67
HC VIN CÔNG NGHBƯU CHÍNH VIN THÔNG Ễ Ô Ễ Ô -------- ĐỒ Á TT NGHIỆP ĐẠI HC n n n n MIMO trong LTE o n n n o n n n : Sinh vin Đ Đ Lp : D08VT5 n n n n : 0821010263 Khóa : 2008 2013 H: Chính quy /2012

ung dung ky thuat mimo trong-lte

  • Upload
    nguyen

  • View
    35

  • Download
    3

Embed Size (px)

Citation preview

HHỌỌCC VVIIỆỆNN CCÔÔNNGG NNGGHHỆỆ BBƯƯUU CCHHÍÍNNHH VVIIỄỄNN TTHHÔÔNNGG

Ễ Ô Ễ Ô

--------

ĐỒ Á

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

n n n n MMIIMMOO ttrroonngg LLTTEE

o n n n o n n n ::

SSiinnhh vvii nn Đ Đ

LL pp :: DD0088VVTT55

n n n n :: 00882211001100226633

KKhhóóaa :: 22000088 –– 22001133

HHệệ :: CChhíínnhh qquuyy

/2012

Ậ XÉ , ĐÁ Á, C Đ Ể

(Củ á v ướ dẫ )

Mạng thông tin di động với số lượng thuê bao tăng không ngừng đang thu hút

sự quan tâm của nhiều nhà vận hành mạng và cung cấp dịch vụ. Mạng di động được

triển khai và nâng cấp nhanh chóng từ mạng thế hệ 1G, 2G cho đến 3G và tương lai là

4G nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng. Tương lai

gần của mạng di động sẽ là 4G và LTE là một ứng cử viên sang giá cho 4G tại Việt

Nam cũng như nhiều nước trên thế giới.

Đặc thù của kênh vô tuyến là có tài nguyên hữu hạn và chịu ảnh hưởng lớn của

môi trường truyền đặc biệt là hiện tượng pha đinh. Kỹ thuật MIMO sử dụng đa anten

cả phía phát và phía thu được đưa ra nhằm cải thiện những nhược điểm trên và được sử

dụng hiệu quả để trở thành một trong những kỹ thuật đổi mới quan trọng trong LTE.

Đồ án “Ứ dụ ậ r E” của sinh viên Đ

lớp D08VT5 tập trung tìm hiểu công nghệ MIMO sau đó đi sâu nghiên cứu một số mô

hình ứng dụng MIMO trong LTE.

Nội dung của đồ án được trình bày mạch lạc theo kết cấu sau:

Tổng quan về LTE

Tổng quan về công nghệ MIMO

Ứng dụng của MIMO trong LTE

Trong quá trình thực hiền đồ án, sinh viên Nguyễn Đăng Minh đã thể hiện tính

độc lập, chủ động nghiên cứu hoàn thành đồ án cũng như tích cực trao đổi với giáo

viên hướng dẫn về những nội dung còn vướng mắc.

Dựa vào nội dung hoàn thành của đồ án và thái độ thực nghiêm túc làm đồ án

của sinh viên đề nghị hội đồng chấm đồ án thông qua.

Điểm: ……..(Bằng chữ: ………….) Ngày 10 tháng 12 năm 2012

á v ướ dẫ

Trang i

Ậ XÉ , ĐÁ Á, C Đ Ể

(Củ ườ p ả b ệ )

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..

Điểm: ……..(Bằng chữ: ………….) Ngày ... tháng ... năm 201…

CÁ BỘ- Ả Ê P Ả B Ệ

(ký, họ tên)

Trang ii

Danh mục các thuật ngữ viết tắt ........................................................................... iv

Danh mục bảng biểu ............................................ Error! Bookmark not defined.

Danh mục hình vẽ ............................................... Error! Bookmark not defined.

Lời nói đầu ........................................................................................................... vi

hương 1: Tổng quan về LTE .............................................................................. 1

1.1. Giới thiệu công nghệ LTE ................................................................ 1

1.2. Mục tiêu của LTE: ............................................................................ 2

1.3. ác đặc tính cơ bản của LTE ............................................................ 3

Bảng 1.1: ác thông số lớp vật lý LTE ...................................................... 4

Bảng 1.2: Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp ................................................... 5

Bảng 1.3: So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE .............................. 6

1.4. Tiềm năng công nghệ ........................................................................ 7

1.5. Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE ................................ 8

1.5.1. Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần. .................................... 8

1.5.2. Giải pháp đa anten .............................................................................. 9

1.5.3. Truyền dẫn đa điểm phối hợp........................................................... 10

1.5.4. ác bộ lặp và các bộ chuyển tiếp ..................................................... 11

2.1. Giới thiệu chương ........................................................................... 14

2.2. ấu hình đa anten ........................................................................... 14

2.3. Mô hình MIMO tổng quát .............................................................. 15

2.4. Đa anten thu .................................................................................... 16

2.4.1. Mô hình kênh phân tập anten thu ..................................................... 16

2.4.2. Sơ đồ kết hợp chọn lọc SC ............................................................... 17

2.4.3. Sơ đồ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC ..................................................... 19

2.4.4. Kết hợp loại b nhiễu IR ............................................................... 21

2.5. Đa anten phát .................................................................................. 24

2.5.1. Phân tập phát .................................................................................... 25

2.5.1.1. Phân tập trễ ................................................................................. 25

Trang iii

2.5.1.2. Phân tập trễ vòng........................................................................ 26

2.5.1.3. Phân tập bằng mã hóa không gian- thời gian ............................. 27

2.5.1.4. Phân tập dựa trên mã hóa không gian-tần số ............................. 28

2.5.2. Định dạng búp sóng bên phát ........................................................... 29

hương 3: Ứng dụng MIMO trong LTE ............................................................ 33

3.1. Giới thiệu chương ...................................................................................... 33

3.2. Nghiên cứu thực tế .......................................................................... 33

3.3. Sơ đồ một người dùng .................................................................... 35

3.3.1. Phân tập phát .................................................................................... 35

3.3.1.1. Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thu ...................... 35

3.3.2. Sơ đồ gh p kênh không gian ............................................................ 41

3.3.2.1. Nguyên lý cơ bản ........................................................................... 41

3.3.2.2. Gh p kênh dựa trên tiền mã hóa ................................................ 45

3.4. Sơ đồ nhiều người dùng................................................................... 48

3.5. Hiệu suất tầng vật lý của MIMO ..................................................... 50

3.5.1. Hiệu suất tiền mã hóa ........................................................................ 51

3.5.2. Hiệu suất MU-MIMO ....................................................................... 51

3.6. Đánh giá hiệu năng hệ thống ........................................................... 53

3.6.1. Hiệu năng từ phía người sử dụng ...................................................... 54

3.6.2. Hiệu năng từ góc độ nhà khai thác .................................................... 55

3.7. Tổng kết .......................................................................................... 56

Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 58

Trang iv

D ụ á ậ v

3GPP Third Generation Partnership

Project

Nhóm cộng tác 3GPP

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

ZF Zero Forcing Cưỡng bức không

MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division

multiple Access

đa truy cập phân chia theo tần

số đơn sóng mang

SDMA Spatial Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

không gian

WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

băng rộng

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số

GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiplex

Gh p kênh phân chia theo tần

số

trực giao

FDM Frequency Division Multiplex Gh p kênh phân chia theo tần

số

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplex

Gh p kênh phân chia theo tần

số trực giao

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động

tiên tiến

GSM Global System for Mobile

communications

Hệ thống thông tin di dộng toàn

cầu

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thong di động

toàn cầu

SC Selective Combining Kết hợp lựa chon

BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

STBC Space-Time Block Coding Mã khối không gian-thời gian

STTC Space-Time Trelis Coding Mã lưới không gian-thời gian

UTRAN Universal Terrestrial Radio

Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

đất toàn cầu

MU-MIMO Multi User MIMO MIMO đa người dùng

SU-MIMO Single User MIMO MIMO đơn người dùng

SVD Sigular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

STTD Space-Time Transmit Diversity Phân tập phát không gian-thời

gian

CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

FDD Frequence Division Duplexing Song công theo tần số

Trang v

TDD Time Division Duplexing Song công theo thời gian

UE User Eqipment Thiết bị người dùng

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

HSUPA High Speed Uplink Packet

Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường lên

Trang vi

Mạng thông tin di động với số lượng thuê bao tăng không ngừng đang thu

hút sự quan tâm của nhiều nhà vận hành mạng và cung cấp dịch vụ. Mạng di

động được triển khai và nâng cấp nhanh chóng từ mạng thế hệ 1G, 2G cho đến

3G và tương lai là 4G nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của

người sử dụng. Tương lai gần của mạng di động sẽ là 4G và LTE là một ứng cử

viên sang giá cho 4G tại Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới.

Đặc thù của kênh vô tuyến là có tài nguyên hữu hạn và chịu ảnh hưởng lớn của

môi trường truyền đặc biệt là hiện tượng pha đinh. Kỹ thuật MIMO sử dụng đa anten

cả phía phát và phía thu được đưa ra nhằm cải thiện những nhược điểm trên và được

sử dụng hiệu quả để trở thành một trong những kỹ thuật đổi mới quan trọng trong

LTE. Kỹ thuật cho ph p LTE cải thiện hơn về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ.

Mặc dù, sử dụng MIMO làm cho hệ thống phức tạp hơn vềquá trình xử lý tín hiệu và

yêu cầu số lượng anten, nhưng nó có thể tăng tốc độ dữ liệu lên mức cao, cho ph p

hiệu quả sử dụng phổ tần. MIMO là một kỹ thuật không thể thiếu của LTE. Nhận thức

được tầm quan trọng của kỹ thuật này, đặc biệt dưới sự hướng dẫn của cô giáo Ths. Lê

Tùng Hoa, em đã chọn đề tài nghiên cứu: Ứng dụng MIMO trong LTE làm nội dung

cho đồ án tốt nghiệp của mình.

Đồ án được chia làm 3 chương:

hương 1: Tổng quan về LTE

Nội dung của chương giới thiệu khái quát về 4G LTE: mục tiêu, tiềm năng phát triển,

các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE

hương 2: Tổng quan về kỹ thuật MIMO

Trình bày cấu hình và mô hình MIMO cơ bản: mô hình đa anten thu, đa anten phát

hương 3: Ứng dụng MIMO trong LTE.

Tìm hiểu về các kỹ thuật MIMO điển hình: phân tập dựa trên sơ đồ của lamouti

và gh p kênh không gian. Đồ án tập trung vào các kỹ thuật được ứng dụng nhiều

nhất trong hệ thống 4G LTE.

Trang vii

Được sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu

của cô giáo và ý kiến đóng góp của các thày cô giáo trong bộ môn

Vô tuyến cùng với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân đồ án được hoàn thành với nội

dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên, do trình độ và thời gian có

hạn, đồ án chắc chắn không tránh kh i những sai sót, kính mong các thày cô giáo và

các bạn chỉ bảo, đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát

triển tiếp theo.

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo đã tận tình giúp đỡ em trong

thời gian học tập và làm đồ án tốt nghiệp.

n n y… n …năm 0

Sinh viên thực hiện

ồ n t nghiệp

Trang 1

C ươ v TE

1.1. Giớ ệ ệ E

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế

hệ thứ ba dựa trên W DM đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính

cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm

xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS 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 lượng tiêu

thụ ở thiết bị đầu cuối. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền

thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho

di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động

tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới

ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử

dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE

và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA. Kiến trúc mạng mới

được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất

lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa

truy cập OFDMA và SC-FDMA. Thêm vào đó, FDD (Frequency Division

Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán song công FDD cho ph p các

UE có giá thành thấp. Không giống như FDD, bán song công FDD không yêu cầu

phát và thu tại cùng thời điểm. Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong

UE. Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang

(Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho ph p tăng vùng

phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-

Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA. Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ

liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA

Release 6.

