (application)

1.2.4.1 Dịch vụ đa phương tiện IMS (IP Mutimedia server)

IP Mutilmedia System (IMS) là một kiến trúc gồm nhiều chức năng đƣợc gắn kết với

nhau thông qua các giao tiếp đã đƣợc chuẩn hóa nhằm cung cấp các dịch vụ đa phƣơng tiện

qua vùng chuyển mạch gói IP cơ bản. IMS đƣợc coi nhƣ kiến trúc cho việc hội tụ mạng

thoại,dữ liệu và di động.

Sử dụng các giao thức:

Giao thức SIP (Session Initiation Protocol): là giao thức thuộc lớp ứng dụng đƣợc sử

dụng cho việc thiết lập, điều khiển và kết nối các phiên đa phƣơng tiện trong một mạng IP.

Giao thức DIAMETER: là giao thức cho việc nhận thực, cấp phép và tính cƣớc.

Theo chuẩn 3GPP kiến trúc IMS đƣợc chia làm 3 mặt phẳng:

- Mặt phẳng ứng dụng: Bao gồm máy chủ ứng dụng AS(Application Server) và các

máy chủ thuê bao thƣờng trú HSS.

- mặt phẳng truyền tải: Bao gồm thiết bị ngƣời dùng (User Equipment-UE), các giao

tiếp kết nối vào mạng lõi IP.

- mặt phẳng điều khiển : Gồm mạng lõi IMS

Ƣu điểm của IMS:

1. Có thể tích hợp nhiều dịch vụ trong 1 dịch vụ, ví dụ nhƣ vừa chát vừa nhận e-mail

và voIP trên cùng 1 nền web.

2. Dịch vụ độc lập với cơ sở hạ tầng, làm cho ta có thể dễ dàng triển khai nhanh chóng thêm

dịch vụ mới

3. Có cơ chế hỗ trợ QoS, giúp đỡ các địa chỉ IP có cơ chế best effort, đảm bảo chất lƣợng các

dịch vụ nhƣ VoIP, VoD,..

1.2.5 Đƣờng giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến

Nút Gateway giữa mạng truy nhâp vô tuyến và mạng lõi đƣợc phân ra thành hai thực thể

luận lí:

Serving Gateway (Serving-GW).

Mobility Manager Entity (MME).

http://tudien.vntelecom.org/Special:Search/voIP

http://tudien.vntelecom.org/Special:Search/QoS



Hình 1.3- các đường giao tiếp giữa mạng lõi và mạng truy cập vô tuyến

Trong thực tế, cả hai thành phần luận lí này có thể đƣợc thực hiện trên cùng một thiết bị phần

cứng hoặc có thể đƣợc tách ra để có thể tăng giảm kích cỡ độc lập với nhau. Bởi vì đƣờng giao

tiếp S1 đƣợc dùng cho cả dữ liệu ngƣời dùng (nối với Serving_GW) lẫn dữ liệu báo hiệu

(nối với MME), nên kiến trúc của các giao thức tầng cao hơn đƣợc phân ra thành hai bộ giao

thức khác biệt: S1-MME và S1-U.

- Giao thức S1-MME (điều khiển) đƣợc dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa

một UE và MME. Các thông điệp này đƣợc trao đổi qua các kênh "non-IP" đặc biệt trên giao

tiếp vô tuyến rồi sau đó đƣợc eNodeB đặt vào trong các gói IP trƣớc khi chúng đƣợc gửi

chuyển tiếp đến MME. Tuy nhiên, dữ liệu ngƣời dùng đã đƣợc truyền với tính cách các gói IP

qua giao tiếp vô tuyến, và chúng đƣợc gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (ngƣời dùng) đến

Serving-GW.

Nếu MME và Serving-GW đƣợc thực hiện riêng biệt, đƣờng giao tiếp S11 sẽ đƣợc dùng để

liên lạc giữa hai thực thể đó. Cần có sự liên lạc giữa hai thực thể đó,

Ví dụ nhƣ: Để tạo ra các kênh truyền khi ngƣời dùng nối vào mạng, hoặc để sửa đổi một

đƣờng hầm khi một ngƣời dùng nào đó di chuyển từ cell này sang cell khác. Không giống nhƣ

các mạng vô tuyến không dây trƣớc đó, khi một Gateway của mạng truy nhập (SGSN) chịu

trách nhiệm đối với một số RNC nhất định và mỗi RNC đến lƣợt nó lại chịu trách nhiệm đối

với một số trạm cơ sở nhất định, đƣờng giao tiếp S1 hậu thuẫn một kiến trúc nối kết mắt lƣới

(mesh). Thế có nghĩa là không phải chỉ một mà là vài MME và Serving-GW có thể liên lạc với

từng eNodeB, và số lƣợng MME và Serving-GW có thể khác biệt. Điều này làm giảm số lƣợng

các cuộc liên chuyển giao -MME khi nguời dùng di chuyển, và cho phép số lƣợng MME phát

triển độc lập với số lƣợng Serving-GW, bởi vì dung lƣợng của MME lệ thuộc vào tải trọng

báo hiệu, còn dung lƣợng của Serving-GW lệ thuộc vào tải trọng dữ liệu truyền của ngƣời

dùng. Những dung lƣợng này có thể phát triển khác nhau qua thời gian. Một kiến trúc mắt lƣới

của giao tiếp S1 cũng bổ sung tính dự phòng cho mạng. Nếu một MME hỏng, thì một MME

thứ hai có thể tự động tiếp quản nếu nó đƣợc cấu hình để phục vụ những cell giống nhƣ MME

kia. Tác hại duy nhất của một cơ chế khôi phục tự động khi gặp hỏng hóc nhƣ vậy là, những

ngƣời dùng đƣợc phục vụ bởi MME hỏng phải đăng kí lại với mạng. Những khả năng mắt lƣới

của giao tiếp S1 đƣợc dùng trong thực tế nhƣ thế nào là tùy thuộc vào chính sách của các nhà

cung cấp dịch vụ mạng và vào kiến trúc của mạng vận chuyển bên dƣới.

1.2.6 Đƣờng giao tiếp với cơ sở dữ liệu ngƣời dùng

Một đƣờng giao tiếp quan trọng nữa trong các mạng lõi LTE là đƣờng giao tiếp S6 nối

giữa các MME và cơ sở dữ liệu lƣu trữ thông tin thuê bao.



Hình 1.4- đường giao tiếp trong mạng lõi

Trong UMTS/GPRS/GSM, cơ sở dữ liệu này đƣợc gọi là HLR (Home Location

Register).

Trong LTE, HLR đƣợc sử dụng lại và đƣợc đổi tên thành HSS (Home Subscriber

Server). Về cơ bản, HSS là một HLR cải tiến, và chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS,

UMTS, LTE. Đƣờng giao tiếp S6 dùng giao thức Diameter [9,1.2.4.1] dựa trên IP. HSS là một

cơ sở dữ liệu kết hợp, và nó đƣợc sử dụng đồng thời bởi các mạng GSM, UMTS và LTE

thuộc cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng. Vì thế, ngoài đƣờng giao tiếp S6 dành cho LTE

ra, nó tiếp tục hậu thuẫn đƣờng giao tiếp MAP truyền thống.

1.2.7 Cấu trúc chuyển vùng roaming

Một mạng hoạt động trong một quốc gia đƣợc gọi là mạng di động mặt đất công cộng

PLMN (Public Land Mobile Network). Chuyển vùng, nơi ngƣời dùng đƣợc cho phép kết nối

đến các PLMN khác, là một điểm nổi bật của mạng di động, và LTE/SAE cũng không phải là

ngoại lệ. Khi ngƣời sử dụng chuyển vùng, họ sẽ đƣợc kết nối đến E-UTRAN, MME và S-GW

của mạng LTE khách.Tuy nhiên, LTE/SAE chỉ cho phép sử dụng P-GW hoặc của mạng

khách hoặc của mạng nhà.Sử dụng P-GW mạng nhà cho phép ngƣời sử dụng truy cập các

dịch vụ của mạng nhà ngay khi đang ở trong mạng khách. Một P-GW trong mạng khách cho

phép ngắt cục bộ (local breakout) đối với mạng Internet trong mạng khách.

Hình 1.5 - Cấu trúc chuyển vùng truy cập với P-GW trong mạng nhà

HSS PCRF

PDN

Gateway

Operato’r

IP Services

MME

Serving

Gateway

E-

UTRAN UE

S6a

Rx Gx

S8

S1-U

S11 S1-MME

SGi

LTE-

Uu

VPLMN

HPLMN



1.2.8 Kết nối với các mạng khác

EPS cũng hỗ trợ kết nối và chuyển giao với các mạng dùng kĩ thuật truy cập vô tuyến

khác nhƣ GSM, UMTS, CDMA2000 và WIMAX. Kiến trúc đó đƣợc chỉ ra trên hình.

Hình 1.6- Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS

S-GW hoạt động nhƣ một trạm di động (mobility anchor) dùng để kết nối với các kĩ thuật

3GPP nhƣ GSM và UMTS trong khi P-GW cho phép kết nối với các mạng không phải của

3GPP nhƣ CDMA 2000 hay WIMAX.

1.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN

1.3.1 Kênh vật lý

Các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu ngƣời dung bao gồm:

PDSCH (Physical Downlink Shared Channel)

PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)

PUCCH (Physical Uplink Control Channel)

PDCCH (Physical Downlink Control Channel)

PBCH (Physical Broadcast Channel)

1.3.2 kênh logic

Đƣợc định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:

Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Đƣợc sử dụng để truyền thông tin điều khiển hệ

thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell. Trƣớc khi truy nhập hệ thống, đầu cuối di

động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết đƣợc hệ thống đƣợc lập cấu hình nhƣ thế nào,

chẳng hạn băng thông hệ thống.

Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : đƣợc sử dụng để tìm gọi các đầu cuối di động vì

mạng không thể biết đƣợc vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế cần phát các bản tin tìm gọi

trong nhiều ô (vùng định vị).

Kênh điều khiển riêng (DCCH) : đƣợc sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới một

đầu cuối di động. Kênh này đƣợc sử dụng cho cấu hình riêng của các đầu cuối di động chẳng

hạn các bản tin chuyển giao khác nhau.

Kênh điều khiển đa phƣơng (MCCH) : đƣợc sử dụng để truyền thông tin cần thiết để

UTRAN

PDN

Gateway

Serving

Gateway

MME

3G-SGGN

E-

UTRAN UE

S3

S4 S11

S1-MME

S1-u S5/S8

LTE

-Uu



thu kênh MTCH.

Kênh lƣu lƣợng riêng (DTCH) : Đƣợc sử dụng để truyền số liệu của ngƣời sử dụng

đến một đầu cuối di động. Đây là kiểu logic đƣợc sử dụng để truyền tất cả số liệu đƣờng lên

của ngƣời dùng và số liệu đƣờng xuống của ngƣời dùng không phải MBMS.