ồ n t nghiệp

Trang 2

n y: Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và

đáp ứng nhu cầu của người sử dụng; Người dùng đòi h i tốc độ dữ liệu và chất lượng

dịch vụ cao hơn; Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói; Tiếp tục nhu cầu đòi h i của

người dùng về giảm giá thành (CAPEX và OPEX); Giảm độ phức tạp; Tránh sự

phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc không phải một cặp dải

thông.

o n p n Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung

vào phát triển thêm UTRAN và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP. Mục tiêu

hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1

MHz so với mạng HSDPA Rel. 6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần (100Mbps). Tải lên: gấp

2 đến 3 lần (50Mbps). Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 –

EUTRA - phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp

nhận. Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại. Các kỹ thuật

OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA được sử dụng cho đường lên.

1.2. ụ ủ E

Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân năm 2005 đã

được xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE. Những mục tiêu và yêu

cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913. Những yêu

cầu cho LTE được chia thành 7 phần khác nhau như sau:

Tiềm năng, dung lượng

Hiệu suất hệ thống

ác vấn đề liên quan đến việc triển khai

Kiến trúc và sự dịch chuyển

Quản lí tài nguyên vô tuyến

Độ phức tạp

Những vấn đề chung

ác mục tiêu của công nghệ này là:

Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20Mhz: Tải lên: 50 Mbps; Tải xuống: 100

ồ n t nghiệp

Trang 3

Mbps.

Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1Mhz so với

mạng HSDPA Rel.6:

Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.

Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần.

Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h. Vẫn hoạt động tốt

với tốc độ từ 15-120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ

từ 120-350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần).

ác chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít

trong phạm vi đến 30km. Từ 30-100km thì không hạn chế.

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng tần 1.25Mhz, 1.6 Mhz,

10Mhz, 15Mhz và 20Mhz cả chiều lên và chiều xuống. Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài

băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kĩ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật

là kĩ thuật vô tuyến OFDM (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kĩ thuật

anten MIMO (Multiple Input Multiple Output). Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn

trên nền IP (all-IP Network), và hỗ trợ cả hai chế độ FDD và TDD.

1.3. Cá ặ í ơ bản của LTE

ác đặc tính cơ bản của LTE gồm:

- Hoạt động ở băng tần: 700 MHz – 2,6 GHz

- Tốc độ:

+ DL: 100 Mbps (ở BW 20 MHz)

+ UL: 50 Mbps với 2 anten thu một anten phát

- Độ trễ: nh hơn 5ms

- Độ rộng BW linh hoạt: 1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz;

20 MHz. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc

không.

- Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt

động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-20 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng

tần.

ồ n t nghiệp

Trang 4

- Phổ tần số:

+ Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD.

+ Độ phủ sóng từ 5-100 km

+ Dung lượng 200 người dùng/tế bào ở băng tần 5 MHz.

- hất lượng dịch vụ

+ Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.

+ VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua

mạng UMTS.

- Liên kết mạng

+ Khả năng liên kết với các hệ thống UTR N/GER N hiện có và

các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.

+ Thời gian trễ trong việc chuyển tải giữa E-UTR N và UTR N

/ GER N sẽ nh hơn 300 ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500 ms

cho các dịch vụ còn lại.

- hi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm.

Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1,4 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa là

nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Trong thực tế, hiệu suất thực của

LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sự lựa chọn cho

phổ tần của chính nó. Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác trong chiến lược về

kinh tế và kỹ thuật. Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung

vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ

khắp nơi. Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của

3GPP. Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9 – 2 GHz) và dải mở rộng (2.5

GHz), cũng như tại 850 – 900 MHz, 1800 MHz, phổ WS (1.7 – 2.1 GHz)…. Băng

tần chỉ định dưới 5 MHz được định nghĩa bởi ITU thì phù hợp với dịch vụ IMT trong

khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tính

linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho ph p các nhà sản xuất phát triển LTE trong

những băng tần đã tồn tại của họ.

Cá ố lớp vậ lý ủa LTE

ác thông số lớp vật lý của LTE được thể hiện trên bảng 1.1 và tốc độ đỉnh của

nó trên bảng 1.1

Bảng 1.1: ác thông số lớp vật lý LTE

Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA)

ồ n t nghiệp

Trang 5

DL OFDMA

Băng thông 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz,

20 MHz

TTI tối thiểu 1 ms

Khoảng cách sóng mang con 15 KHz

hiều dài P Ngắn 4.7 µs

Dài 16.7 µs

Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

Gh p kênh không gian 1 lớp cho UL/UE

Lên đến 4 lớp cho DL/UE

Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL

Bảng 1.2: Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

Lớp 1 2 3 4 5

Tốc độ

đỉnh Mbps

DL 10 50 100 150 300

UL 5 25 50 50 75

Dung lượng cho các chức năng lớp vật lý

Băng thông RF 20 MHz

Điều chế DL QPSK, 16QAM, 64QAM

UL QPSK, 16QAM QPSK, 16QAM, 64QAM

Dịch vụ của LTE

Qua việc kết nối của đường 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 phương tiện. Tất cả các dịch vụ sẽ cần lưu

lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của người

dùng về đường truyền TV độ rõ n t cao. Đối với khách hàng là doanh nghiệp, truyền

các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng video hội nghị tốt…. LTE sẽ mang đặc tính

của Web 2.0 ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên. Dọc theo sự bảo đảm về

ồ n t nghiệp

Trang 6

thương mại,nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi và

chia sẻ tập tin.

Bảng 1.3: So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE

Dịch vụ Môi trường 3G Môi trường 4G LTE

Thoại Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất

lượng cao

Tin nhắn P2F SMS, MMS, các email ưu

tiên thấp

ác tin nhắn photo, IM, email

di động, tin nhắn video

Lướt web Truy cập đến các dịch vụ

online trực tuyến, Trình

duyệt W P thông qua

GPRS và mạng 3G

Duyệt siêu nhanh, tải các nội

dung lên các mạng xã hội.

Thông tin cước phí Người dùng trả qua hoặc

trên mạng tính cước chuẩn.

hính yếu là dựa trên thông

tin văn bản.

Tạp chí trực tuyến, dòng âm

thanh chất lượng cao.

Riêng tư hủ yếu là âm thanh

chuông, cũng bao gồm màn

hình chờ và nhạc chờ.

Âm thanh thực (thu âm gốc từ

người nghệ sĩ), các trang web

cá nhân.

Games Tải về và chơi game trực

tuyến.

Kinh nghiệm game trực truyến

vững chắc qua cả mạng cố định

và di động.

Video/ TV theo yêu

cầu

hạy và có thể tải video. ác dịch vụ quảng bá tivi, Tivi

theo đúng yêu cầu, dòng video

chất lượng cao.

Nhạc Tải đầy đủ các track và các

dịch vụ âm thanh.

Lưu trữ và tải nhạc chất lượng

cao.

Nội dung tin nhắn Tin nhắn đồng cấp sử dụng

ba thành phần cũng như

tương tác với các media

khác.

Phân phối tỷ lệ rộng của các

video clip, dịch vụ karaoke,

video cơ bản quảng cáo di

động.

ồ n t nghiệp

Trang 7

Thương mại qua điện

thoại

Thực hiện các giao dịch và

thanh toán qua mạng di

động.

Điện thoại cầm tay như thiết bị

thanh toán, với các chi tiết

thanh toán qua mạng tốc độ cao

để cho ph p 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

như các sử dụng của các

ứng dụng như RM.

huyển đổi file P2P, các ứng

dụng kinh doanh, ứng dụng

chia sẻ, thông tin M2M, di

động intranet/extranet.

1.4. ệ

Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbit/s

và cho đường 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. Do đó, điều kiện đặt ra là có

thể biểu diễn được 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5 bit/s/Hz cho đường lên. Như sẽ

được thảo luận dưới đây, LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD. Rõ ràng, đối với trường

hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường 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 trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho ph p quá trình phát và thu

đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý thuyết ở trên. Yêu cầu về độ trễ

được chia thành: yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển và yêu cầu độ trễ mặt phẳng người

dùng. Yêu cầu độ 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. ó hai cách xác định: cách xác định thứ nhất

được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (camped state) chẳng hạn

như trạng thái Release 6 Idle mode, khi đó thì thủ tục chiếm 100ms; cách xác định thứ

hai được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ chẳng hạn như trạng thái

Release 6 Cell-P H. Khi đó thì thủ tục chiếm 50ms. Trong cả hai thủ tục này thì độ trễ

chế độ ngủ và việc báo hiệu non-R N đều được loại trừ. (Chế độ Release 6 idle là 1

trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được 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

ồ n t nghiệp

Trang 8

cuối và thiết bị đầu cuối cũng không được 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 ell-P H là trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối

không được 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 nhưng thiết bị đầu cuối lại không được

cấp phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào. Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế

độ ngủ). Yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện qua thời gian để truyền một

gói IP nhỉ từ thiết bị đầu cuối tới nút biên R N hoặc ngược lại được đo từ lớp IP. Thời

gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5ms trong mạng không tải (unloaded

network), nghĩa là không có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện trong tế bào.

X t 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 dầu cuối được hỗ trợ. Số

lượng thiết bị đầu cuối không tích cực trong tế bào không nói rõ là bao nhiêu nhưng có

thể là cao hơn một cách đáng kể.

1.5. ệ p E

1.5.1. Truy n d n băn n n ẻ phổ tần.

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được th a mãn một

cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được

cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100 MHz được

thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced. Việc mở rộng độ rộng băng sẽ được thực

hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ. Điều này có thể đạt được bằng cách

sử dụng khối kết tập sóng mang trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết

hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết. Đối với thiết bị đầu cuối LTE,

mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị

đầu cuối LTE- dvanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập.

Hình 1 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc dù ở

khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết. Truy nhập đến một

lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên. Do đó, LTE-

ồ n t nghiệp

Trang 9

dvanced có thể cho ph p kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để xử lý các

tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có. Tuy nhiên, nên

lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi. Vì vậy,

mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổ phân tán chỉ

được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất.

Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn không chỉ hữu

ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc mở rộng vùng phủ

sóng với các tốc độ số liệu trung bình.

ìn -0-1 í v kh i kết t p ón m n

1.5.2. ả p áp

ác công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và gh p kênh theo không gian là các

thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai

trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced. Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấp lên

đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng ở đường xuống, kết

hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã. ấu trúc này cung cấp cả sự gh p theo không

gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như là định dạng chùm

(dựa trên sổ mã). Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 MHz, sơ đồ gh p

không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của

LTE- dvanced. ó thể thấy trước rằng hỗ trợ gh p kênh theo không gian trên đường lên

sẽ là một phần của LTE-Advanced. Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa

con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng

ồ n t nghiệp

Trang 10

tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần.

1.5.3. r dẫ p ố p

Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE- dvanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín

hiệu trên tạp âm và can nhiễu SNR ở thiết bị đầu cuối. Định dạng chùm là một cách. Ở

các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị xử lý

băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí. Mô hình triển khai

thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ở một nút đơn được mô tả ở Hình

2. Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn. Phụ thuộc

vào quy mô mở rộng, có 3 phương án , B, như sau:

Ở phương án , thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từ nhiều điểm

tách biệt về mặt vật lý. Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở bộ thu cho truyền

dẫn đơn điểm. Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyền đang tồn tại, quyết

định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ thể. Bởi vì các thiết bị đầu cuối

không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE

cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh. Ở

thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng

phát quảng bá đơn tần và kết quả là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở

trong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất ở trạng thái rỗi.