Kênh lƣu lƣợng đa phƣơng (MTCH) : Đƣợc sử dụng để phát các dịch vụ MBMS.

1.3.3 Kênh vận chuyển

Kênh quảng bá (BCH) : Có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung cấp. Nó

đƣợc sử dụng để phát thông tin trên kênh logic.

Kênh tìm gọi (PCH) : Đƣợc sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh PCCH, PCH

hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm công suất ắc quy bằng cách

ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trƣớc.

Kênh chia sẻ đƣờng xuống (DL-SCH) : Là kênh truyền tải để phát số liệu đƣờng

xuống trong LTE. Nó hỗ trợ các chức năng của LTE nhƣ thích ứng tốc độ động và lập biểu

phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số. Nó cũng hổ trợ DRX để giảm tiêu thụ

công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống nhƣ cơ chế CPC

trong HSPA. DL-DCH TTI là 1ms.

Kênh đa phƣơng (MCH) : Đƣợc sử dụng để hỗ trợ MBMS. Nó đƣợc đặc trƣng bởi

khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh. Trong trường hợp phát đa ô sử dụng

MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải đƣợc điều phối giữa các ô tham gia

phátMBS.

CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MIMO


CHƢƠNG II : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MIMO

2.1 Tổng quan,khái niệm,ƣu,nhƣợc điểm của hệ thống MIMO

2.1.1 Tổng quan,khái niệm về MIMO

Hiệu năng kém và dung lƣợng bị giới hạn của kênh truyền trong truyền dẫn không

dây,do đó ta cần nâng cấp gói số lƣợng nhiều hơn 1 bit/Hz.Đó cũng giống nhƣ một vấn đề của

hệ thống MIMO là hình ảnh sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu.

Trên thực tế sự hoạt động kém hiệu quả của kênh truyền không dây do hiệu ứng fading đa

đƣờng.MIMO lợi dụng sự đa đƣờng này để ta tăng tín hiệu SNR.MIMO cung cấp cơ bản 3

tính năng sau :

- Beamforming-kỹ thuật hƣớng búp sóng :nó cho phép anten chỉnh theo hƣớng thích hợp để

đạt đƣợc SNR tốt hơn bằng cách tăng công suất thu.

- Phân tập không gian- tín hiệu máy phát đƣợc mã hóa trong không gian cũng nhƣ trong

miền thời gian với một số dự phòng để cải thiện BER hiệu suất của hệ thống.

- Ghép kênh không gian- tập hợp các dòng dữ liệu đƣợc truyền song song từ anten khác

nhau và xử lý tín hiệu thích hợp đƣợc sử dụng ở máy thu để tách các dòng dữ liệu này.

Có rất nhiều Viện nghiên cứu, nhóm nghiên cứu, phòng thí nghiệm đã tập chung

nghiên cứu rất sâu sắc về MIMO bởi ngƣời ta cho rằng: công nghệ MIMO thực sự là nền tảng

của hệ thống 3G, 4G và các mạng không dây khác.

Cũng ngay từ những năm 90, nhóm nghiên cứu gồm Greg Raleigh và VK Jones đã

chỉ ra những đặc tính, ƣu điểm của: “truyền sóng vô tuyến đa đường” (Radio transmission

multipath)- đây là một phƣơng thức truyền sóng mà trƣớc đó ngƣời ta thƣờng quan niệm: Khi

truyền sóng đa đƣờng sẽ làm suy yếu sóng vô tuyến tại phía thu. Nhƣng 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 đƣờng truyền riêng

biệt thì chúng ta có thể định tuyến các đƣờng truyền này và tách chúng ra thành các “đường

truyền ảo” . Một kênh có nhiều đƣờng truyền ảo nhƣ trên thì cũng có thể coi là “một bó các

đường truyền ảo”. Để tận dụng bó các đƣờng ảo này trong khi truyền dữ liệu ngƣời 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 đƣợc 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 đƣợc dùng để truyền các luồng số liệu tốc độ thấp này một cách

đồng thời.

Trong các hệ vô tuyến tín hiệu phát đƣợc phát ra theo rất nhiều đƣờng nhƣ vậy phải

dùng các bộ định tuyến để định tuyến đƣợc “ bó các đường truyền ảo” này. Khi nói đến khái

niệm “các đường” thì giữa những đƣờng này phải có “khoảng cách” hay “khe hở”, nhƣ vậy

tín hiệu hoàn toàn có thể nhảy từ đƣờng này sang đƣờng kia khi chúng đƣợc truyền đi nhƣ

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 đƣợc thành tín hiệu nguyên

thủy ban đầu nhƣ phía phát.

Năm 1998 Phòng thí nghiệm Bell nghiên cứu đƣa ra mô hình ghép kênh không gian

(spatial multiplexing) nhằm cải tiến hiệu suất hệ MIMO.



Nhƣ vậy ta có thể định nghĩa MIMO trong hệ thống thông tin vô tuyến nhƣ 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 2.1 -Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu

2.1.2 Ƣu điểm

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

Tăng dung lƣợng (capacity) kênh truyền do đó có thể tăng đƣợc tốc độ dữ liệu.

Tăng cƣờng khả năng chống phading thậm chí phần nào khai thác đƣợc nó.

Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hƣớng phát xạ không tại cả

máy phát và thu).

Giảm mức công suất phát trên đƣờng 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.

2.1.3 Nhƣợc điểm

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.

2.2 Một số khái niệm cơ bản trong MIMO

2.2.1 Tài nguyên vô tuyến

Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia,do đó nó cần sử dụng một cách

có hiệu quả nhất.tài nguyên vô tuyến ở đây có thể đƣợc hiểu là các dải tần số đƣợc cấp phát

giới hạn và cố định cho một mục đích cụ thể nào đó nhƣ truyền hình phát thanh,thông tin di

động…Vì vậy,để sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả ngƣời ta đã đƣa ra các

phƣơng pháp ghép kênh khách nhau nhƣ TDM,FDD,TDD,OFDM…

2.2.2 Các loại nhiễu

2.2.2.1 Nhiễu trắng Gaussian

Nhiễu trắng là một loại tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín

hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông.Chúng ta không thể tạo ra

nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩa của nó,nhiễu trắng có mật độ công suất

Máy phát Máy thu

1TX

2TX

NtTX

1RX

2RX

NrRX

1.1h

1,2h

1,Nrh



phân bố trong khoảng tần vô hạn và do vậy nó cũng phải có công suất vô hạn.lƣu ý rằng nhiễu

Gaussan là nhiễu có phân bố biên độ theo hàm Gaussian

Hình 2.2- Nhiễu trắng

2.2.2.2 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)

Hình 2.3 - Nhiễu liên ký tự ISI

Do ảnh hƣởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gausian trắng cộng.ISI gây ra do trải trễ

đa đƣờng.Trong môi trƣờng truyền đa đƣờng,kí tự phát đến đầu thu của máy thu với các

khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đƣờng khác nhau.Sự mở rộng của chu kỳ kí tự

gây ra sự chồng lấn giữa kí tự hiện thời với kí tự trƣớc đó và kết quả là có nhiễu liên kí

tự(ISI).

Để giảm đƣợc nhiễu ISI thì hệ thống OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song

nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một kí tự lên nhiều lần.Ngoài ra,OFDM còn

chèn thêm một khoảng bảo vệ(guard interval-GI),thƣờng lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh

truyền,giữa hai kí tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn.

2.2.3 Fading

Fading là hiện tƣợng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thƣờng xảy ra đối với các hệ

thống vô tuyến do tác đông của môi trƣờng truyền dẫn.

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất nhƣ:

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn.

- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nƣớc, mƣa, tuyết, sƣơng mù...sự hấp thụ này

phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz).

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí.

- Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trƣờng hợp có bề măt nƣớc và sự

phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự

truyền lan đa đƣờng.

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chƣớng ngại trên đƣờng truyền lan sóng điện từ,

gây nên hiện tƣợng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận đƣợc là tổng của

rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đƣờng. Hiện tƣợng này đăc biệt quan trọng trong thông

tin di động.

Fading phẳng(flat fading) xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của

tín hiệu.Do các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần tín hiệu hẹp(hẹp hơn độ rộng

kênh truyền) nên chịu ảnh hƣởng của flat fading.ảnh hƣởng của flat fading tác động lên

toàn bộ dải tín hiệu truyền trên kênh là nhƣ nhau.



Fading lựa chọn tần số xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh

tryền.Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn(lớn hơn độ rộng kênh)

sẽ chịu tác động của selective fading.tác hại lớn nhất là gây nhiễu lên kí tự ISI.để khắc

phục nó,ngƣời ta sử dụng một số biện pháp nhƣ phân tập,sử dụng mã sửa lỗi để giảm

BER…

Fading chậm (slow fading)Do ảnh hƣởng của các vật cản trở trên đƣờng truyền.VD:

Tòa nhà cao tầng,đồi.. làm cho biên độ tín hiệu suy giảm,còn gọi là hiệu ứng bóng

râm(shadowing).Hiện tƣơng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn,nên tốc độ biến đổi

chậm.

Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler,nguyên nhân là có sự

chuyển động tƣơng đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thy đƣợc sẽ bị dịch đi

delta f so với tần số phát tƣơng ứng.mức độ dịch tàn sẽ thay đổi theo vận tốc tƣơng đối (v)

giữa máy phát và thu(tại cùng một thời điểm phát).do đó hiện tƣợng này gọi là fading

nhanh.

Hình 2.4- hiện tượng fading

2.2.4 Beamfomer - tạo búp sóng ,Beamforming-Kỹ thụật hƣớng búp sóng

2.2.4.1 Beamfomer

Quá trình tạo búp sóng thông thƣờng xây dựng trên cơ sở sử dụng mảng anten đƣợc áp

dụng cho các hệ thống TTDĐ 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 ngƣời sử

dụng. Trong trƣờng hợp này nhìn từ phía ngƣời sử dụng các kênh sẽ khác nhau, vì thế không

thể sử dụng các kênh chung để ƣớc tính kênh. Thay vào đó các ký hiệu hoa tiêu riêng đƣợc

phát trong các kênh riêng đƣờng xuống sẽ đƣợc sử dụng để ƣớc tính kênh cho tách sóng nhất

quán.

Tạo búp nhằm hƣớng búp sóng trong không gian đến ngƣời sử dụng nhờ vậy giảm

nhiễu đến các ngƣời sử dụng khác trong ô. Trong trƣờng hợp này phƣơng phát (hay mẫu phát

xạ) trùng với phƣơng thu cực đại và các búp có hƣớng đƣợc tạo ra bởi các dàn anten đƣợc

hiệu chỉnh chẳng hạn bằng mảng tuyến tính đồng dạng (Hình 2.5) hoặc mảng tròn đồng dạng.

Kỹ thuật tạo búp thực hiện điều chỉnh pha và biên độ nguồn sóng cáp cho các phần tử anten

mảng để điều chỉnh phƣơng 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

phƣơng tới (DOA: Direction of Arrival) hay vật lý và tạo búp eigen hay toán học.