ồ n t nghiệp

Trang 11

ì 1.2: Truy n dẫ m phối h p

Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái kênh đến

mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu cuối riêng, trong

khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn điểm. Ở phía mạng, bởi vì

tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực hiện phối hợp các hoạt động

truyền dẫn nhanh và động ở các điểm truyền dẫn khác nhau. ó thể thực hiện tiền lọc tín

hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị riêng để giảm can nhiễu giữa những

người sử dụng. Loại truyền dẫn đa điểm phối hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi

ích tương tự như phương pháp ở trên nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu

mong muốn, nó còn cho ph p phối hợp can nhiễu giữa những người sử dụng để cải thiện

hơn nữa SNR. Bởi vì thiết bị đầu cuối không nhận biết việc xử lí chính xác ở mạng nên

cần có các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể.

Ở phương án , báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B. Tuy nhiên, không

giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biết truyền dẫn phối hợp

chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao nhiêu….). Thông tin này có

thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía thiết bị đầu cuối.

Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính đòi h i cách áp dụng xử lí tín hiệu thích

đáng ở bộ thu. Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn, vốn đã sử dụng

trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay.

1.5.4. Cá bộ lặp v á bộ p

Từ việc xem x t quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp khác

nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho ph p tăng tốc độ số

liệu. ác bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự thu được.

Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà không quan tâm

đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không. Những bộ lặp như vậy

không hiển thị đối với cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc. Tuy nhiên, có thể xem x t các

cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng có thể

điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người sử

dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu

ồ n t nghiệp

Trang 12

cung cấp trong khu vực. ác báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể

cũng được xem x t như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặp được

bật lên. Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạm gốc

và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động.

Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên

chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ. Đây thường được xem là chuyển tiếp

giải mã hóa-và-truyền tiếp. Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối số liệu thu

được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms. Tuy nhiên, các nút

chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thể được thực hiện

một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối.

Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính năng

được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới) nhưng ở mức

cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp được thực hiện ở lớp 2

(chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự chuyển tiếp (self backhauling))

Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại tạp âm), giải

pháp self backhauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào để

chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thể được ưa

chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng.

ì 1-3. Chuy n ti p trong LTE-Advanced

1.6. T ng k ươ

ồ n t nghiệp

Trang 13

Kết thúc chương 1 chúng ta có một cái nhìn tổng quan về LTE. Những yêu cầu

đặt ra cho LTE như: Tiềm năng, dung lượng; Hiệu suất hệ thống; ác vấn đề liên quan

đến việc triển khai; Kiến trúc và sự dịch chuyển; Quản lí tài nguyên vô tuyến; … Bên

cạnh đó, một số công nghệ thành phần đề xuất cho LTE như: các bộ lặp và các bộ

chuyển tiếp; truyền dẫn đa điểm phối hợp; kỹ thuật đa anten MIMO; truyền dẫn băng

rộng hơn và chia sẻ phổ tần. ác công nghệ này được đưa ra nhằm nâng cao dung

lượng và chất lượng đường truyền dẫn. Trong đó, các công nghệ đa anten, bao gồm

định dạng chùm và gh p kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt

vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-

Advanced.

ồ n t nghiệp

Trang 14

hương 2: Tổng quan về kỹ thuật MIMO

2.1. ớ ệ ươ

Kỹ thuật MIMO trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten

phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu. MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọng

của LTE, được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Kỹ thuật cho ph p LTE cải

thiện hơn về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ. Mặc dù, sử dụng MIMO làm cho hệ

thống phức tạp hơn về quá trình xử lý tín hiệu và yêu cầu số lượng anten, nhưng nó có

thể tăng tốc độ dữ liệu lên mức cao, cho ph p hiệu quả sử dụng phổ tần. MIMO là

một kỹ thuật không thể thiếu của LTE.

hương 2 sẽ cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật MIMO, mô hình MIMO

cơ bản; các kỹ thuật MIMO được sử dụng trong LTE.

2.2. C ì

Một trong những đặc tính quan trọng trong cấu hình đa anten là khoảng cách

giữa hai phần tử anten do khoảng cách các anten có mối quan hệ với độ tương quan

giữa fading kênh vô tuyến (được xác định bởi tín hiệu tại các anten khác nhau). ác

anten được đặt xa nhau để độ tương quan fading thấp. Ngược lại, các anten

được đặt gần nhau để độ tương quan fading cao, bản chất là các anten khác nhau

sẽ có fading tức thời tương tự nhau.

Khoảng cách thực tế cần thiết giữa các anten để độ tương quan cao/ thấp phụ

thuộc vào bước sóng, tương ứng là tần số sóng mang được sử dụng. Tuy nhiên,

nó cũng phụ thuộc vào kịch bản khi triển khai. Trường hợp các anten trạm gốc,

môi trường macro-cell (tức là ô lớn và vị trí anten trạm gốc phải cao), khoảng

cách anten vào khoảng 10 bước sóng thì mới đảm bảo độ tương quan thấp, trong

khi đó thì khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động khoảng nửa bước sóng.

Lý do khác nhau giữa trạm gốc với máy đầu cuối di động là do trong kịch bản

macro, phản xạ đa đường gây ra fading chủ yếu xuất hiện ở những vùng gần

xung quanh máy đầu cuối di động. Do đó, khi nhìn từ vị trí máy đầu cuối thì ta

ồ n t nghiệp

Trang 15

thấy là những đường khác nhau đi đến trong một góc lớn, độ tương quan vẫn sẽ

thấp với khoảng cách anten tương ứng nh . òn nhìn ở vị trí trạm gốc, những

đường khác nhau sẽ đến trong một góc nh hơn nhiều, nên khoảng cách anten

phải đủ lớn để độ tương quan thấp.

Trong kịch bản triển khai khác, ví dụ triển khai kịch bản micro-cell với các anten

trạm gốc thấp hơn nóc nhà và triển khai trong nhà. Môi trường trạm gốc lúc này

giống với môi trường máy đầu cuối hơn, cho nên khoảng cách giữa các anten

trạm gốc sẽ nh hơn vẫn đảm bảo độ tương quan thấp.

ác anten giả thiết ở trên có cùng phân cực. Một cách khác để đạt được độ

tương quan fading thấp là áp dụng phân cực khác nhau đối với anten khác nhau.

Khi đó các anten có thể được đặt gần nhau.

2.3. ì á

Mô hình kênh MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa

trong hình 2.1.

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

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 16

Ma trận kênh H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau:

[

]

(2.1)

Trong đó :

hnm là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m.

Giả sử: x x1, x2, …, xNt ]T là số liệu phát

y = [y1, y2, …, yNt]T là số liệu thu

η = [η1, η2, …, ηNt]T là tạp âm Gaus trắng phức của Nr máy thu.

T là ký hiệu ph p toán chuyển vị.

Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu

thức sau:

[

]

[

]

[

] [

] (2.2)

ó thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận Nr x Nt trong phương trình (2.2) như sau:

y Hx+η (2.3)

2.4. Đ

Kỹ thuật đa anten được sử dụng phổ biến nhất trong lịch sử và ít phức tạp

nhất là kỹ thuật đa anten thu. Nó thường được gọi là phân tập thu hoặc phân tập Rx

mặc dù không phải lúc nào mục đích của kỹ thuật này cũng là phân tập để chống lại

fading kênh vô tuyến.

2.4.1. ì p â tập anten thu

Trong mô hình kênh fadinh có 1 anten phát và Nr anten thu, ma trận kênh

như sau:

H = [h1,h2,…,hNr] (2.4)

Trong đó hm là độ lợi của đường truyền từ anten phát đến máy thu m với

m=1,2,…,Nr.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 17

Quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của hệ thống:

Ym(k) = hm(k)*x(k) + ηm(k) (2.5)

Trong đó k là thời điểm x t; tạp âm ηm ~ N(0,σ2); σ2

= N0/2.

Ta cần tách ký hiệu x(1) dựa trên y1(1), y2(1),…, yNr(1). Nếu các anten đủ

cách xa nhau, ta có thể coi độ lợi kênh hm độc lập Rayleigh với nhau và ta nhận

được độ lợi phân tập Nr.

Đối với điều chế BPSK, xác suất lỗi được tính như sau:

(√‖ ‖ ) (2.6)

Trong đó γ = 2Eb/N0 trong điều kiện kênh fadinh Rayleigh với độ lợi hm có phân bố

đồng nhất độc lập: N(0,σ2)

‖ ‖ ∑ | |

(2.7)

Với ||h||2

SNR là tổng SNR thu đối với vecto kênh cho trước h. ó thể phân

tách song tổng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thu khi cho điều kiện độ lợi kênh

thành hai thành phần sau:

‖ ‖

‖ ‖ (2.8)

Thành phần thứ nhất tương ứng với độ lợi dàn; việc sử dụng nhiều anten và

kết hợp nhất quán dẫn đến tổng công suất thu hiệu dung tăng tuyến tính với Nr;

tăng gấp đôi Nr sẽ cho độ lợi công suất 3dB. Thành phần thứ hai thể hiện độ lợi

phân tập: việc lấy trung bình trên tất cả các đường truyền độc lập dẫn đến xác suất

trong đó tổng độ lợi thu nh sẽ giảm. Lưu ý rằng nếu chỉ có độ lợi công suất mà

không có độ lợi phân tập khi tăng Nr. Mặt khác ngay cả khi tất cả hm đều độc lập

với nhau thì thành phần thứ hai :

‖ ‖

∑ | |

(2.9)

Sẽ hội tụ vào 1 khi Nr lớn (giả thiết rằng độ lợi kênh được chuẩn hóa đến

phương sai bằng 1)

2.4.2. Sơ ồ k t h p chọn lọc SC

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 18

Sơ đồ này sử dụng bộ kết hợp đơn giản nhất, trong đó bộ kết hợp chỉ đơn

giản ước tính cường độ tín hiệu tức thời trong Nr anten thu, sau đó chọn lựa anten

có tín hiệu mạnh nhất. Vì SC loại b năng lượng hữu ích từ các luồng nên sơ đồ

này rõ ràng không phải là tối ưu, tuy nhiên do tính đơn giản của nó nên nó được sử

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

hợp chọn lọc được cho trên hình 2.2

nh 2.2: S k t h p họn ọ

Để xác định độ lợi phân tập trong trường hợp này, ta tiến hành như sau: giả sử

SNR tức thời của một nhánh là 2

mm

m

E

, SNR trung bình của mỗi nhánh là

00 2

m

E

, trong đó Em là tín hiệu tức thời trên nhánh i, còn E0 là năng lượng công

suất tín hiệu trên một nhánh và 0 0

2m

N là mật độ tạp âm song biên nhánh m.

Xác suất SNR trên mỗi nhánh nh hơn hoặc bằng một giá trị γ g cho trước như

sau:

( ) ⁄ (2.10)

Xác suất tất cả SNR trong tất cả các nhánh cùng nh hơn γ g như sau:

(

) [ ⁄ ]

(2.11)

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 19

Nếu coi rằng γ g là ngưỡng mà dưới nó ta sẽ không chon bất k nhánh nào,

thì Nr gP sẽ là xác suất mất thong tin và phương trình xác suất mất thong tin sẽ

giảm đi đáng kể khi số anten thu Nr tăng.

Từ phương trình ta có thể xác định xác suất ít nhất có một anten được lựa

chọn như sau:

(í ấ ộ á γ )

γ (2.12)

Lấy vi phân ta có thể tìm được mật độ xác suất, lấy tích phân mật độ xác suất

ta có thể tính được SNR trung bình như sau:

(2.13)

Phương trinh cho thấy khi số anten thu Nr lớn, việc tăng anten thu cải thiện SNR

trung bình không đáng kể.

2.4.3. Sơ ồ k t h p tỷ lệ cực ại MRC

Hình 2.3 mô tả nguyên lý cơ bản của cách kết hợp các ký hiệu thu y1,…, yNr ở

Nr anten, các tín hiệu thu được nhân với trọng số phức * *

1w ,...,wNr trước khi cộng với

nhau.

Trong ký hiệu vector, sự kết hợp tuyến tính anten thu được biểu diễn như sau:

[

] [

] (2.14)

Giả thiết là tín hiệu phát chỉ bị ảnh hưởng của fading không chọn lọc tần số và tạp

âm trắng, tức là không có hiện tượng tán thời kênh vô tuyến, tín hiệu thu ở các

anten khác nhau trong hình 2.5 được biểu diễn như sau:

(

) (

) (

) (2.15)

Trong đó s là tín hiệu phát, vector h là độ lợi kênh phức và vector n là tạp

âm gây ảnh hưởng tới tín hiệu thu ở các anten khác nhau.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 20

nh 2.3: t h p nt n thu tuy n t nh

Dễ dàng có thể thấy rằng, để tối đa tỉ lệ tín hiệu/tạp âm sau khi kết hợp tuyến

tính, vecto trọng số phải được lựa chọn.

(2.16)

Đây được gọi là Kết hợp tỷ lệ cực đại MRC. Trọng số MRC thực hiện hai

mục đích:

• Quay pha tín hiệu thu tại các anten khác nhau để bù pha đáp ứng kênh và

đảm bảo tín hiệu được sắp xếp pha trước khi kết hợp với nhau.

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

cho tín hiệu thu mạnh hơn.

Trong trường hợp các anten không tương quan, khoảng cách giữa các anten

lớn hoặc hướng phân cực khác nhau thì độ lợi kênh h1...hNr không tương quan với

nhau và sự kết hợp tuyến tính anten sẽ đưa ra phân tập bậc Nr . Về mặt tạo búp

sóng phía thu, lựa chọn các trọng số anten tương ứng với một búp phía thu có độ

lợi lớn nhất theo hướng của tín hiệu. Do đó, sử dụng đa anten thu có thể làm tăng

tỷ số tín hiệu/tạp âm sau bộ kết hợp tỷ lệ với số lượng anten thu.

MRC là một chiến lược kết hợp anten thích hợp khi tín hiệu thu chủ yếu bị

ảnh hưởng bởi tạp âm. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, tín hiệu thu bị ảnh

hưởng chính của nhiễu từ nhiều anten phát trong hệ thống hơn là tạp âm. Trong

hoàn cảnh số lượng tín hiệu nhiễu khá lớn xấp xỉ cường độ tín hiêu, MRC vẫn là

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 21

một lựa chọn tốt. Lúc này, nhiễu tổng sẽ xuất hiện tương đối giống tạp âm, không

có hướng đến cụ thể. Tuy nhiên, trong những hoàn cảnh chỉ có một nguồn nhiễu

trội (tổng quát lên, số lượng nguồn nhiễu trội có giới hạn), như được minh họa

trong hình 2.6, hiệu năng sẽ được cải thiện nếu thay vì lựa chọn trọng số anten để

tối đa hóa tỷ số tín hiệu/ tạp âm sau khi kết hợp, thì các trọng số sẽ được lựa chọn

để triệt nhiễu. Về mặt tạo búp sóng thu, điều này tương ứng với việc làm yếu đi búp

sóng phía nhiễu và tập trung búp sóng theo hướng tín hiệu.

2.4.4. p l ạ b C

Áp dụng việc kết hợp anten với mục tiêu là triệt nhiễu được gọi là Kết hợp

loại b nhiễu IRC.

Trong trường hợp có một nguồn nhiễu trội như đã trình bày sơ lược trong hình

2.4, biểu thức (2.15) có thể mở rộng:

(

) (

) (

) (

) (2.17)

Trong đó xi là tín hiệu nhiễu phát, là độ lợi kênh phức từ nguồn nhiễu tới Nr

anten thu, áp dụng 2.14 vào 2.17, thấy rõ rằng tín hiệu nhiễu sẽ bị triệt tiêu hoàn

toàn nếu trọng số được chọn sao cho

(2.18)

Tổng quát, sẽ có Nr-1 giải pháp không tầm thường để biểu thị sự linh hoạt

khi lựa chọn vector trọng số. Sự linh hoạt này có thể được sử dụng để triệt nhiễu

trội. Đặc biệt hơn, trong trường hợp tổng quát với Nr anten thu sẽ có khả năng (ít

nhất là về mặt lý thuyết) triệt tiêu hoàn toàn Nr-1 nguồn nhiễu. Tuy nhiên với một

lựa chọn trọng số anten nào đó mà có thể triệt hoàn toàn một số nguồn nhiễu trội thì

có thể làm tăng tạp âm sau khi kết hợp anten.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 22

nh 2.5: h n ng u ng v i m t ngu n nhi u tr i

Vì vậy, cũng giống như cân bằng tuyến tính, khị lựa chọn trọng số anten phải

đẩm bảo tối thiểu hóa trung bình quân phương:

{| | } (2.19)

Và được gọi là kết hợp sai số trung bình quân phương cực tiểu MMSE

Tuy hình 2.5 minh họa kịch bản đường xuống với trạm gốc gây nhiễu, IRC

cũng có thể được áp dụng cho đường lên để triệt nhiêu từ máy di động.Với trường

hợp này, máy di động gây nhiễu có thể ở cùng ô (nhiễu trong ô) hoặc ở ô bên cạnh

(nhiễu ngoài ô) với máy di động mục tiêu. Triệt nhiễu trong ô liên quan tới trường

hợp đường lên không trực giao, đó là khi nhiều máy di động phát đồng thời sử

dụng cùng tài nguyên thời gian-tần số. Triệt nhiễu trong ô đường lên bằng IRC

thông thường được gọi là đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Hình 2.6: K ch b n ph thu v i m t ngu n nhi u mạnh từ máy ầu cu i di ng

a) Nhi u trong ô. ) Nhi u ngoài ô

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 23

Trong thực tế, kênh vô tuyến luôn bị ảnh hưởng của tán thời, tương đương

với tính chọn lọc tần số gây ra m o tín hiệu băng rộng. Một phương pháp để làm

giảm m o là cân bằng tuyến tính cả về thời gian và tần số.

ó thể thấy rằng kết hợp anten tuyến tính và cân bằng tuyến tính có nhiều

điểm giống nhau:

ân bằng/lọc tuyến tính trong miền thời gian/tần số là cách xử lý được áp

dụng với những tín hiệu thu tại những thời điểm khác nhau (tần số khác nhau) với

mục đích làm tối đa tỷ số SNR sau bộ cân bằng, triệt m o tín hiệu gây ra do tính

chọn lọc tần số của kênh vô tuyến (cân bằng ZF, MMSE...)

Kết hợp anten thu tuyến tính là cách xử lý tuyến tính được áp dụng với tín

hiệu thu tại các anten khác nhau, tức là xử lý trong miền không gian với mục đích

làm tối đa tỷ số SNR sau bộ kết hợp (kết hợp dựa trên MRC), triệt các nguồn nhiễu

cụ thể.

Do đó, trong trường hợp chung của kênh lựa chọn tần số và đa anten thu, cả

hai phương pháp xử lý/lọc tuyến tính không gian/thời gian đều được áp dụng như

minh họa trong hình 2.7, ở đó việc lọc tuyến tính có thể được coi là chung cho các

trọng số anten trong hình 2.3. ác bộ lọc được lựa chọn để làm giảm ảnh hưởng

của tạp âm, nhiễu và m o tín hiệu.

Đặc biệt trong trường hợp việc chèn thêm tiền tố chu k được áp dụng ở phía

phát thì quá trình xử lý tuyến tính không gian/tần số được minh họa như hình 2.8

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 24

nh 2.7: ý tuy n t nh không gi n th i gi n 2 hi u (2 nt n thu)

nh 2.8: ý tuy n t nh không gi n tần s 2 hi u (2 nt n thu)

Quá trình xử lý không gian/tần số phác thảo trong hình 2.8 mà không có

IDFT có thể được ứng dụng nếu phân tập thu được sử dụng trong truyền dẫn

OFDM. Trong trường hợp OFDM, không xảy ra m o tín hiệu do tính lựa chọn tần

số của kênh vô tuyến. Do đó, các hệ số miền tần số ở hình 2.8 có thể được lựa chọn

mà chỉ tính đến nhiễu và tạp âm. Về nguyên lý, điều này có nghĩa là các lược đồ kết

hợp anten MR và IR được áp dụng trên cở sở từng sóng mang con.

2.5. Đ p á

Như một sự thay thế hoặc bổ sung cho kỹ thuật đa anten thu, phân tập và tạo búp

sóng cũng có thể đạt được với việc áp dụng kỹ thuật đa anten phát. Việc sử dụng

nhiều anten phát rất phù hợp với đường xuống, như là nhiều anten phát ở trạm gốc.

Trong trường hợp này, việc sử dụng nhiều anten phát đưa ra cơ hội phân tập và tạo

búp mà không cần thêm anten thu. Mặt khác, vì lý do độ phức tạp nên việc sử dụng

nhiều anten phát cho đường lên tức là ở máy đầu cuối không mấy khả thi. Trường

hợp này tốt hơn là sử dụng đa anten thu ở trạm gốc.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 25

2.5.1. P â ập p á

Nếu không biết các kênh đường xuống của các anten phát khác nhau có khả

dụng không, kỹ thuật anten phát không thể thực hiện tạo búp sóng được mà chỉ thực

hiện phân tập. Để đạt được phân tập thì giữa các kênh của các anten khác nhau phải có

độ tương quan rất thấp. Như đã nói đến trong phần trên, điều này có được bằng

cách tăng khoảng cách giữa các anten hoặc các anten phân cực khác nhau.

2.5.1.1. P â ập tr

Kênh vô tuyến thường bị tán thời, tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu theo

qua nhiều tuyến fading độc lập có trễ khác nhau, mang lại khả năng phân tập đa

đường hoặc phân tập tần số tương ứng. Truyền dẫn đa đường mang lại lợi ích về

hiệu năng đường truyền vô tuyến, với giả thiết là số lượng đường truyền không quá

lớn và sơ đồ truyền dẫn phải chứa công cụ để bù m o tín hiệu ví dụ bằng cách

truyền dẫn OFDM hoặc sử dụng bộ cân bằng tiên tiến ở phía thu.

Nếu bản thân kênh vô tuyến không tán thời, kỹ thuật đa anten phát có thể

được sử dụng để tạo tán thời giả, tương đương là tính chọn lọc tần số giả bằng cách

phát các tín hiệu giống nhau với trễ tương ứng khác nhau từ nhiều anten. Bằng cách

này, fading từ các anten khác nhau sẽ có độ tương quan thấp, từ đó có thể đạt được

phân tập tần số. Loại phân tập trễ này được minh họa trong hình 2.9 với trường

hợp 2 anten phát. Trễ tương ứng T sẽ được lựa chọn để đảm bảo phù hợp với tính

chọn lọc tần số thông qua băng tần của tín hiệu phát đi. Hình 2.9 minh họa với

trường hợp 2 anten phát. Phân tập trễ có thể được mở rộng với nhiều hơn 2 anten

phát với trễ tương ứng khác nhau trên mỗi anten.