Hình 2.5- Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau.

2.2.4.2 Beamforming

Là kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phƣơng pháp truyền tín hiệu dạng anten

mảng (anten mảng trong beamforming 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

hƣớng về máy di động. Do phát hẹp nên không gây nhiễu ở cự ly xa) để định hƣớng truyền

của tín hiệu nhằm tăng độ lợi angten phát và độ nhạy phía thu. Nhiễu trong tín hiệu nhận đƣợc

khi dùng kỹ thuật beamforming sẽ giảm, bởi vì beamforming 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 ngƣời 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 đƣợc tổ hợp lại khả giống nhƣ

mẫu ban đầu, đồng thời cũng tại phía 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 nhƣ vậy tín hiệu nhận đƣợc sẽ đƣợc khôi

phục nhƣ mong muốn.

2.2.5 Các khái niệm về phân tập.

Là một phƣơng pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độ tin cậy của việc

truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau

để đầu thu có thể chọn trọng số những tín hiệu thu đƣợc hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành

một tín hiệu tốt nhất. Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác

nhau sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau. Ngƣời ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (forward

error correction) cùng với kỹ thuật phân tập. Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có

đƣợc độ lợi phân tập, thƣờng đƣợc đo bằng dB.có các loại phân tập sau:

Hình 2.6 - phân loại phân tập

Diversity

Frequency

Diversity

Time

Diversity

Space

Diversity

Polarization

Diversity

http://vi.wikipedia.org/wiki/Vi%E1%BB%85n_th%C3%B4ng

http://vi.wikipedia.org/wiki/T%C3%ADn_hi%E1%BB%87u

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=K%C3%AAnh_truy%E1%BB%81n&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=%C4%90%E1%BA%A7u_thu&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Fading&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Nhi%E1%BB%85u&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=M%C3%A3_s%E1%BB%ADa_l%E1%BB%97i&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=%C4%90%E1%BB%99_l%E1%BB%A3i_ph%C3%A2n_t%E1%BA%ADp&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/Decibel



Phân tập tần số

Phân tập thời gian

Phân tập không gian

phân tập phân cực

Nhằm 2 mục đích chính: - Tăng tốc độ phát.

- Giảm BER.

2.2.5.1 Phân tập tần số(Frequency Diversity)

Phân tập theo tần số là kỹ thuật thu hoặc phát tín hiệu trên hai hoặc nhiều kênh tần số sóng vô

tuyến.Tức là cùng một tín hiệu thu đƣợc phát trên hai tần số khác nhau đến anten thu,thì tín hiệu nào

tốt hơn thì lấy tín hiệu đó.Các hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật phân tập tần số sẽ cải thiện

chất lƣợng tốt hơn,nhƣng việc sử dụng phổ tần không đạt hiệu quả cao.

Hình 2.7 - Phân tập theo tần số

2.2.5.2 Phân tập gian (Time Diversity)

Kĩ thuật phân tập thời gian thời là phƣơng pháp cơ bản nhất,dùng những khe thời gian

tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu.Nhƣ vậy,tại đầu thu ta có

thể nhận đƣợc nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời điểm.Hoặc cùng một tín hiệu

thu,có thể thu theo nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau để chọn ra đƣợc tín hiệu thu tốt nhất.

Hình 2.8- Phân tập theo thời gian

2.2.5.3 Phân tập không gian (Space Diversity)

Phân tập không gian sử dụng nhiều anten đƣợc sắp xếp trong không gian tại phía

phát hoặc phía thu.Trong phân tập không gian,các phiên bản của tín hiệu phá đƣợc truyền đến

nới thu trên các anten khác nhau trong miền không gian.

Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten mà ngƣời ta chia phân tập thành 3 loại:

phân tập anten phát(hệ thống MISO),phân tập anten thu(hệ thống SIMO),phân tập anten phát

và thu (hệ thống MIMO).



Hình 2.9 – các phương pháp phân tập

Trong phân tập anten thu,nhiều anten đƣợc sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản

của tín hiệu phát một cách độc lập.Các phiên bản của tín hiệu phát đƣợc kết hợp một cách

hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đƣờng.Trong hệ thống thực

tế,để đạt đƣợc BER của hệ thống theo yêu cầu,ta có thể kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân

tập để có một hệ thống phân tập tốt hơn nhƣ phân tập không gian thời gian(STC),phân tập

theo không gian tần số (SFC)…

2.2.5.4 Phân tập phân cực (Polarization Diversity)

Trong thời gian trở lại đây,phân tập phân cực đƣợc sử dụng để giảm thiểu fading đa

đƣờng.Tại các trạm cơ sở,điều này sẽ giảm kích thƣớc của các anten.Kĩ thuật phân tập không

gian thƣờng đƣợc sử dụng trong các trạm gốc nhƣng kĩ thuật này đòi hỏi phải có hai anten

nằm ngang cách nhau trên một sector.Kỹ thuật phân tập phân cực này có chứa một anten kép

phân cực,trong đó chỉ có một anten trên mỗi sector là cần thiết.Trong phân tập không gian,sự

phân tập thì các anten đƣợc đặt cách nhau,trong khi kỹ thuật phân tập phân cực sử dụng tất cả

các anten trung tâm có pha trùng nhau.

Tín hiệu truyền đi là điện trƣờng nằm ngang hoặc thẳng đứng không tƣơng quan ở

cả hai là điện thoại di động và các trạm thu cơ sở.Các thành phần phân cực ngang và dọc, Ex

và Ey , truyền bởi hai anten phân cực tại trạm gốc và nhận bởi hai ăng-ten phân cực tại điện

thoại di động. có thể cung cấp hai tín hiệu fading không tƣơng quan. Các giải tƣơng quan

(decorrelation) tín hiệu trong mỗi phân cực đƣợc gây ra bởi nhiều phản xạ trong các kênh

giữa trạm di động và trạm gốc . Sau khi phản xạ ngẫu nhiên đủ,trạng thái phân cực của tín

hiệu sẽ đƣợc độc lập của phân cực truyền,trong công nghệ này điện và từ trƣờng của các tín

hiệu mang thông tin đƣợc sửa đôi và số lƣợng của tín hiệu này đƣợc sử dụng để gửi các thông

tin tƣơng tự và do đó loại đƣợc trực giao của phân cực.

CHƢƠNG III : MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO


CHƢƠNG III: MỘT SỐ MÔ HÌNH MIMO

3.1 Mô hình MIMO tổng quát

Nhƣ đã giới thiệu ở chƣơng II, trong MIMO tại phía phát có thể gửi nhiều luồng dữ

liệu đồng thời thông qua hệ anten phát. Các luồng dữ liệu này đƣợc mô phỏng nhƣ là ma trận

kênh H với nhiều đƣờng truyền giữa các anten phát phía phát và anten thu phía thu. Nhƣ vậy

phía thu thu đƣợc tín hiệu dạng vector gọi là vector tín hiệu. Ta có thể mô phỏng hóa mô hình

truyền dẫn gồm mã hóa, đan xen ghép đa ngƣời dùng trong băng tần gốc nhƣ sau:

r r b b t rL N N N N N L N

Y H X w t L

Trong đó :

X là ma trận điều chế không gian thời gian.

L là độ dài khối của ma trận điều chế (hay mã không gian thời gian).

Nb là số búp phát.

Nt là số anten phát.

Nr là số anten thu.

W là ma trận tạo búp NbNt .

Y là ma trận NrL của các tín hiệu thu.

H là ma trận kênh trong đó mỗi cột biểu thị một vectơ kênh từ nhiều anten phát đến

một anten thu.

η Là tạp âm Gauss phức.

Hình sau mô tả mô hình MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu.

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



Ma trận kênh H cho mô hình MIMO đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

Trong đó: là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m

Giả sử x= [ … , - là các số liệu phát.

y= [ … , - là các số liệu thu.

η= [ … , - là tạp âm gauss trắng phức của máy thu Nr.

T là ký hiệu phép toán chuyển vị.

Khi đó quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y đƣợc xác định bởi biểu thức.

Có thể viết lại quan hệ vào ta kênh ma trận , trong phƣơng trình trên là:

Y = H.x + η (3.1)

3.2 Các mô hình hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân chia giá trị đơn

SVD(Singular Value Decomposition)

3.2.1 Mô hình kênh SVD MIMO

SVD (singular value decomposition) là một dạng khai triển của ma trận có rất nhiều

ứng dụng trong những vấn đề liên quan đến nghịch đảo và số hóa các dữ liệu.Hiện nay phân

tích SVD của ma trận xuất hiện rất nhiều trong các ứng dụng thực tế nhƣ về tín hiệu số, tính

các giá trị xấp xỉ trong kĩ thuật, công nghệ thông tin, và đƣợc ứng dụng trong các công cụ tìm

kiếm trên các website

Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm anten phát và anten thu nhƣ trên hình

Ta viết lại phƣơng trình (3.1) Y= Hx +

Hình 3.2 - xây dựng mô hình kênh SVD MIMO

Lúc này phân chia giá trị đơn SVD [49,5],cho ta:



H=UD (3.2)

Trong đó U và V là các ma trận đơn nhất (unitary) có kích thƣớc và ,.

Toán tử “h” : Là phép toán chuyển vị Hermintian

Ma trận trực giao: ma trận vuông U,V đƣợc gọi là ma trận trực giao nếu

U và V ( , ).

D là ma trận gồm * + (3.3)

Các giá trị đơn không âm đƣợc kí hiệu là ,… trên đƣờng chéo chính của nó.

Trong đó là các giá trị riêng của ma trận H . Các giá trị riêng của

ma trận H đƣợc xác định nhƣ sau :

Det(H ) = 0

hay

Det(Q - ) ) = 0

Trong đó Q là ma trận Wishart đƣợc xác định nhƣ sau:

Q = {

Hình 3.3 - Xây dựng kênh truyền SVD MIMO

Nếu nhân cả hai vế của phƣơng trình kênh (3.1) ma trận ta đƣợc:

( )

Với và = .

Bây giờ chúng ta thấy ( ).

+ = D + (3.4)



Hoặc tƣơng đƣơng

Vì vậy,trong phƣơng trình trên U và V đƣợc loại bỏ kể từ khi chúng ta thực hiện

beamforming nhận bởi ma trận U và tiền mã hóa ở máy phát bằng ma trận V.Vì vậy nó đòi

hỏi thông tin trạng thái kênh (CSI) để tận dụng ở cả hai bên.

Bây giờ đơn giản hóa phƣơng trình ở trên ta có:

= trong đó n=1,2,…., với * + (3.5)

Từ phƣơng trình trên ta có thể thấy rằng tất cả các kí hiệu máy phát chỉ xuất hiện duy

nhất tƣơng ứng của nó nhận đƣợc anten và chúng ta không can thiệp bất kì tại anten thu nào.vì

vậy,nó tạo một bộ sƣu tập của tất cả các kênh t song song tách rời nhau.ngoài ra ở đây biểu

tƣợng t song song truyền qua kênh MIMO trong khe thời gian đơn.Nó dùng để ghép kênh

không gian thông tin liên lạc trong MIMO.