Phân tập trễ bản chất là không thể thấy được ở máy đầu cuối. Ở đó chỉ có thể

thấy được một kênh vô tuyến gây ra tán thời. Do đó, phân tập trễ có thể được đưa

vào hệ thống truyền thông di dộng một cách dễ dàng mà không cần bất k một sự hỗ

trợ đặc biệt nào về chuẩn giao diện vô tuyến. Phân tập trễ cũng được áp dụng trong

một số sơ đồ truyền dẫn cơ bản, những sơ đồ này được thiết kế để lợi dụng sfading

chọn lọc tần số, bao gồm W DM và DM 2000.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 26

nh 2.9 : Phân tập tr 2 anten

2.5.1.2. P â ập tr vò

Phân tập trễ vòng CDD tương tự như phân tập trễ, khác ở chỗ là CDD hoạt

động theo khối và áp dụng dịch vòng thay vì trễ tuyến tính cho các anten khác nhau.

Do đó CDD được áp dụng cho những sơ đồ truyền dẫn dựa trên khối như OFDM

và DFTS-OFDM.

Trong trường hợp truyền dẫn OFDM, dịch vòng tín hiệu miền thời gian thì

tương ứng là dịch pha phụ thuộc tần số trước khi điều chế OFDM như được minh

họa trong hình dưới đây. Giống như phân tập trễ, nó cũng tạo ra tính lựa chọn tần số

giả ở máy thu.

nh 2.10: Phân tập tr vòng 2 nt n (CDD)

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 27

2.5.1.3. P â tập bằng ã gian- thời gian

Mã hóa không gian thời gian là thuật ngữ để chỉ những sơ đồ truyền dẫn đa

anten mà ở đó việc điều chế các ký hiệu được ánh xạ sang miền thời gian và không

gian (đa anten phát) để đạt được phân tập. Mã hóa khối không gian - thời gian

STBC phức tạp hơn sơ đồ phân tập phát không gian- thời gian STTD, STBC là một

phần của chuẩn 3G CDMA từ phát hành đầu tiên của nó.

Như minh họa trong hình 2.11, STTD thực hiện theo từng cặp ký hiệu điều

chế. ác ký hiệu điều chế được phát trực tiếp trên anten đầu tiên. Tuy nhiên, trên

anten thứ hai thứ tự của các ký hiệu sẽ đảo lại, đồng thời đảo dấu và chuyển liên

hợp phức.

nh 2.11: Phân tập phát không gi n-th i gian WCDMA (STTD)

Truyền dẫn STTD được biểu thị theo vector như sau:

(

) (

) (

) (2.20)

Trong đó y2n và y

2n+1 là ký hiệu thu trong khoảng 2n và 2n+1. Biểu thức trên

được giả thiết là các tham số h1 và h2 không thay đổi trong khoảng 2 ký hiệu kề

nhau. Ma trận H là ma trận nhất phân. Ký hiệu phát x2n và x

2n+1 sẽ được phục hồi

lại bằng cách nhân ma trận W=H-1

với ma trận vector r.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 28

nh 2.12: Phân tập phát không gian/tần s 2 anten

2.5.1.4. P â tập dựa r ã gian-t n số

Mã hóa khối không gian-tần số SFBC cũng giống như mã hóa khối không gian-thời

gian chỉ khác nhau là việc mã hóa thực hiện trong miền tần số chứ không phải trong

miền thời gian. Vì thế, SFBC được ứng dụng trong OFDM và những sơ đồ truyền

dẫn miền tấn số . Không gian – tần số tương đương với STTD (mà được gọi là

phân tập phát không gian- tần số SFTD) như được minh họa trong hình 2.13. Khối tín

hiệu điều chế (miền tần số) a0, a1, a2, a3,... được ánh xạ trực tiếp sang các sóng mang

OFDM trên kênh thứ nhất, trong khi khối kí hiệu * * * *

1 0 3 2, , ,a a a a được ánh xạ sang các

sóng mang con ở anten thứ hai.

nh 2.13. Tạo úp song ổ iển v i t ng cao anten cao:

a) Cấu h nh nt n. b) Cấu trú úp sóng

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 29

So sánh hình 2.12 với nửa trái hình 2.10, ta thấy về bản chất sự khác nhau giữa

SFBC với phân tập trễ vòng là ở chỗ khối ký hiệu điều chế miền tần số được ánh xạ

như thế nào tới anten thứ hai. Lợi ích của SFBC so với CDD là SFBC cung cấp phân

tập ngay ở mức ký hiệu điều chế trong khi CDD phải dựa vào mã hóa kênh kết

hợp với đan xen miền tần số để đưa ra phân tập.

2.5.2. Định dạ búp b p á

Nếu thông tin về các kênh đường xuống của các anten phát khác nhau, và

các thông tin chi tiết hơn về pha của kênh tương ứng được biết ở phía anten phát,

thì ngoài khả năng cung cấp phân tập, kỹ thuật đa anten phát còn đưa ra khả năng

tạo búp sóng. Nói chung, tạo búp sóng làm tăng cường độ tín hiệu ở phía thu theo hệ

số NT, tỷ lệ với số anten phát. Khi thảo luận về sơ đồ truyền dẫn dựa trên đa anten

để tạo búp sóng có thể tách riêng giữa hai trường hợp độ tương quan cao và thấp.

Độ tương quan cao tức là trong cấu hình anten thì khoảng cách giữa các

anten nh như hình 2.13a. Trong trường hợp này, các kênh giữa các anten khác

nhau và một máy thu nào đó sẽ giống nhau, giống về fading kênh vô tuyến, ngoại

trừ sự khác nhau về pha phụ thuộc hướng. Búp sóng truyền dẫn tổng có thể được

lái theo các hướng khác nhau bằng cách áp dụng dịch pha khác nhau cho các tín

hiệu được truyền trên các anten khác nhau như minh họa trong hình 2.13b.

Tạo búp anten phát với dịch pha khác nhau áp dụng cho các anten có độ

tương quan cao thường được gọi là tạo búp phân lớp. Do khoảng cách giữa các

anten nh , búp sóng tổng sẽ tương đối rộng và bất k một sự thay đổi nào về hướng

búp sóng ( trong thực tế sẽ là sự thay đổi dịch pha ) sẽ được thực hiện chậm. Sự

thay đổi này dựa trên các ước tính về hướng máy di dộng đầu cuối xuất phát từ các

ph p đo đường lên. Ngoài ra, do giả thiết độ tương quan giữa các anten cao, tạo

búp phân lớp không thể mang lại khả năng phân tập mà chỉ làm tăng cường độ tín

hiệu thu mà thôi.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 30

nh 2.14. Tạo úp sóng dự trên ti n mã hó

trong tr ng h p t ng quan anten thấp

Độ tương quan giữa các anten thấp tức là khoảng cách giữa các anten khá

lớn như minh họa trong hinh 2.14 hoặc phân cực khác nhau. Với độ tương quan

thấp, nguyên lý tạo búp cơ bản tương tự như trong hình 2.13, tức là tín hiệu được

phát trên các anten khác nhau sẽ được nhân với trọng số phức khác nhau. Tuy

nhiên, trái ngược với tạo búp phân lớp, lúc này trọng số anten sẽ mang giá trị phức

tức là pha và biên độ của tín hiệu sẽ được thay đổi. Nó phản ánh một thực tế là do độ

tương quan thấp nên pha và hệ số tăng ích tức thời trên mỗi anten sẽ không giống

nhau.

Việc áp dụng các trọng số khác nhau cho các tín hiệu được phát trên các

anten khác nhau có thể được biểu diễn dưới dạng vector giống như áp dụng một

vector tiền mã hóa cho tín hiệu phát như sau:

(

) (

) (2.21)

Giả thiết là tín hiệu được phát đi từ các anten khác nhau chỉ bị tác động bởi

fading phẳng và nhiễu trắng, tức là sẽ không có tán thời kênh vô tuyến, để công

suất tín hiệu thu lớn nhất, các trọng số tiền mã hóa sẽ được lựa chọn theo công thức:

√∑ | |

(2.22)

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 31

Đây là liên hợp phức chuẩn hóa của hi để đảm bảo công suất phát tổng cố

định. Vì thế vector tiền mã hóa phải :

Quay pha tín hiệu phát để bù lại pha kênh tức thời và đảm bảo tín hiệu thu

được chỉnh pha.

Gán công suất cho các anten khác nhau với quy tắc là công suất cao sẽ được

gán anten có điều kiện kênh tốt (độ lợi anten cao)

Đảm bảo giữ công suất phát tổng không đổi.

Sự khác nhau chính giữa tạo búp sóng cổ điển theo hình 2.13 với giả thiết độ

tương quan anten cao và tạo búp theo hình 2.14 với giả thiết độ tương quan anten

thấp là đối với trường hợp thứ hai thì cần nhiều thông tin về kênh hơn, bao gồm

việc ước tính fading tức thời của kênh. Do đó việc cập nhật vector tiền mã hóa

được thực hiện trong thời gian tương đối ngắn để cập nhật lại sự thay đổi fading.

Khi thay đổi các trọng số của bộ tiền mã hóa cũng phải tính đến fading tức thời bao

gồm độ lợi kênh tức thời, tạp búp nhanh như hình 2.14 cũng đưa ra phân tập.

Ngoài ra, ít nhất trong trường hợp truyền dẫn dựa trên FDD, với truyền dẫn

đường lên và đường xuống thực hiện trong băng tần khác nhau, fading vì thế mà sẽ

không tương quan giữa đường lên và đường xuống. Do đó, chỉ máy đầu cuối di

động mới xác định fading đường xuống. Máy đầu cuối sẽ báo cáo về ước tính kênh

đường xuống cho trạm gốc bằng tín hiệu đường lên. Máy đầu cuối lựa chọn vector

tiền mã hóa thích hợp từ một tập hợp hữu hạn các vector tiền mã hóa được gọi là

codebook, và báo cáo về trạm gốc.

Mặt khác, trong trường hợp TDD, với truyền dẫn đường lên và đường xuống

thực hiện trong cùng băng tần nhưng tại các khe thời gian khác nhau, giữa đường

lên và đường xuống sẽ có tương quan fading cao. Trong trường hợp này, trạm gốc có

thể xác định fading đường xuống tức thời (ít nhất là về mặt lý thuyết) từ các ph p

đo trên đường lên mà không cần hồi tiếp. Tuy nhiên phải giả thiết máy đầu cuối

phát liên tục trên đường lên.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 32

nh 2.15.Ti n mã hó trên mỗi sóng m ng on của OFDM (2 anten phát)

2.6. T ng k ươ

hương 2 đã cho chúng ta có một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật MIMO: cấu hình,

mô hình tổng quát của hệ thống MIMO cơ bản. ác sơ đồ được sử dụng trong đa anten

thu như sơ đồ kết hợp chọn lọc S , sơ đồ kết hợp tỉ lệ cực đại MR , sơ đồ kết hợp loại

b nhiễu IR . ác phương pháp được sử dụng trong đa anten phát như: phân tập trễ,

phân tập trễ vòng, phân tập bằng mã hóa không gian-thời gian, phân tập dựa trên mã

hóa không gian tần số. Nếu thông tin về các kênh đường xuống của các anten phát

khác nhau, và các thông tin chi tiết hơn về pha của kênh tương ứng được biết ở phía

anten phát, thì ngoài khả năng cung cấp phân tập, kỹ thuật đa anten phát còn đưa ra

khả năng tạo búp sóng.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 33

C ươ 3 Ứng dụng MIMO trong LTE

3.1. Giới thiệ ươ

MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọng của LTE, được sử dụng để cải thiện

hiệu suất của hệ thống. Kỹ thuật cho ph p LTE cải thiện hơn về dung lượng và hiệu

quả sử dụng phổ. Mặc dù, sử dụng MIMO làm cho hệ thống phức tạp hơn về quá trình

xử lý tín hiệu và yêu cầu số lượng anten, nhưng nó có thể tăng tốc độ dữ liệu lên mức

cao, cho ph p hiệu quả sử dụng phổ tần. hương này sẽ giới thiêu một số kỹ thuật sử

dụng trong MIMO như: gh p kênh không gian, định dạng búp sóng, sơ đồ phân tập

của lamouti. Trong đó sơ đồ của lamouti là một ứng dụng cơ bản trong MIMO.

3.2. ứu thực t

LTE- dvanced là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ

dựa trên OFDM này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9.

LTE-Advanced, dự án được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với các

đặc tả được mong đợi hoàn thành vào quý 2 năm 2010 như là một phần của Release 10

nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di

động thế hệ thứ 4 (4G) IMT- dvanced được thiết lập bởi ITU. Trong LTE-Advanced

Release 10, 3GPP cho thấy thiết bị người dùng với công nghệ MIMO có thể sử dụng

tới 4 ăng ten để truyền dữ liệu trên đường lên tới mạng vô tuyến di động.Tại đường

xuống, tối đa có tới 8 luồng dữ liệu song song được cung cấp. MIMO cho ph p công

suất mạng LTE được mở rộng hơn nữa. Hiện tại, 3GPP LTE chỉ sử dụng MIMO trên

đường xuống với 4 luồng dữ liệu song song. ho đến nay, mới chỉ có thể truyền được

một luồng dữ liệu trên đường lên. LTE-Advanced sẽ tương thích ngược và thuận với

LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE Advanced mới và các

thiết bị LTE-Advanced sẽ hoạt động ở cả các mạng LTE cũ.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 34

Gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT- dvanced nhằm tạo ra định nghĩa

chính thức về 4G. Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên các mạng tuân theo các yêu cầu của

IMT- dvanced xoay quanh báo cáo ITU-R M.2134. Một số yêu cầu then chốt bao

gồm:

Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 40 MHz.

Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)

Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử sử dụng

MIMO 4x4)

Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6,75 b/s/Hz (giả sử sử dụng

MIMO 4x4)

Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1,5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s thường

được coi là mục tiêu của hệ thống 4G).

Hiện tại chưa có công nghệ nào đáp ứng những yêu cầu này. Nó đòi h i những

công nghệ mới như là LTE- dvanced và IEEE 802.16m. Một số người cố gắng dán

nhãn các phiên bản hiện tại của WiM X và LTE là 4G nhưng điều này chỉ chính xác

đối với phiên bản tiến hóa của các công nghệ trên, chẳng hạn LTE- dvanced, còn

LTE chỉ có thể gọi với cái tên không chính thức là 3,9G. LTE sử dụng kỹ thuật đa truy

nhập phân chia theo tần số trực giao OFDM ở đường xuống. Trong khi đó, ở đường

lên, LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng mang S -

FDMA.

ín năn

Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 326Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz

Tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 86,4 Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz

Hoạt động ở cả chế độ TDD và FDD.

Độ rộng băng tần có thể lên đến 20 MHz bao gồm cả các độ rộng băng 1,4; 3; 5;

10; 15 và 20 MHz

Hiệu quả sử dụng phổ tăng so với HSP ở Release 6 khoảng 2 đến 4 lần.

Độ trễ giảm với thời gian trễ vòng giữa thiết bị người sử dụng và trạm gốc là 10

ms và thời gian chuyển từ trạng thái không tích cực sang tích cực nh hơn 100 ms.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 35

3.3. ơ ồ mộ ười d

3.3.1. P â ập p á

Nếu không biết các kênh đường xuống của các anten phát khác nhau có khả

dụng không, kỹ thuật anten phát không thể thực hiện tạo búp sóng được mà chỉ thực

hiện phân tập. Để đạt được phân tập thì giữa các kênh của các anten khác nhau phải có

độ tương quan rất thấp. Như đã nói đến trong phần trên, điều này có được bằng

cách tăng khoảng cách giữa các anten hoặc các anten phân cực khác nhau

3.3.1.1. S ồ Alamouti hai anten p v i m t anten thu

Sơ đồ Alamouti được thiết kế cho hai anten phát, tuy nhiên ở mức độ nhất định

có thể được tổng quát hóa cho nhiều hơn hai anten.

Với pha đinh phẳng, hai anten phát và một anten thu, có thể viết kênh thu đơn

như sau:

y(k) = h1(k).x1(k) + h 2 (k)x 2 (k) + η(k) (3.1)

Trong đó, hn là độ lợi kênh từ anten phát n, k là chỉ số biểu thị thời điểm

phát. Sơ đồ Alamouti phát hai ký hiệu phức x1 và x2 trên hai thời gian ký hiệu trên

hai anten 1 và 2 như sau: tại thời điểm k, x1(k) = x1 và x2(k) = x2; tại thời điểm k+1,

x1(k+1) = - *

2x và x2(k+1) = *

1x .

Nếu coi rằng kênh không đổi trong thời gian hai ký hiệu và đặt h1 = h1(k) =

h1(k+1), h2 = h2(k) = h2(k+1), khi này có thể viết ma trận vào dạng sau:

[

] [ ] [

] [

η η

] (3.2)

ó thể viết lại phương trình trên vào dạng sau:

*

+ [

] *

+ [

η η

] (3.3)

Nhận thấy cột của ma trận chữ nhật trong phương trình trên trực giao với

nhau. Vì thế nhiệm vụ tách sóng x1 và x2 được chia thành hai nhiệm vụ vô hướng

trực giao.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 36

nh 3.1. S Alamouti hai anten phát và m t anten thu

Sơ đồ Alamouti làm việc cho tất cả các kiểu chùm ký hiệu x1, x

2 khác nhau,

tuy nhiên để đơn giản, ở đây chỉ x t BPSK với truyền 2 bit trong thời gian hai ký

hiệu. Trong sơ đồ mã lặp cần sử dụng 4-PAM để đạt được cùng tốc độ bít. Để đạt

được cùng khoảng cách tối thiểu như các ký hiệu BPSK trong sơ đồ Alamouti, cần

tăng 5 lần năng lượng ký hiệu.

Hình 3.1 cho trình bày sơ đồ Allamouti hai anten phát và một anten thu với 3

chức năng sau:

Mã hóa và chuỗi các ký hiệu phát tại máy phát

Sơ đồ kết hợp tại máy thu

Quy tắc quyết định khả năng giống cực đại

a. ã v uỗ p á

Trong khoảng thời gian cho trước một ký hiệu, hai ký hiệu được truyền đồng

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 37

thời từ hai anten phát. Tín hiệu kí hiệu phát từ anten 1 là x1(k) = x1, tín hiệu phát từ

anten 2 là x2(k) = x2. Trong thời gian kí hiệu tiếp theo, x1(k+1) = - x2* được phát đi từ

anten 1 và , x2(k+1) = - x1* được phát đi từ anten 2.

Ký hiệu h1(k) và h2(k) là đáp ứng kênh cho đường truyền từ anten phát 1 và

đường truyền từ anten phát 2 tại thời điểm k. Giả thiết phađinh không đổi trong thời

gian hai ký hiệu phát, có thể viết:

h1(k) = h1(k+1) = h1 = 1

1

je (3.4)

h1(k) = h1(k+1) = h1 = 1

2

je

(3.5)

Trong đó T là độ dài ký hiệu và kT là thời gian x t. Khi này ta có thể viết

các biểu thức sau cho các ký hiệu thu:

y1 = y(k) = h1x1 + h2x2 + 1 (3.6)

y2 = y(k+1) = 1 2 2 1 2h x h x (3.7)

Trong đó y1 và y2 là kí hiệu cho các tín hiệu thu tai thời điểm k và k+1, η1 và η2 là

các biến ngẫu nhiên phức thể hiện tạp âm có phân bố Gauss.

Từ các phương trình trên , có thể viết lại phương trình cho kí hiệu thu như sau:

y = Hx + η (3.8)

Trong đó : *

1 2

T

y y y là vecto thu

1 2

* *

2 1

h hh

h h

là ma trân kênh tương đương.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 38

1 2

Tx x x

b. ơ ồ k t h p

Giả thiết rằng máy thu hoàn toàn biết được trạng thái kênh. Bộ kết hợp thực hiện

nhân bên trái vector thu y với ma trận chuyển vị Hermitian HH

để được :

2 2

1 2

2 2

1 2

| | | | 0

0 | | | |

Hh hx x H

h h

(3.9)

Sử dụng triển khai trên, ta tính được các ước tính của kí hiệu x1 và x2 như sau:

2 2 * *

1 1 2 1 1 1 2 2

2 2 * *

2 1 2 1 2 2 1

( )

( ) 2

x x h h

x x h h

(3.10) và (3.11)

Bộ kết hợp trên hình tạo ra hai ký hiệu kết hợp và gửi chúng đến bộ quyết định

khả giống cực đại.

c. Quy t c quy t ịnh khả n iống cực ại

Từ hai tín hiệu đầu ra bộ kết hợp, bộ tách sóng khả giống cực đại sẽ chọn ra

hai tín hiệu ước tính x1 và x2 sao cho:

d(~x 1 , x1 ) ≤ d(~x 1 , x k ) (3.12)

d(~x 2 , x 2 ) ≤ d(~x 2 , x k ) (3.13)

SNR tổng hợp có thể được tính như sau (nếu coi rằng năng lượng tín hiệu phát chia

đều cho hai anten)

22

1

2 2

n

sE

(3.14)

Trong đó Eb là năng lượng của tín hiệu phát, σ 2

= N0/2 với N0 tạp âm đơn biên.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 39

S ồ Alamouti hai anten p Nr anten thu

nh 3.2: S Alamouti hai anten phát và h i nten thu

Trong trường hợp này sử dụng hai anten phát và Nr anten thu. Để minh họa, ta

x t trường hợp hai anten thu (Nr = 2) như trên hình 3.2. X t quá trình xử lý trong

thời gian hai ký hiệu và coi rằng độ lợi kênh không thay đổi trong thời gian này.

Mã hóa và chuỗi phát của các ký hiệu thông tin trong trường hợp này như

sau:

Anten 1 Anten 2

Thời điểm k x1 x2

Thời điểm k+1 *

2x

x* 1

B ng 3.1. Mã hó và huỗi ký hiệu phát ho s phân tập phát h i nt n

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 40

2

Anten thu 1 Anten thu 2

Anten phát 1 h11 h12

Anten phát 2 h21 h22

B ng 3.2 .Đ nh nghĩ á kênh giữa anten phát và nt n thu

Anten thu 1 Anten thu 2

Thời gian k h11 h12

Thời gian k+1 h21 h22

B ng 3.3. ý hiệu á t n hiệu thu tại hai anten thu

Biểu thức cho các tín hiệu thu như sau:

y1 (k) = y1 = h11x1 + h 21x 2 + η1 (k) (3.15)

y2 (k) = y2 = h12x2 + h 22x 1 + η1 (k) (3.16)

Trong đó, hmn là độ lời đường truyền từ anten phát n đến anten thu m.