Hình 3.4 -Phân chia kênh fading phẳng MIMO thành các kênh fading phẳng song song

tương đương dựa trên SVD

Bây giờ xét ma trận nhiễu ở đầu thu: =

Với

là mật độ phổ công suất nhiễu

Từ phƣơng trình trên ta có thể nói rằng nhiễu trƣớc và sau khi dùng kĩ thuật beamforming là

giống nhau.Nói cách khác beamforming không ảnh hƣởng đến công suất nhiễu tại máy thu.



Vì vậy tỉ số tín hiệu trên nhiễu kênh thứ I đƣợc cho bởi:

(3.6)

trong đó: N = 1,2,…,

là công suất tín hiệu điều chế

= là mật độ phổ công suất nhiễu tạp âm AWGN tại kênh thứ i.

Và do đó dung lƣợng kênh thứ i là:

= (

) (3.7)

Chúng ta có tổng N kênh độc lập và do đó tổng dung lƣợng của một kênh MIMO là:

= ∑ (

)

(3.8)

3.2.2 Mô hình kênh SVD MIMO tối ƣu

Bản chất của mô hình SVD MIMO tối ƣu là tại phía phát ngƣời ta chia luồng ký hiệu

thành nhiều luồng con và nhân các luồng con này với các cột của ma trận V sau đó phát đi

trong không gian. Tại phía thu các ký hiệu thu đƣợc nhân với ma trận Uh để tách ra các luồng

không gian rồi dùng bộ kết hợp để kết hợp các ký hiệu thu này. Nhƣ vậy từ mô hình SVD tối

ƣu hay nói khác đi từ công thức y=Hx+ ở (3.1) nhân hai vế với ma trận UH ta đƣợc:

Uhy = U

h(Hx+)

Giả sử x đƣợc nhân trƣớc với ma trận V và đặt

z=Uhy = U

h(HxV+)

= UhUDV

hVx+U

h

= Dx+ Uh (3.9)

Vì ma trận D là ma trận đƣợc chéo hóa, nên ta có thể phân hóa quan hệ giữa z và x vào dạng:

zi=1/2

nxn+n trong đó i=1,2,..,NA (3.10)

Biểu thức (3.10) cho phép ta xây dựng hệ thống SVD MIMO tối ƣu gồm NN kênh pha đinh

phẳng song song nhƣ trên hình 3.5

Ph

ân

luồ

ng

kh

ôn

g g

ian

V

TX

TX

TX

Các

ký hiệu

x1

x2

xnt

U

RX

RX

RX

h

y1

y2

ynr

z1

z2

znr

Nhân số

liệu

Kế

t hợ

p k

hô

ng

gia

n

a) Máy phát SVD MIMOb) Máy thu SVD MIMO

Hình 3.5 - Mô hình SVD MIMO tối ưu

Từ hình (3.5) ta thấy tại máy phát SVD MIMO (hình 3.5a) trƣớc hết luồng ký hiệu số

liệu đƣợc bộ chia luồng không gian chia thành nt luồng không gian. Sau đó các luồng này

đƣợc nhân với các cột của ma trận V để nhận đƣợc các ký hiệu phát vào không gian. Tại máy

thu SVD MIMO (hình 3.5b) các tín hiệu thu đƣợc nhân với ma trận Uh để tách ra các luồng



không gian. Sau đó các ký hiệu số liệu đƣợc kết hợp bởi bộ kết hợp. Lƣu ý rằng khi phân tích

SVD ta sẽ đƣợc N kênh không gian song song xác định theo công thức (3.5).

3.2.3 Dung lƣợng kênh SVD MIMO

Dung lƣợng kênh quyết định giới hạn hiệu suất phổ tần. Nói chung dung lƣợng này

phụ thuộc vào các sơ đồ điều chế và mã hóa. Dƣới đây ta sẽ xét các biểu thức dung lƣợng

trong trƣờng hợp máy phát biết trƣớc hoặc không biết trƣớc trạng thái kênh. Các trƣờng hợp

này cũng còn đƣợc gọi là "dung lƣợng vòng kín" và "dung lƣợng vòng hở". Dung lƣợng vòng

kín đã đƣợc rút ra trong rất nhiều công bố và các tài liệu lý thuyết thông tin “kinh điển”, các

kết quả tƣơng tự cũng liên quan đến các kênh Gauss song song (tƣơng quan). Biểu thức này

đƣợc xác định nhƣ sau

2log detr

h

N

t

C EN

I HH (3.11)

Trong đó kỳ vọng E đƣợc thực hiện theo phân bố của ma trận kênh ngẫu nhiên H, INr là

ma trận đơn vị kích thƣớc Nr ; 2

i

P

là tỷ số tín hiệu trên tạp âm, P là tổng công suất phát

và 2

0i N /2 là mật độ phổ công suất tạp âm.

Dung lƣợng tức thời đựơc xác định phƣơng trình (3.11) nhƣ sau

H

t

N HHN

iSEr

detlog 2 bps/Hz (3.12)

Ta viết lại HHH dựa trên SVD : HH

H =UDV

H(UDV

H)

= UD VHVD

H U

H

= U[D- UH

(3.13)

Đặt (3.13) vào (3.12) ta đƣợc

H

t

N HHN

iSEr

detlog 2

H

t

H

N UDUN

UUIr

2

2 ||detlog

H

t

N UDN

IUr

2

2 ||detlog

2

2 ||det)det()det(log DN

IUUt

N

H

r

2

2 ||detlog DN

It

Nr

(3.14)

Vì tích của det(U)det(UH)=1 và D chỉ có NA giá trị riêng trên đƣờng chéo, NA xác định theo

phƣơng trình (3.5). Ta có thể biểu diễn biểu thức trong log2 của (3.14) nhƣ sau :

2||det D

NI

t

Nr

AN

ttt NNN

1...11 21

=

11

2 1logt

n

N

n N

A (3.15)



Lấy log phƣơng trình (3.15) ta đƣợc dung lƣợng tức thời:

AN

ttt NNNSE

1log...1log1log 22212

n

t

N

n N

A

1log 2

1

(3.16)

Nếu trong (3.16) 1n

tN

thì

n

tN

1log 2 tiến tới không và kênh không gian

này sẽ không cho độ lợi dung lƣợng đáng kể. Vì thế nếu không sử dụng kênh này, tổng dung

lƣợng cũng hầu nhƣ không giảm.

Phƣơng trình đƣợc rút ra ở trên cho ta cách đánh giá hiệu năng của các kênh. Nếu thừa

số n

tN

nhỏ hơn một ngƣỡng cho trƣớc ta có thể lọai bỏ kênh này. Khi này số các luồng

không gian đƣợc sử dụng nhỏ số kênh khả dụng cực đại, nhƣng thông lƣợng hiệu dụng vẫn

đƣợc tăng cƣờng.

Từ các phân tích trên ta có thể đƣa ra các kết luận sau:

1 Dung lƣợng MIMO tăng tuyến tính với min(Nt;Nr) và ma trận kênh phân chia thành

min(Nt;Nr) kênh song song độc lập.

2 Nếu giữ Nr cố định và tăng Nt, thì dung lƣợng sẽ bào hóa tại một giá trị cố định.

3 Nếu giữ nguyên Nt và tăng Nr, thì dung lƣợng sẽ tăng theo log cùng với tăng Nr.

3.2.4 Thuật toán water filling

Thuật toán này dùng để phân bố năng lƣợng tối ƣu để mỗi dòng truyền đƣợc tối đa hóa

tổng công suất kênh MIMO.

Xét tổng công suất phát P và công suất phân bố cho kênh thứ i hay dòng thì tổng của

năng lƣợng phân bổ cho tất cả các dòng phải nhỏ hơn hoặc tƣơng đƣơng P.

Do đó việc phân bổ năng lƣợng tối ƣu để giảm tối đa về vấn đề do :

(∑ (

)

)

Và bị hạn chế bởi ∑ (3.17)

Nói cách khác tìm tối ƣu tối đa công suất bị hạn chế.Vấn đề hạn chế này đƣợc giải

quyết bằng phƣơng phát nhân langrage.

Xét hàm f có f =∑ (

)

+ λ(P - ∑

)

Với λ đƣợc nhân với langrage.

Bây giờ sự khác biệt giữa f với và giống nhƣ không tìm thấy sự tối ƣu

và (

)

(3.18)

2

đặt đƣợc mô tả trong (3.17) sau đó chúng ta có phƣơng trình

cho việc phân bố năng lƣợng tối ƣu sau: ∑ (

)

(3.19)



Để tối ƣu phân bố năng lƣợng,đầu tiên chúng ta tìm bậc

theo phƣơng trình trên và sau đó

chúng ta tính toán năng lƣợng phân bố tới thứ dòng thứ t. theo phƣơng trình (3.18).nếu

lớn hơn 0,chúng ta sẽ phân bố năng lƣợng cho phần còn lại theo các dòng phƣơng trình

(3.18).nhƣng nếu nhỏ hơn hoặc bằng 0 thì chúng ta sẽ không phân bố năng lƣợng tới dòng

thứ t và lặp lại thủ tục tƣơng tự cho t=t-1 cho đến khi công suất đƣợc phân bố cho tất cả các

dòng.

Các bƣớc trong tuật toán water filling.

1. xác định ma trận kênh H,tổng công suất phát P và công suất nhiễu N.

2. đối với các dòng truyền T hoặc tính toán kênh bậc

theo phƣơng trình(3.19)

3. tính toán phân bổ công suất kênh thứ t theo phƣơng trình (3.18).

4. kiểm tra xem công suất phân bố thứ kênh t , là tích cực hay không.

5. Nếu tích cực thì đƣợc phân bố năng lƣợng cho từng kênh theo phƣơng trình (3.18).

6. Nếu không tích cực thì ta gán năng lƣợng kênh thứ t và đặt t=t-1 và quay lại bƣớc 2.

3.3 Các mô hình phân tập thu

Phân tập thu là dạng SIMO của các sơ đồ hệ thống MIMO

3.3.1 Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc (SC)

Kỹ thuật phân tập thu SC hoạt động dựa trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín

hiệu trên nhiễu SNR tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận đƣợc từ các nhánh khác nhau rồi

đƣa vào xử lý.

Sơ đồ kết hợp lựa chọn(Selection Combiner) sử dụng bộ kết hợp đơn giản nhất,

trong đó bộ kết hợp chỉ đơn giản tính cƣờng độ tín hiệu tức thời trong số Nr anten thu sau đó

chọn lựa anten có tín hiệu mạnh nhất. Vì SC loại bỏ năng lƣợng hữu ích từ các luồng khác,

nên sơ đồ này rõ ràng không phải là tối ƣu tuy nhiên do tính đơn giản của nó nên nó đƣợc sử

dụng trong nhiều trƣờng hợp khi cần giảm bớt các yêu cầu phần cứng. Sơ đồ kết hợp chọn lọc

đƣợc cho trên hình vẽ.