Từ phương trình trên, đối với hai ký hiệu liên tiếp được thu từ máy thu thứ nhất tại

thời điểm k và k+1, ta có:

Y1=H1x+N1 (3.17)

Tương tự đối với 2 kí hiệu thu liên tiếp thu được từ máy thu thứ hai, ta có:

Y2=H2x+N2 (3.18)

Để tính toán ước tính, nhân H với các ma trận kên chuyển vị Hermitian tương

ứng:

1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2

H H H

H H H

H Y H H x H N

H Y H H x H N

(3.19) và (3.20)

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 41

3.3.2. ơ ồ p

Việc sử dụng nhiều anten ở cả phía thu và phía phát được coi như là một

cách để cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm/nhiễu và phân tập chống lại fading so

với việc chỉ sử dụng nhiều anten ở phía phát hoặc phía thu. Đó có thể được gọi là

gh p kênh không gian, cho ph p tận dụng hiệu quả hơn tỷ số tín hiệu trên tạp

âm/nhiễu và tốc độ dữ liệu tăng lên đáng kể qua giao diện vô tuyến.

3.3.2.1. y n lý bản

Từ các phần trước có thể thấy rõ là kỹ thuật đa anten ở phía thu và phía phát

giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm phía thu tương ứng với số lượng anten bằng

cách áp dụng kỹ thuật tạo búp sóng ở phát và thu.Trong trường hợp tổng quát với

Nt an ten phát và Nr anten thu, tỷ số tín hiệu trên tạp âm có thể tăng lên tương ứng

với Nt x Nr , và cho ph p tăng tốc độ dữ liệu với giả thiết băng thong không giới

hạn. Tuy nhiên, nếu trong trường hợp băng thông bị giới hạn trong dải hoạt động

thì tốc độ dữ liệu sẽ bão hòa khi băng thông không thể tăng được nữa.

Để hiểu về bão hòa tốc độ dữ liệu, xem x t biểu thức cơ bản về dung lượng

kênh chuẩn hóa sau đây:

2log 1C S

BW N

(3.25)

Bằng phương pháp tạo búp , tỉ số S/N có thể tăng tương ứng với Nt x Nr.

Nhìn chung, log2(x + 1) = x khi x nh . Tức là với S/N thấp, dung lượng kênh sẽ

tăng theo tỉ số S/N. Với x lớn, log2(x+1) = log2x, tức là với S/N lớn thì dung lượng

kênh sẽ tăng theo hàm logarith của S/N.

Tuy nhiên, trong trường hợp nhiều anten phát và anten thu ở một điều kiện

cụ thể, ta có thể tạo ra NL= min (Nt, NR) kênh song song (công suất tín hiệu được

chia ra cho mỗi kênh) với tỷ số tín hiệu trên tạp âm giảm xuống NL lần. Dung

lượng mỗi kênh được tính như sau:

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 42

2log 1L

C Nr S

BW N N

(3.26)

Khi đó, dung lượng tổng cho mỗi cấu hình anten được tính như sau:

2log 1L

L

C Nr SN

BW N N

(3.27)

ì 3 3 C ì

Do đó, trong những điều kiện cụ thể nào đó, dung lượng kênh có thể tăng

tuyến tính với số lượng anten, tránh kh i bị bão hòa tốc độ dữ liệu. Đó được gọi là

gh p kênh không gian. Thuật ngữ xử lý anten MIMO thường hay được sử dụng

mặc dù thuật ngữ này dùng chung cho tất cả trường hợp đa anten phát và thu, bao

gồm cả phân tập phát và thu.

Để hiểu được nguyên lý cơ bản mà các kênh song song được tạo ra, ta xem

x t cấu hình 2x2 anten bao gồm 2 anten phát và 2 anten thu và giả thiết là tín hiệu

được phát chỉ bị ảnh hưởng bởi fading phẳng và nhiễu trắng, tức là không có tán

thời kênh vô tuyến.

Dựa trên hình 3.3, tín hiệu thu có thể được biểu diên như sau:

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 43

11 12 1 11

21 22 2 22

h h xyy Hx

h h xy

(3.28)

Trong đó H là ma trận kênh 2x2. Giả thiết không có tạp âm và ma trận H khả

đảo, vector x và tín hiệu x1 và x2 có thể được phục hồi hoàn toàn ở phía thu mà

không có nhiễu giữa các tín hiệu bằng cách nhân vector thu y với ma trận W= H-1

1 1 1

2 2

ˆ

ˆ

x xWy H

x x

(3.29)

Biểu thức này được minh họa trong hình 3.4:

nh 3.4. Thu tuy n t nh Gi i ghép kênh á t nh hiệu ghép không gian

Mặc dù vector x có thể được phục hồi hoàn toàn trong trường hợp không có

tạp âm, miễn là ma trận H khả đảo cũng chỉ ra rằng các đặc tính của H cũng quyết

định phạm vi nào mà việc giải điều chế hai tín hiệu sẽ làm tăng mức tạp âm.

Để hiểu về ma trận H thì ta cũng phải hiểu rằng tín hiệu phát đi từ hai

anten phát sẽ gây nhiễu cho nhau. Hai anten thu có thể được sử dụng để thực hiện

sơ đồ IRC, bản chất là để triệt nhiễu của tín hiệu từ anten thứ nhất lên anten thứ

hai và ngược lại. ác hàng của ma trận W thực hiện chức năng này.

Trong trường hợp tổng quát, cấu hình đa anten sẽ bao gồm NT anten phát và

NR anten thu. Số lượng tín hiệu song song có thể được gh p kênh không gian sẽ lớn

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 44

hơn NL=min (NT, NR). ó thể hiểu được bằng trực giác là:

Hiển nhiên sẽ không thể có nhiều hơn NT tín hiệu được có thể được phát đi

từ NT anten phát, tức là số lượng tín hiệu được gh p kênh lớn nhất là NT.

Với NR anten thu, số lượng tín hiệu nhiễu có thể bị triệt tiêu lớn nhất là NR-1, tức

là số lượng tín hiệu được được gh p lớn nhất là NR.

nh 3.5: Ghép kênh không gi n ự trên ti n mã hó

Tuy nhiên, số lượng các tín hiệu được gh p không gian hay còn gọi là bậc

gh p kênh không gian, sẽ nh hơn NL trong những trường hợp sau đây :

Trong điều kiên kênh xấu (tỷ số tín hiệu/ tạp âm thấp) thì gh p kênh không

gian không có lợi vì dung lượng kênh là một hàm tuyến tính với tỷ số tín hiệu/ tạp

âm. Trong trường hợp này, sử dụng đa anten phát và thu cho tạo búp sóng để cải

thiện tỷ số tín hiệu/ tạp âm hơn là gh p kênh.

Trong nhiều trường hợp, bậc gh p không gian được xác định dựa trên các

thuộc tính của ma trận kênh kích thước NR xNT. Những anten thừa sẽ được sử dụng

để tạo búp sóng. Sự kết hợp giữa tạo búp sóng và gh p kênh không gian có thể đạt

được gh p kênh dựa trên tiền mã hóa.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 45

3.3.2.2. ép k n dựa n ti n m ó

Tiền mã hóa tuyến tính trong gh p kênh không gian tức là xử lý tuyến tính

bằng ma trận tiền mã hóa kích thước NT x NL được áp dụng ở phía phát như được

minh họa trong hình 3.5 trong trường hợp tổng quát NL bằng hoặc nh hơn NT, tức

là NL tín hiệu được gh p kênh và được phát đi bởi NT anten.

hú ý là gh p kênh không gian dựa trên tiền mã hóa có thể được coi là tổng

quát cho tạo búp dựa trên tiền mã hóa với vector tiền mã hóa có kích thước NT x 1

thay cho NT x NL.

Tiền mã hóa trong hình 3.5 có thể vì hai mục đích sau:

Trong trường hợp số tín hiệu gh p không gian bằng số anten phát (NL = NT),

tiền mã hóa được sử dụng để trực giao các luồng song song, cho ph p tăng cường

cách ly tín hiệu ở phía thu.

nh 3.6: Trự gi o hó t n hiệu ghép không gi n thông qua ti n mã hó . λi,i à giá

tr eigen thứ i của ma trận HHH

Trong trường hợp số tín hiệu gh p nh hơn số anten phát NL < NT, tiền mã

hóa được sử dụng để sắp xếp NL tín hiệu gh p kênh lên NT anten phát bao gồm cả

gh p kênh không gian và tạo búp sóng.

Để xác nhận rằng tiền mã hóa có thể tăng cường cách ly các tín hiệu gh p

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 46

kênh, ta biểu diễn ma trận kênh H dưới dạng SVD

H = W.∑.V H (3.29)

Trong đó, từng cột của V và W tạo nên một tập trực giao và là một ma trận NL x

NL với các giá trị đặc trưng NL của HHH là phần tử trên đường ch o. Bằng cách

áp dụng ma trận V là ma trận tiền mã hóa ở phía phát và ma trận WH ở phía thu.

Nếu ma trận kênh tương ứng H' = W là ma trận đường ch o thì sẽ không có nhiễu

giữa các tín hiệu gh p kênh ở phía thu. Đồng thời, nếu cả V và W có các cột trực

giao, công suất phát cũng như mức độ nhiễu bộ giải điều chế (giả thiết là nhiễu

trắng) được thay đổi.

Nói một cách rõ ràng hơn, trong trường hợp tiền mã hóa, mỗi tín hiệu thu sẽ

có mức chất lượng nào đó, phụ thuộc vào giá trị đặc trưng của ma trận kênh. Điều

này chỉ ra lợi ích tiềm tàng của việc áp dụng sự tương thích kết nối động trong

miền không gian, tức là lựa chọn tương ứng tỷ lệ mã hóa hoặc sơ đồ điều chế cho

mỗi tín hiệu được truyền đi.

Trong thực tế, ma trận tiền mã hóa không bao giờ tương ứng với ma trận

kênh một cách hoàn hảo, vì luôn có nhiễu giữa các tín hiệu gh p không gian. Nhiễu

này có thể được xử lý bằng cách thêm vào bộ thu chức năng xử lý tuyến tính hoặc

phi tuyến..

nh 3.7: Truy n dẫn m t từ mã ( ) và a từ mã ( )

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 47

Để xác định ma trận tiền mã hóa V, cần phải biết về ma trận kênh H. Tương

tự như tạo búp sóng dựa trên bộ tiền mã hóa, cách tiếp cận chung là ước tính kênh

ở phía thu và quyết định ma trận tiền mã hóa phù hợp từ một tập các ma trận tiền

mã hóa khả dụng (codebook). Phía thu sau đó sẽ phản hồi lại thông tin về ma trận

tiền mã hóa đã lựa chọn ở phía phát.

3.3.2.3. X lý bộ p

Phần trước đã mô tả về cách sử dụng việc xử lý tuyến tính để phục hồi

tín hiệu gh p kênh không gian. Tuy nhiên, để tăng hiệu suất giải điều chế thì có

thể áp dụng xử lý bộ thu phi tuyến.

Để tối ưu bộ thu có thể sử dụng thuật toán tách sóng ML (Khả năng

giống nhất). Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thì thuật toán này khá phức tạp.

Do vậy, một số phương án được đề xuất để giảm thiểu độ phức tạp.