Hình 3.6 - Mô hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc



Để xác định độ lợi phân tập trong trƣờng hợp này,ta giả sử SNR tức thời của một

nhánh là

,SNR trung bình của mỗi nhánh là

,trong đó là năng lƣợng tín

hiệu tức thời trên nhánh m,còn là năng lƣợng công suất tín hiệu trên một nhánh và

là mật độ tạp âm song biên nhánh i.

Hàm phân phối xác suất SNR trên mỗi nhánh đƣợc định nghĩa là SNR đầu ra nhỏ hơn

hoặc bằng một giá trị ngƣỡng cho trƣớc nhƣ sau:

P( ) = ∫

d( )

= 1-

Hàm phân phối xác xuất SNR tất cả các các nhánh cùng nhỏ hơn một giá trị ngƣỡng

nhƣ sau:

( ) ( ) ∫

d( )

→ ( ) = ( ) (3.20)

Nếu coi rằng là ngƣỡng mà dƣới nó ta sẽ không chọn đƣợc bất kỳ nhánh nào, thì

( ) sẽ là xác suất mất thông tin và phƣơng trình xác xuất mất thông tin sẽ giảm đi đáng

kể nếu số anten rN tăng.

Từ phƣơng trình (3.11a) ta có thể xác định xác suất ít nhất có một anten đƣợc lựa chọn nhƣ

sau.

P(ít nhất một nhánh đƣợc chọn ≥ ) = 1- ( ) cũng đại diện cho các hàm phân phối tích lũy [50,7] (cdf : distribution function) của

SNR đầu ra,nhƣ là chức năng của ngƣỡng các pdf của SNR đầu ra do đó.

f ( )= ( )

=

(

)

Giá trị trung bình SNR đầu ra của bộ kết hợp thu đƣợc với Nr nhánh trong kênh

fading Rayleigh là:

E{γ} = ∫ ( )

= ∫

(

)

( )

∑

(3.21)

~ (C +lnN +

)

Giá trị gần bằng cuối cùng hợp lệ khi N đủ lớn,C là hằng số Euler (Hằng số toán

học e là cơ số của logarit tự nhiên. Thỉnh thoảng nó đƣợc gọi là số Euler) cải thiện SNR là

một phần duy nhất để sắp xếp theo LnN.

Nhận xét :

- Tại một thời điểm chỉ có một nhánh đƣợc sử dụng nên phƣơng pháp SC chỉ yêu cầu máy thu

đƣợc chuyển đến vị trí anten tích cực(anten có tín hiệu lựa chọn).

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=H%E1%BA%B1ng_s%E1%BB%91_to%C3%A1n_h%E1%BB%8Dc&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=H%E1%BA%B1ng_s%E1%BB%91_to%C3%A1n_h%E1%BB%8Dc&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=C%C6%A1_s%E1%BB%91&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/Logarit_t%E1%BB%B1_nhi%C3%AAn



- Kỹ thuật này đòi hỏi trên mỗi nhánh của máy thu phải có bộ theo dõi SNR đồng thời và liên

tục.

- Trong phƣơng pháp phân tập SC,tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trị cực

đại của SNR trên tất cả các nhánh.Vì vậy tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu của một nhánh

đƣợc đƣa vào xử lý nên kỹ thuật này không yêu cầu sự đồng pha giữa các nhánh.

- SC sử dụng bộ kết hợp đơn giản nên tối ƣu hóa hệ thống đầu thu.

3.3.2 Mô hình phân tập anten thu kết hợp theo ngƣỡng (TC)

Nguyên lý của kỹ thuật phân tập thu TC (Threshold Combining) gần giống với kỹ

thuật phân tập thu SC nhƣng thay vì đặt các bộ theo dõi SNR trên mỗi nhánh thì ta chỉ cần

dùng một bộ so sánh rồi thực hiện quét tất cả các nhánh theo thứ tự,mức SNR đầu tiên tại các

nhánh sẽ đƣợc so sánh với mức SNR ngƣỡng ,nếu SNR ở nhánh nào lớn hơn mức này thì

tín hiệu ở nhánh đó sẽ đƣợc đƣa vào xử lý.Còn mức SNR ở nhánh nào nhỏ hơn mức thì bỏ

qua.Vì kỹ thuật này cũng chỉ cần một nhánh đƣợc đƣa vào xử lý nên cũng không cần đến sự

đồng pha trong tín hiệu

Hình 3.7 - Mô hình phân tập anten thu TC

Nhận xét: Vì kỹ thuật này phụ thuộc vào các mức ngưỡng đặt ra trong bộ so sánh nên

phương pháp có độ lợi phân tập thấp.

3.3.3 Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC)

Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỉ lệ cực đại MRC (Maximum Ratio Combiner)

thực hiện kết hợp thông tin từ các nhánh anten khác nhau để đạt đƣợc tỷ số tín hiệu trên tạp

âm lớn nhất.

Mỗi tín hiệu ở mỗi nhánh có một trọng số ≠0 tƣơng ứng với SNR của nó,đồng thời tín

hiệu trên mỗi nhánh phải cùng pha với nhau với là pha trên nhánh thứ i.

Vì các đƣờng truyền từ anten phát đến anten thu độc lập với nhau và độ lợi đƣờng

truyền từ anten phát đến anten i là

là đáp ứng xung kênh truyền thứ i

là độ lợi kênh thứ i

là pha trên nhánh thứ i

Nên ta có thể viết tín hiệu thu sau kết hợp nhƣ sau:

y(t) = x(t)∑ .

( ) + ∑

Từ (3.21) ta xác định SNR với giả thiết nhƣ sau:



SNR = (∑ )

∑ ( )

(3.22)

Mục đích của chúng ta là phải chọn đƣợc các giá trị sao cho SNR đạt giá trị lớn

nhất.Nếu ta thực hiện tối ƣu các trọng số thì kết quả SNR sẽ đạt đƣợc giá trị lớn nhất vì

tỉ lệ thuận với SNR trên các nhánh ( )

,điều này có nghĩa là mỗi nhánh nhân với

chính tỷ số tín hiệu trên tạp âm của chính nó – nói một cách khác các nhánh có năng lƣợng tốt

hơn sẽ đƣợc tăng cƣờng, còn các nhánh có năng lƣợng thấp hơn sẽ đƣợc cấp trọng số thấp

hơn. Khi này ta tính đƣợc SNR nhƣ sau:

SNR= (∑ )

∑ (3.23)

Hình 3.8 - Mô hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại

Các trọng số MRC thực hiện 2 mục đích:

Quay pha tín hiệu thu đƣợc tại các anten khác nhau để bù pha của kênh tƣơng ứng và

đảm bảo rằng các tín hiệu đồng pha khi cộng với nhau.

Cân bằng tín hiệu tỷ lệ với độ lợi đáp ứng kênh,áp dụng trọng số cao hơn cho tín hiệu

thu mạnh hơn.

Nhận xét:

- Một cách trực giác ta thấy ƣu điểm nổi trội của MRC ở chỗ tổng SNR đạt đƣợc bằng

cách cộng các SNR của các nhánh với các trọng số tƣơng ứng.Do đó SNR của tín hiệu thu

đƣợc sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập i. Mặc dù MRC cho phép đạt đƣợc SNR cực

đại và nói chung hoạt động tốt, nhƣng trong nhiều trƣờng hợp nó không tối ƣu vì nó bỏ qua

công suất nhiễu mà các thông số thống kê của nhiễu trong nhiều trƣờng hợp có thể khác nhau

giữa các nhánh.

- MRC là một chiến lƣợc kết hợp anten thích hợp khi tín hiệu thu chủ yếu bị ảnh hƣởng

tới tạp âm.Tuy nhiên,trong nhiều trƣờng hợp,tín hiệu thu bị ảnh hƣởng chính của nhiễu từ

nhiều anten phát trong hệ thống hơn là tạp âm.Trong hoàn cảnh số lƣợng tín hiêu nhiễu khá

lớn xấp xỉ cƣờng độ tín hiệu.

- MRC vẫn là một lựa chọn tốt lúc này,nhiễu tổng sẽ xuất hiện tƣơng đối giống tạp

âm,không có hƣớng đến cụ thể.Tuy nhiên,trong những hoàn cảnh chỉ có một nguồn nhiễu trội

hiệu năng sẽ đƣợc cải thiện nếu thay vì lựa chon trọng số anten để tối đa hóa tỉ số tín hiệu trên

nhiễu sau khi kết hợp,thì các trọng số sẽ đƣợc lựa chọn để triệt nhiễu.



3.3.4 Mô hình kết hợp với độ lợi bằng nhau (EGC)

Hình 3.9 - Mô hình phân tập anten thu độ lợi bằng nhau EGC

Trong kỹ thuật phân tập thu MRC thì yêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng

nhánh theo thời gian.Tuy nhiên thông số này rất khó đo đƣợc.Vì vậy để đơn giản hóa kỹ

thuật MRC ngƣời ta dùng kỹ thuật phân tập thu EGC (Equal Gain Combiner).Về bản chất

kỹ thuật EGC cũng giống với MRC,đều sử dụng tất cả tín hiệu thu đƣợc tại các nhánh để đƣa

vào xử lý,tuy nhiên trọng số trong phƣơng pháp MRC đƣợc thay thế bằng trọng số

, cho tất cả các nhánh trong phƣơng pháp EGC

Trong trƣờng hợp này ta đƣợc SNR sau kết hợp nhƣ sau: SNR= ( ∑ )

(3.24)

.

Es là năng lƣợng ký hiệu phát.



3.3.5 Kết quả mô phỏng và kết luận chung về các mô hình phân tập thu

1. Kết quả mô phỏng [8]:

Trƣờng hợp 1: N_Rx=2

-Số anten thu là: N_rx=2.

- SNR= [0:2:20]

- Điều chế QAM với mức điều chế M_QAM = 64

Hình 3.10 – Độ cải thiện lỗi bit (BER) đối với các mô hình phân tập thu

N_Rx =2



Trƣờng hợp 2: N_Rx =4

Hình 3.11 – Độ cải thiện lỗi bit (BER) đối với các mô hình phân tập thu

N_Rx =4

2. Kết luận

Trong phần này em đã đƣa ra các ƣu nhƣợc điểm của từng kỹ thuật phân tập và đi sâu

tìm hiểu các kỹ thuật phân tập anten thu trong kênh truyền fading phẳng.Đồng thời cũng đƣa

ra các số liệu về số lƣợng các anten cần phải đƣợc sử sụng trong hệ thống để đạt đƣợc các yêu

cầu mà hệ thống phải đáp ứng vì chúng ta biết rằng khi số lƣợng anten tăng lên càng nhiều thì

tỉ lệ lỗi bit BER đƣợc cải thiện nhƣng không đáng kể.Bù vào đó là độ phức tạp về mặt thiết kế

hệ thống và khả năng xử lý tín hiệu của hệ thống.

Qua kết quả mô phỏng để so sánh các kỹ thuật phân tập anten thu khi sử dụng cùng số

anten ta thấy:

- Phƣơng pháp phân tập SC và EGC có độ cải thiện BER tƣơng đối tốt và hệ thống

tƣơng đối đơn giản về mặt thiết kế.

- Phƣơng pháp MRC mặc dù có độ cải thiện BER cao nhất nhƣng độ phức tạp của hệ

thống quá cao.

- Còn phƣơng pháp phân tập TC thì hệ thống thiết kế đơn giản nhƣng BER quá cao

không thể đáp ứng đƣợc yêu cầu về mặt chất lƣợng của hệ thống.

3.4 Mô hình phân tập phát

3.4.1 Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-time block code)

Mã hóa không gian thời gian STBC là một kỹ thuật mã hóa đƣợc áp dụng phổ biến trong

các hệ thống MIMO hiện nay.Môi trƣờng truyền tín hiệu thông thƣờng luôn tồn tại hiện tƣợng

đa đƣờng,nếu khoảng cách giữa các anten đủ lớn,các tín hiệu truyền trên các đƣờng truyền

khác nhau này sẽ độc lập với nhau.Mã hóa không gian thời gian lợi dụng tính chất này để

nâng đạt đƣợc sự phân tập tối đa cho hệ thống MIMO,độ lợi mã cao cũng nhƣ dung lƣợng



truyền dẫn lớn nhất.STBC có thể sử dụng để tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập,tùy loại

mã hóa đƣợc sử dụng.có ba loại mã hóa không gian thời gian:

Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-time block code)

Mã hóa khống gian lời gian lƣới STTC (Space-time Trellis code)

Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST (Bell- laboratories layered space-time)

Trong đó,mã hóa không gian thời gian khối STBC ra đời đã mang lại những lợi ích thiết

thực trong các hệ thống thông tin di động,nơi mà sự phức tạp trong giải mã là vấn đề rất quan

tâm.STBC dựa trên mô hình Alamouti,nó cung cấp độ lợi phân tập đầy đủ cho hệ thống đa

anten cũng nhƣ giảm tối đa sự phức tạp tính toán tại các trạm thu.Trong đồ án này em chỉ tập

trung nghiên cứu hệ thống sử dụng STBC.

3.4.1.1 Mô hình Alamouti

Mô hình Alamouti đƣợc siavash M.Alamouti đƣa ra trong một bài báo của mình năm

1998.mô hình cũng cung cấp phƣơng pháp đơn giản để đạt đƣợc phân tập phát với việc sử

dụng hai anten phát một anten thu.

3.4.1.2 Mã hóa

Ý tƣởng của phƣơng pháp này chỉ xét BPSK với truyền 2 bit trong thời gian kí hiệu hay

nói cách khác là hệ thống sẽ lấy hai symbol dài b bit trong chòm sao các sơ đồ điều M=

điểm,nhóm thành khối 2b bit để truyền trên hai anten trong hai khe thời gian.khe thứ thời

gian thứ nhất,anten 1 phát symbol ,anten 2 phát symbol ,khe thời gian thứ hai,anten một

phát symbol ,anten 2 phát symbol

.

Trong đó * ký hiệu cho liên hợp phức.

Sơ đồ phát đƣợc minh họa trong 3.12 hình sau :

Hình 3.12 – Sơ đồ phát của mô hình Alamouti

Ta có ma trận phát lúc này sẽ là : (

).

Trong ma trận trên,cột đầu tiên tƣơng ứng khe thời gian thứ nhất và cột thứ 2 tƣơng ứng

với khe thời gian thứ 2.Hàng đầu tiên tƣơng ứng với các symbol đƣợc phát ở anten 1,hàng thứ

2 tƣơng ứng với các symbol đƣợc phát ở anten 2.Ma trận cho thấy tín hiệu đƣợc phát đi cả về

không gian(trên 2 anten) và thời gian(trong 2 khe thời gian) nên nó đƣợc gọi là mã không

gian- thời gian h1(t) và h2(t) lần lƣợt là hai đáp ứng kênh tƣơng ứng với hai tín hiệu phát trên

2 anten.với mô hình Alamouti,kênh truyền phải là tĩnh trong suốt 2 khe thời gian truyền

symbol và dòng tín hiêu phả từ 2 anten là trực giao nhau.

Information

source Modulator [𝒔𝟏 𝒔𝟐]→

𝒔𝟏 𝒔𝟐

𝒔𝟐 𝒔𝟏

𝑠 ,𝒔𝟏 𝒔𝟐 -

𝑇𝑥

𝑇𝑥

𝑠 ,𝒔𝟐 𝒔𝟏 -



h1 = h1(t)= h1(t+T)= (3.25)

h2 = h2(t)= h2(t+T)= (3.26)

Trong đó T là chu kì truyền của một symbol, lần lƣợt là độ lợi kênh truyền của đáp

ứng kênh h1 và h2.

Hình 3.13 – Sơ đồ khối giải mã Alamouti sử dụng một anten thu.

Gọi tín hiệu thu đƣợc trong khe thời gian thứ nhất và thứ hai lần lƣợt là r1, r2,ta có:

0 1 0

1

+ 0

1 =

Trong đó n1, n2 là các nhiễu trắng cộng Gaussian tƣơng ứng với mỗi khe thời gian,có trung

bình bằng 0 và phƣơng sai N0.

Từ phƣơng trình (3.14),bộ kết hợp tạo ra tín hiệu.

r = 0 1 =

=

0

1 + 0

1

Gọi ma trận HA= .

/,ma trận này ta hoàn toàn biết đƣợc nhờ CSI đã ƣớc lƣợng ở

phía thu.Ta nhân ma trận A= .

/ với ma trận tín hiệu thu đƣợc trong 2 khe thời

gian:

= =

0 1

0

1

0

1



Trong đó . =

= [

(

)

(

) ]

Phƣơng trình trên có thể viết lại:

= =[

(

)

(

)

] = [

(

)

(

) ]

Trong đó n1, n2 đƣợc xem nhƣ là các nhiễu đã đƣợc khuyếch đại,đó là các biến Gaussian

phức có trung bình bằng 0 và có phƣơng sai: = = (

)

Mỗi thành phần của ma trận s tƣơng ứng với một symbol đã phát đi:

(

) i = 1,2

SNR tại máy thu tƣơng ứng với mỗi đƣợc cho bởi:

(

)

(3.27)

0N là mật độ phổ công suất tạp âm một biên.

Es là năng lƣợng ký hiệu phát.

Trong đó hệ số 2 ở mẫu là do đƣợc truyền chỉ sử dụng một nửa năng lƣợng của Ei,

SNR tại máy thu bằng tổng SNR trên mỗi nhánh ,tức là mô hình Alamouti đã đạt đƣợc độ

lợi phân tập gấp đôi so với trƣờng hợp dùng một anten phát.

Sau khi xử lý tín hiệu với CSI ,bộ giải mã đƣa tín hiệu đến bộ Maximum Likelihood

Detector để tìm tín hiệu phát.Bộ ML lần lƣợt chọn 1 cặp symbol , € ( ) của bộ

mapper sao cho cặp symbol này khi truyền qua kênh truyền sẽ giống với , .cặp

symbol , sẽ đƣợc chọn sao cho khoảng cách giữa nó và tín hiệu r thu đƣợc trong chòm

sao là nhỏ nhất,tức là:

( , ) = argmin ( - - + +

- )

(argmin là bài toán tìm giá trị để cực tiếu hóa biểu thức)

Sau khi khai triển và loại bỏ các thành phần độc lập,ta có :

Để tìm :

(

) +

(

) +

Để tìm :

(

) +

(

) +



3.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu

Trong trƣờng hợp này ta sử dụng hai anten phát và M anten thu. Để minh họa ta xét

trƣờng hợp hai anten thu ( =2).Hệ thống 2 anten phát và M anten thu có thể cung cấp phân

tập bậc 2M.

Tín hiệu từ 2 anten phát đến các anten thu sẽ đi theo các đƣờng khác nhau và chịu ảnh

ƣởng với các kênh truyền khác nhau.gọi là đáp ứng kênh truyền từ anten

phát thứ i(i=1,2) đến anten thu thứ j(j=1,2,..,M).Ta có tín hiệu thu đƣợc tại các anten thu tại

anten thu thứ j thời điểm t và t+T là:

+ +

+

+

Bộ kết hợp sẽ sử dụng CSI để xử lý tín hiệu thu đƣợc trên mỗi anten thứ j:

[

]=

=[

] [

] 0 1+[

] 0

1

=[(

)

(

) ]

Sau đó hệ thống sẽ kết hợp các tín hiệu đã xử lý với nhau:

= =∑ [

]

= [∑ (

)

∑ (

)

]

Với hệ số ∑ (

) (3.28)

Ta thấy hệ thống đã đạt đƣợc phân tập bậc 2M nhƣ mong muốn.



3.4.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét chung về phân tập phát.

1. kết quả mô phỏng [9]

- Số gói tin truyền là 1000

- Số lƣợng sóng mang con và kích thƣớc cửa sổ ifft/fft là 256

- Chiều dài khoảng bảo vệ đƣợc chọn bằng 1/16 chiều dài 1 gói tin

- Số pilot để đồng bộ là 4

- Điều chế QPSK

- Kênh truyền block fading.

- Công suất các anten bằng nhau

Hình 3.14 – Kết quả mô phỏng mô hình phân tập phát Alamouti

2. nhận xét

- Từ đồ thị ta nhận thấy phƣơng pháp Alamouti cải thiện rõ rệt tỉ lệ lỗi bit (BER) so

với khi không sử dụng phân tập. Bên cạnh đó ta thấy khi số anten càng lớn thì chất lƣợng tín

hiệu thu đƣợc càng cải thiện rõ rệt hơn.



3.4.4 Mô phỏng so sánh giữa phân tập phát và phân tập thu

Trong phần này ta so sánh giữa hệ thống Alamouti (2Tx_1Rx) và kỹ thuật phân tập thu

MRC(1Tx_2Rx)

-Số gói tin truyền là 1000

- Số lƣợng sóng mang con và kích thƣớc cửa sổ ifft/fft là 256

- Chiều dài khoảng bảo vệ đƣợc chọn bằng 1/16 chiều dài 1gói tin

- Số pilot đồng bộ là 4

- Điều chế QPSK

- Kênh truyền block fading.

- Công suất các anten là bằng nhau.

Hình 3.15 – Kết quả mô phỏng Alamouti (2Tx_1Rx) và kỹ thuật phân tập thu

MRC(1Tx_2Rx)

Nhận xét:

theo kết quả mô phỏng cho thấy phƣơng pháp MRC cho tỉ lệ BER và SNR tốt

hơn Alamouti (2Tx_1Rx) với cùng mức công suất tín hiệu.Tuy nhiên do công suất trên mỗi

anten trong Alamouti (2Tx_1Rx) chỉ bằng một nửa công suất phát của anten hệ thống

MRC.Điều đó có tính khả thi hệ thống có mức công suất giới hạn.

3.5 Các mô hình MIMO ghép kênh không gian

Ghép kênh không gian (SM: Spacial Multiplexing) là một công nghệ sử dụng tính

năng của các hệ thống MIMO để đạt đƣợc giới hạn dung lƣợng lý thuyết trong thực tế. Ghép

kênh không gian sử dụng các anten phát khác nhau để phát đi các tín hiệu khác nhau. Các tín

hiệu này đƣợc ghép chung vào kênh không gian và đƣợc đƣa đến các anten thu, tại phía thu

các tín hiệu đƣợc phân kênh. Hình 3.16 cho thấy sơ đồ của hệ thống SM. Từ hình 3.16 ta thấy

trƣớc hết luồng số cần truyền đựơc chia thành ba luồng độc lập với mỗi luồng có tốc độ giảm

1/3 so với luồng tổng. Sau điều chế các luồng này đƣợc đƣa lên ba anten và đƣợc thu lại tại ba

anten thu. Sau giải điều chế các luồng này đƣợc kết hợp thành luồng tổng.



b1b2b3b4b5b6...

b1b4...

b2b5...

b3b6...

Ch

uyể

n đ

ổi m

ức v

à đ

iều

ch

ế

...

...

...

... b1b4

b2b5

b3b6

b1b2b3b4b5b6

Xử

lý tín

hiệ

u s

ố

A1

A2

A3

B1

B2

B3

C1

C2

C3

A1

A2

A3

B1

B2

B3

C1

C2

C3

Hình 3.16 - Sơ đồ hệ thống SM với ba anten phát và ba anten thu

Khác với các mã không gian thời gian sử dụng trong các hệ thống phân tập đƣợc xây

dựng trên cơ sở tọa độ, các mã không gian thời gian sử dụng trong các hệ thống ghép kênh

không gian đƣợc xây dựng trên cơ sở phân lớp. Mã không gian thời gian phân lớp đòi hỏi số

anten thu phải lớn hơn hoặc bằng số anten phát. Các tính toán phức tạp chủ yếu xẩy ra ở phía

thu vì phải sử dụng tách sóng đa ngƣời sử dụng.

Các mã hóa không gian thời gian phân lớp sử dụng cho ghép kênh không gian đƣợc

chia thành ba loại (xem hình 3.17). Các lớp (hay các luồng con) trong BLAST đƣợc phân tách

bằng các kỹ thuật đƣợc gọi là triệt nhiễu để tách bóc các luồng số liệu chồng lấn lên nhau.

Tách lớp đƣợc thực hiện động, trƣớc hết lớp (luồng con ký hiệu) có SNR mạnh nhất đƣợc

tách, sau đó loại bỏ lớp này và thực hiện tách cho lớp tiếp theo.

3.5.1 D-BLAST (Diagonal-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian

thời gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo đường chéo). Cấu trúc của mã D-BLAST cho thí dụ 4 anten phát đƣợc cho trên hình 3.12a. Trong thí dụ

này mỗi lớp bao gồm 8 ký hiệu đựơc mã hoá kết hợp và đƣợc phân bố theo không gian và

thời gian (theo đƣờng chéo nhƣ trên hình vẽ).

D-BLAST nhóm các ký hiệu đƣợc phát thành các “lớp”, mã hóa các lớp này một cách độc

lập theo thời gian. Sau đó sắp xếp các lớp này một cách tuần hoàn lên các anten sao cho mỗi

lớp đƣợc phát theo đƣờng chéo nhƣ trên hình 3.17a. Bằng cách phân bố các ký hiệu nhƣ vậy,

D-BLAST cho phép truyền các ký hiệu cộng bằng giữa các kênh xấu và tốt. Điểm cốt yếu của

các kỹ thuật BLAST là việc phân tách các luồng chồng lấn và giao thoa trong không gian.

Cấu trúc phân lớp đƣờng chéo của D-BLAST đƣợc phân tách bằng cách giải mã lần lƣợt từng

lớp. Quá trình giải mã cho lớp thứ hai trong số bốn lớp đƣợc cho trên hình 3.18a. Mỗi lớp

đƣợc tách bằng cách đặt các lớp chƣa đựơc tách vào không và loại bỏ các lớp đã tách. Trên

hình vẽ 3.18a, lớp bên trái lớp thứ hai đã đƣợc tách và vì thế bị loại bỏ (bị trừ) từ tín hiệu thu,

các lớp bên phải chƣa đƣợc tách nên gây nhiễu và có thể đặt vào không dựa trên hiểu biết về

kênh.



D-BLAST có hai nhƣợc điểm sau:

(1) Đòi hỏi quá trình giải mã lặp phức tạp.

(2) Lãng phí các khe không gian thời gian lúc khởi đầu và kết thúc một khối D-BLAST.

3.5.2 V-BLAST (Vertical-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian thời

gian phân lớp phòng thí nghiêm Bell theo chiều đứng).

Cấu trúc của mã V-BLAST cho thí dụ bốn anten phát đƣợc cho trên hình 3.16b. Trong

thí dụ này 6 ký hiệu đƣợc mã hóa kết hợp đƣợc phân bố trên bốn anten theo chiều đứng..

V-BLAST cho phép giảm các khiểm khuyết và phức tạp của D-BLAST. Nguyên lý V-

BLAST hơi khác với D-BLAST (hình 3.17b). Trong V-BLAST, mỗi anten phát đi một luồng

ký hiệu độc lập, chẳng hạn các ký hiệu QAM. Nhiều kỹ thuật khác nhau có thể sử dụng tại

máy thu để phân tách các luồng ký hiệu dựa trên máy thu tuyến tính nhƣ: ZF và MMSE. Quá

trình tách luồng ký hiệu trong V-BLAST đƣợc thực hiện trên bằng cách kết hợp máy thu

tuyến tính với loại bỏ nhiễu lần lƣợt. Trƣớc hết các ký hiệu mạnh (có tỷ số SNR cao nhất)

đƣợc tách bằng cách sử dụng máy thu ZF (Zero Forcing: Ép buộc về không) hay MMSE

(Minimum Mean Square Error: Sai lỗi trung bình bình phƣơng cực tiểu) . Sau đó các tín hiệu

đƣợc tách này bị loại ra khỏi luồng tổng bằng cách lấy luồng tổng này trừ đi nó. Sau đó tín

hiệu thứ hai đƣợc tách (khi này chỉ còn Nt-2 luồng gây nhiễu) và lại đƣợc loại… Nói chung

luồng đƣợc tách thứ i chỉ bị nhiễu từ Nt-i luồng khác. Vì thế một khối lƣợng lớn luồng nhiễu

đã bị loại, khi luồng tín hiệu yếu đƣợc tách. Sử dụng triệt nhiễu lần lƣợt có thứ tự cho phép

giảm tỷ lệ lỗi khối khoảng 10 lần so với việc chỉ sử dụng máy thu tuyến tính (tƣơng đƣơng

giảm SNR 4dB). Ngoài việc đơn giản, V-BLAST còn cho phép đạt đƣợc hiệu suất sử dụng

phổ tần cao hơn 20 bps/Hz.

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

Đối với loại mã này, số liệu thông tin đƣợc mã hóa xoắn, sau đó các từ mã đựơc xử lý nhƣ

một lớp và đựơc phân bố lên các anten khác nhau nhƣ trên hình 3.17c.

Hình 3.17 -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-ST



Hình 3.18 - Tách lớp hai trong số bốn lớp của a) D-BLAST. b) Mã hóa V-BLAST.

CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG



4.1 Giới thiệu

Chƣơng trình mô phỏng trong luận văn đƣợc viết sử dụng ngôn ngữ Matlab, dƣới dạng

các file.m (mỗi modul hệ thống là một file). Matlab là ngôn ngữ lập trình bậc cao có thƣ viện

toán cực mạnh, giao diện đồ hoạ phong phú, khả năng tƣơng thích với các ngôn ngữ khác

(cho phép nhúng các chƣơng trình khác C, C++, ... vào trong Matlab), cho phép tạo giao diện

ngƣời dùng tiện lợi. Matlab có ƣu việt nổi trội là khả năng mô phỏng hệ thống động, cho phép

thể hiện tín hiệu và hệ thống trong nhiều miền xét (miền thời gian, miền tần số, ....).

Chƣơng trình mô phỏng xây dựng giao diện tiện ích thân thiện, ngƣời dùng chỉ cần thực

hiện các thao tác đơn giản trên giao diện tiện ích. Giao diện đƣợc tổ chức thành các cấp.

Ngƣời sử dụng có thể từ giao diện chính chọn đối tƣợng cần mô phỏng, vào các giao diện con

để nghiên cứu chi tiết nội dung quan tâm, từ giao diện con dễ dàng trở lại giao diện chính để

chọn đối tƣợng nghiên cứu khác.

4.2 Chƣơng trình mô phỏng.

Chƣơng trình mô phỏng dung lƣợng của kênh MIMO với cấp phát công suất theo phƣơng

pháp waterfilling.

Phƣơng pháp waterfilling là phƣơng pháp cấp phát công suất theo độ lợi kênh. Kênh có độ

lợi càng cao thì công suất cấp phát càng nhiều.

Nhƣ đã trình bày ở chƣơng III, dung lƣợng hệ thống MIMO với công suất cấp phát theo

waterfilling là

H

t

N HHN

iSEr

detlog 2 bps/Hz



Lƣu đồ thuật toán

Begin

nt_V=[1 2 3 2 4],nr_V=[1 2 2 3 4]

SNR_V=[-10:5:20]

NO=1e-6

,n=1e4,k=0

k=k+1;nt=nt_V(k)

nr=nr_V(k)

i=0

i=i+1;Pt=NO*SNR_V(i);j=0

j=j+1;H=random(‘rayleigh’,1,nr,nt)

[S V D]=svd(H)

L(i,j)=diag(V)

Capacity(i,j)=Waterfilling

j<n

i<length(SNR_V)

k<5

đúng

sai

End

đúng

sai đúng

sai



4.3 kết quả mô phỏng.[10]

MIMO Rayleigh fading Channel Capacity (Hamid Ramezani- 2006)

Nhìn vào kết quả ta có thể thấy rằng khi tăng số anten lên thì đồng nghĩa độ lợi kênh

truyền cũng tăng theo.Khi nt = nr =1 thì dung lƣợng kênh truyền rất thấp,và khi nt = nr =4 thì

dung lƣợng kênh truyền tăng một cách đáng kể,còn khi nt=3,nr=2 và nt=2,nr=3 thì dung

lƣợng của hệ thống xấp xỉ là nhƣ nhau.

Qua đó ta cũng có thể thấy đơn vị bit/s/Hz càng lớn thì tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống càng

nhỏ.

http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/authors/25488

CHƢƠNG V: TÓM TẮT LUẬN VĂN


CHƢƠNG V : TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn: “CÔNG NGHỆ MIMO TRONG 4G LTE” em đã trình bày tóm tắt

về tổng quan mạng di dộng 4G Lte.Để qua đó biết đƣợc những mặt ƣu và nhƣợc điểm của hệ

thống.Và mạng di động 4G Lte đƣợc kỳ vọng đáp ứng các đặc điểm sau:

Đặc tính đƣợc kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối mọi lúc, mọi

nơi. Để thỏa mãn đƣợc điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn tạp (bao gồm nhiều công nghệ mạng

khác nhau), kết nối, tích hợp nhau trên nền toàn IP. Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công

nghệ (multi-technology), đa mốt (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập

khác nhau. Muốn vậy, thiết bị di động sẽ sử dụng giải pháp SDR (Software Defined Radio) để

có thể tự cấu hình nhiều loại rađio khác nhau thông qua một phần cứng rađio duy nhất.

Mạng 4G cung cấp giải pháp chuyển giao liên tục, không vết ngắt (seamless) giữa

nhiều công nghệ mạng khác nhau và giữa nhiều thiết bị di động khác nhau.

Mạng 4G cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ tầm 100Mb/s và cơ chế nhằm đảm

bảo QoS cho các dịch vụ đa phƣơng tiện thời gian thực.

Để vƣợt lên khỏi tình trạng bảo hòa của thị trƣờng viễn thông, các nhà cung cấp mạng

sẽ phải tìm kiếm khách hàng bằng các dịch vụ tùy biến theo yêu cầu của khách hàng.

Mạng 4G sẽ lấy ngƣời dùng làm tâm điểm.

Em cũng đã phân tích, đánh giá,mô phỏng các công trình nghiên cứu đã có của các tác

giả liên quan mật thiết đến đề tài luận văn,luận văn cũng nêu ƣu, nhƣợc điểm chính của hệ

thống MIMO

Luận văn đã nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở nghiên cứu một số mô hình MIMO đƣợc đề

xuất áp dụng trong việc xây dựng mạng thông tin thế hệ 4G, trong đó luận văn trình bày cơ sở

lý thuyết, lý luận, các công thức toán học từ đó nhận xét cho một số mô hình này. Từ đó thấy

đƣợc tiềm năng cao của các LTE trong việc cải thiện chất lƣợng ngƣời sử dụng . Sau cùng

cũng đƣa ra bàn luận các kết quả này.

Những điểm em chƣa thực hiện đƣợc trong luận văn này đó là:

- Chƣa tìm hiểu sâu về kĩ thuật Beamfoming- tạo búp sóng, beamfomer- hƣớng búp sóng.

- Các phép toán,câu lời dịch từ tài liệu nƣớc ngoài liên qua đến luận văn chƣa hiểu rõ

hết.Em chỉ dựa kết quả của các bài báo,các tài liệu,luận văn của nhiều tác giả để tổng hợp lại.

Hƣớng phát triển tiếp theo của luận văn là :

- Ngoài đồ án chỉ giới hạn ở kênh truyền Rayleigh fading,mục tiêu phat triển của đồ án

là tiếp tục khảo sát cho các kênh truyền khác để từ đó rút ra đƣợc sự tối ƣu phân tập trong môi

kênh truyền.

- Tìm hiểu thêm về các loại mã không gian- thời gian nhƣ mã STTC,mã hóa lớp

BLAST.Để từ đó có cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống MIMO đƣợc áp dụng trong hệ

thống thông tin di động.



PHỤ LỤC LÝ THUYẾT CƠ SỞ:

1. Ma trận

Định nghĩa 1: Ma trận một bảng gồm mxn số thực đƣợc sắp xếp thành m dòng, n cột

và gọi là ma trận cấp mxn.

Ký hiệu ma trận

A =

11 12 1

21 22 2

1 2

n

n

m m mn

a a a

a a a

a a a

, hoặc A =

11 12 1

21 22 2

1 2

n

n

m m mn

a a a

a a a

a a a

hoặc A = ij mxna

Trong đó aij là phần tử của ma trận nằm trên dòng i, cột j, 1,2,..., , 1,2,..., .i m j n

Các phần tử aii gọi là phần tử nằm trên đƣờng chéo chính.

2 Ma trận chuyển vị

Định nghĩa 2: Ma trận AT của ma trận A

có các dòng là các cột của ma trận A (giữ

nguyên thứ tự) gọi là ma trận chuyển vị của ma trận A.

AT =

11 21 1

12 22 2

1 2

m

m

n m mn

a a a

a a a

a a a

3 Ma trận trực giao

Định nghĩa 3: Ma trận vuông A đƣợc gọi là ma trận trực giao nếu

AT.A = I

Tính chất:

a) Ma trận A = ija là ma trận trực giao khi và chỉ khi

ij

1

1, i=j.

0, i

n

ik jk

k

a aj

Trong đóij là kí hiệu Kronecker.

b) Nhƣ vậy ma trận trực giao A là khả nghịch và có A-1

= AT.

c) Mặt khác ta cũng thấy ma trận A trực giao khi và chỉ khi các vec tơ cột và các hàng

của A tạo thành các hệ trực chuẩn.

d) Ta có: 1 1TA A I A



4 Vec tơ riêng – Giá trị riêng

Định nghĩa 6: Cho A là ma trận vuông cấp n

A =

11 12 1

21 22 2

1 2

n

n

n m nn

a a a

a a a

a a a

Khi đó:

Đa thức bậc n của biến :

PA( ) = det (A- .I) =

11 12 1

21 22 2

1 2

n

n

n m nn

a a a

a a a

a a a

= (-1)n.

n + an-1.

n-1 +….+ a1. 1 + a0

đƣợc gọi là đa thức đặc trƣng của ma trận A.

Các nghiệm của đa thức đặc trƣng PA( ) gọi là giá trị riêng của ma trận A.

Nếu là một giá trị riêng của A thì det (A- .I) = 0. Khi đó hệ phƣơng trình thuần nhất:

(A- .I)1

2

x

x

=

0

0

có vô số nghiệm.

Không gian của hệ (1) gọi là không gian con riêng của ma trận A tƣơng ứng với giá trị

riêng .

Các vec tơ khác không là nghiệm của hệ (1) gọi là vec tơ riêng của ma trận A ứng với

giá trị riêng .

Các cơ sở tạo thành một cơ sở của không gian riêng (tức là các vec tơ tạo thành hệ

nghiệm cơ bản của hệ (1)) gọi là các vec tơ riêng độc lập tuyến tính ứng với giá trị riêng .

5. ĐỊNH LÍ 1 (Về sự phân tích SVD của ma trận)

Với mọi ma trận bất kỳ đều có thể phân tích dƣới dạng:

A = U. .

Với U và là các ma trận trực giao. Ma trận D đƣợc xây dựng:

= [

] với D = [

]

CHỨNG MINH:

Từ định lí thì ma trận A có các giá trị kì dị = √ do ≥ 0 r : ≥ ≥ … >

0,



≥ ≥ …. > 0 và = = … = = 0

- Ma trận V đƣợc xây dựng dựa trên các véc tơ riêng của ma trận

Cụ thể: V = [ … ]

- Xây dựng ma trận U:Với các (i : 1 r ) là các giá trị kì dị của ma trận . Đặt =

A vi (i = 1, …, r ). Từ đó ta xây dựng đƣợc ma trận U = [ … ] (m > r).

Với các ma trận U, , V đƣợc xác định nhƣ trên thì ta sẽ chứng minh:

A = U. .VT <=> A V = U

Ta có: A = với i = 1, …., r và ‖ ‖= 0 với i = r +1, r + 2, …, n

A = 0 với i = r +1, r + 2, …, n

Ta có: AV = A [ … ]

= [A …A ]

= [A …A ; 0,0,0…0]

= [ … ;0,0,0…0]

= [ ... ] [

]

= U

6) Công thức xác suất.



7 Hàm CDF

Cho biến ngẫu nhiên X, ta định nghĩa hàm phân phối lũy tích (cumulative distribution

function – CDF), hay còn gọi là hàm phân phối (distribution function) là:

Ta sẽ thấy hàm CDF chứa mọi thông tin cần thiết của biến ngẫu nhiên, do đó là một khái

niệm quan trọng.

Các biến ngẫu nhiên đƣợc chia vào 2 nhóm quan trọng là rời rạc và liên tục, tùy vào miền

giá trị mà biến ngẫu nhiên X có thể nhận. Nhắc lại là trong định nghĩa biến ngẫu nhiên, ta chỉ

nói chung chung rằng giá trị của X nằm trong , tuy nhiên cụ thể hơn, ta có:

Biến ngẫu nhiên X gọi là rời rạc nếu nó chỉ nhận giá trị trong một tập đếm đƣợc (không nhất

thiết hữu hạn) . Khi đó ta định nghĩa hàm mật độ xác suất (probability function,

hay probability mass function) của X là:

Do tính chất của xác suất nên đương

nhiên và . So sánh với định nghĩa hàm CDF ở trên, ta thấy:

Ta cũng có định nghĩa sau dành cho biến ngẫu nhiên liên tục:

Một biến ngẫu nhiên X gọi là liên tục nếu tồn tại hàm sao cho với

mọi x, và với mọi :

.

Hàm khi đó gọi là hàm mật độ xác suất (probability density function – PDF) của X.

Ta cũng có mối quan hệ giữa CDF và PDF của một biến ngẫu nhiên liên tục:

và đƣơng nhiên tại mọi điểm mà có đạo hàm (differentiable – khả

vi).

TÀI LIỆU THAM KHẢO


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Thạc sĩ Lê Xuân Giao. luận văn thạc sĩ .Học viện công nghệ bưu chính viễn thông-2008

[2] T.S Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lộ trình phát triển 3G lên 4G HSPA/LTE ”, Giáo trình,

Học viện CN BCVT, 2008

[3] Giáo trình Lte for 4G mobile Broadband-CAMBRIDGE

[4] MIMO in the Lte operation and measurement

[5] Gv.Nguyễn Viết Đảm – thông tin vô tuyến nâng cao

[6] http://vntelecom.org/diendan/showthread.php?t=11769

[7] Tài liệu IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY

[8] Trần Thị Ánh Duyên,luận văn thạc sĩ kỹ thuật,Nghiên cứu kỹ thuật phân tập anten thu

nhằm cải thiện chất lƣợng trong hệ thống MIMO-OFDM-2012

[9] Nguyễn Văn Thao, luận văn thạc sĩ kỹ thuật Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập để nâng cao

chất lƣợng hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4(4G/Lte)-2012.

[10] Website:http://mathworks.com

[11] Mr. H. P.KALOLA, Dr. K. R.PARMAR,Tài liệu “Optimal Power Allocation Based On

Singular Value Decomposition Of MIMO Channel Matrix-Page 489.”,2013

Engineering

công nghệ MIMO trong 4G-Lte