Một phương pháp phi tuyến khác cho giải điều chế tín hiệu gh p kênh

không gian là sử dụng SIC (Triệt nhiễu thành công). SI yêu cầu các tín hiệu đưa

vào phải được mã hóa riêng biệt trước khi gh p kênh không gian. Do vậy thường

được gọi là truyền dẫn đa từ mã. Ngược lại với truyền dẫn đa từ mã là truyền

dẫn một từ mã, trong đó các tín hiệu gh p kênh được mã hóa cùng nhau.Nó có

thể được hiểu một cách tổng quan là dữ liệu xuất phát từ một nguồn nhưng sau

đó sẽ được giải gh p kênh thành các tín hiệu khác nhau để có thể gh p không

gian trước khi mã hóa kênh.

Như trong hình 3.8 đã chỉ ra, với SIC, trước tiên máy thu sẽ giải điều

chế và giải mã từng tín hiệu gh p không gian thứ nhất. Dữ liệu sau khi được

giải mã chính xác sẽ được mã hóa lại và loại trừ dần trong tín hiệu thu. Do đó, tín

hiệu gh p thứ hai có thể được giải điều chế và giải mã mà không bị nhiễu từ tín

hiệu thứ nhất (ít nhất là trong trường hợp lý tưởng). Sau đó dữ liệu được giải

mã chính xác của tín hiệu thứ hai sẽ được mã hóa lại và trừ dần trong tín hiệu

thu trước khi giải mã tín hiệu thứ ba. ác bước cứ thế được tiếp tục thực hiện

cho đến khi tất cả các tín

hiệu được giải điều chế và giải mã.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 48

y1

y2

y N r

nh 3.8: Gi i ghép kênh gi i mã t n hiệu ghép không gi n ự trên SIC

3.4. ơ ồ ườ d

MU-MIMO là một trong những phát triển gần đây nhất của công nghệ MIMO và

là chủ đề của nhiều sự quan tâm trong sự phát triển của LTE. Tuy nhiên, MU-MIMO

thường đòi h i một sự thay đổi khá đáng kể so với công nghệ MIMO thông thường. Theo

kết quả, mục tiêu chính cho MIMO trong các phiên bản đầu tiên của LTE vào việc đạt

được truyền ăng ten đa dạng hoặc một người sử dụng gh p kênh đạt được, trong đó

không đòi h i phải có một thông tin phản hồi CSI phức tạp. Vì vậy, sự hỗ trợ cho MU-

MIMO trong phiên bản đầu tiên của LTE là khá hạn chế. Tuy nhiên, kỹ thuật MU-

MIMO rất có khả năng sẽ là một phần của các phiên bản tương lai của LTE, và các giải

pháp phức tạp hơn và hiệu quả tài nguyên cho dự toán kênh và thông tin phản hồi sẽ

đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa ra những kỹ thuật này là một thành công thực

tế.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 49

Nhiều dạng thức của MU-MIMO có thể được xem x t và lựa chọn cụ thể thuật

toán phản ánh một sự th a hiệp giữa hiệu suất, sự phức tạp và số lượng thông tin phản

hồi cần thiết để truyền đạt CSIT cho các eNodeB. Trong phần này mô tả chính các khía

cạnh kỹ thuật MU-MIMO xuất hiện trong sự phát triển của LTE, với mục đích làm nổi

bật các giải pháp kỹ thuật có sẵn và những thách thức đang còn.

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

- Dung lượng cell tăng nhưng tốc độ dữ liệu không tăng.

- Ưu điểm chính của MU-MIMO so với SU-MIMO là dung lượng cell tăng mà

không tăng giá thành và pin của hai máy phát UE.

- MU-MIMO phức tạp hơn SU-MIMO

nh 3.9: nh minh họ M -MIMO và S -MIMO

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 50

nh 3.10: Cá h h nh trong MIMO

Trong hệ thống MU-MIMO, bộ phát gửi các dòng dữ liệu qua các anten phát. ác

dòng dữ liệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đường truyền giữa các

anten phát và các anten thu. Sau đó bộ thu nhân các vector tín hiệu từ các anten thu, giải

mã thành thông tin gốc.

Đối với uplink từ thiết bị đầu cuối di động đến BS, người ta sử dụng mô hình

MU- MIMO (Multi-User MIMO). Sử dụng mô hình này ở BS yêu cầu sử dụng nhiều

anten, còn ở thiết bị di động chỉ dùng một anten để giảm chi phí cho thiết bị di động. Về

hoạt động, nhiều thiết bị đầu cuối di động có thể phát liên tục trên cùng một kênh truyền,

nhiều kênh truyền, nhưng không gây ra can nhiễu với nhau bởi vì các pilot trực giao lẫn

nhau. Kỹ thuật được đề cập đến, đó là kỹ thuật đa truy nhập miền không gian (SDM )

hay còn gọi là MIMO ảo.

3.5. ệ vậ lý ủ

Trong phần này, trình bày một số kết quả mô ph ng mức liên kết và mức hệ

thống để minh họa cho hiệu suất tầng vật lý khác nhau của MIMO, bắt đầu với sơ đồ SU-

MIMO và tiếp theo là sơ đồ MU-MIMO. Một số các kết quả này có ảnh hưởng trong

việc quyết định sơ đồ MIMO cho LTE.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 51

nh 3.11: Đ i thông ng ự trên quá tr nh ti n mã hó so v i s ng

anten 4x2

3.5.1. ệ ã

Để chứng minh những lợi ích của quá trình tiền mã hóa, kết quả mô ph ng mức liên kết

trong hình 3.7 hiển thị độ lợi thông lượng về phần trăm của việc sử dụng tiền mã hóa so

với việc lựa chon anten. Mô hình kênh ở đây là S M-D với một mảng tuyến tính thống

nhất với khoảng cách ăng-ten là 4 (lựa chon fading tần số không tương quan). Rõ ràng

các lợi ích tiền mã hóa tốt hơn các trường hợp anten 4 2 và 4 4. Hình 3.7 biểu diễn 2

mã codebook khác nhau:

nh 3.9: Đ i thông ng ự trên quá tr nh ti n mã hó so v i s ng nt n 4 4

3.5.2. ệ -MIMO

Phần này tìm hiểu về 2 kỹ thuật MU-MIMO được tìm hiểu trong phần trên, cụ thể

là tiền mã hóa và zero-forcing tiền mã hóa với phân phối năng lương qua việc lựa chọn

các UE. húng ta hãy xem x t trường hợp với N 4 anten phát tại các eNodeB và M 1,

2 anten nhận tại mỗi UE.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 52

ác thông số chính được sử dụng cho các mô ph ng mức liên kết được liệt kê

trong Bảng 3.1 dưới đây:

Số anten phát 4

Số anten thu 1

Khoảng cách anten phát 0.5

Loại tiền mã hóa bên phát Unitary, Zero-Forcing

Số UE 20

Vận tốc UE 3 km/h

Băng thông truyền dẫn 5MHz

Tần số trung tâm 2 GHz

DFT size 512

Kiểu codebook phản hồi DFT

Kích thước codebook phản hồi 4, 8, 12 bit

Mô hình kênh SCM urban micro

Số đường dẫn 10

Tỉ lệ phản hồi 1 per RB

Trễ giữa phản hồi và dữ liệu phát hiện 1.5 ms (3 time slot)

Sơ đồ điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Tốc độ mã Turbo 1/3,1/2,2/3,3/4,4/5

BLER 10%

Trong hình 3.10 là đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình SNR cho tiền mã hóa

đơn nhất và zero-forcing tiền mã hóa. Khi tăng kích thước codebook, tiền mã hóa đơn

nhất cho thấy suy thoái do vấn đề lập lịch thảo luận trước đó, cụ thể là UE lựa chon quá ít

ma trận tiền mã hóa, do đó làm cho full-rank ít có khả năng. Như một hệ quả, độ lợi gh p

kênh cho codebook giảm xuống như đối với TDMA. Khoảng cách giữa đường cong

TDM và đường cong tiền mã hóa đơn nhất cho các kích cỡ codebook lớn là do thực tế

TDMA, giả định rằng eNodeB luôn luôn phù hợp với vecto định dạng búp sóng bên phát.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 53

Nó có thể để đưa ra các kỹ thuật khác nhau để giảm thiểu vấn đề lập trình của tiền mã

hóa đơn nhất, ví dụ bằng cách bác b ma trận lựa chọn của UE theo một số tiêu chuẩn

nhất định.

nh 3.12: Mứ iên k t thông ng ho k thuật ti n mã hó M -MIMO và k h

th o ook D khá : 4, 8, 12 it.

Để so sánh, hình 3.10 cũng cho thấy tối ưu tốc độ kênh tổng (đạt được bởi 'Dirty

Paper Mã hóa' (DP )) và đạt được thông qua cho tiền mã hóa zero-forcing với CSIT

hoàn thiện và phân bổ năng lượng.

3.6. Đá á ệ ệ ố

Mô ph ng các hệ thống thong tin di đông trên máy tính là một công cụ mạnh để đánh giá

hiệu năng hệ thống. Tất nhiên hiệu năng của hệ thống phải được đo và đánh giá thực tế

tại hiện trường cho hệ thống đã triển khai và các hệ thống này thể hiện hiệu năng thực sự

của một cấu hình hệ thống cụ thể. Mô ph ng bằng máy tính có một số ưu điểm sau:

ó thể thực hiện ước tính các khái niệm hệ thống chưa được triển khai hoặc vẫn

còn trong quá trình triển khai như LTE.

Kiểm soát hoàn toàn môi trường bao gồm các thong số truyền sóng, lưu lượng,

cấu trúc hệ thống,…, và có khả năng theo dõi đầy đủ tất cả các thong số ảnh hưởng lên

kết quả.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 54

ó thể thực hiện các thí nghiệm được điều khiển tốt để so sánh với cấc khái niệm

hệ thống tướng tự hoặc các bộ phận của các khái niệm trong các điều kiện lặp lại nhiều

lần.

Mặc dù có các ưu điểm nói trên, các kết quả mô ph ng không cho được bức tranh

đầy đủ về hiệu năng hệ thống. Không thể lập mô hình cho mọi khía canh của môi trường

di động và lập mô hình chính xác cho hành vi của tát cả các phần tử trong một hệ thống.

Tuy nhiên có thể đạt được một bức tranh rất tốt về hiệu năng hệ thống và bức tranh này

thường được sử dụng để tìm ra các giới hạn tiềm năng đối với hiệu năng.

3.6.1. ệ p í ườ dụ

Những người sử dụng các dịch vụ chuyển mạch kênh được đảm bảo tốc độ số liệu cố

định. hất lượng dịch vụ trong ngữ cảnh các dịch vụ thoại và thoại có hình được định

nghia bởi chất lượng tiếng và hình theo thu cảm.

Trái lại, những người sử dụng tải xuống một trang web hay một video clip lại trải

nghiệm thời gian mà hộ bắt đầu tải đến khi mà trang web này hay video clip được hiển

thị. ác dịch vụ nỗ lực nhất không đảm bảo tốc độ số liệu đỉnh. Mà trái lại, người sử

dụng chỉ được ấn đình tài nguyên khi có tốc độ số liệu khả dụng trong các điều kiện hiện

tại. Đây là tính chất chung của các nhà mạng chuyển mạch gói, các tài nguyên không

được dành trước cho bất k người sử dụng nào. Giả sử rằng trễ tăng cùng với kích thước

của đối tượng cần tải xuống, trễ tuyệt đối sẽ không phải là số đo chất lượng tốt.

Một người sử dụng duy nhất trong một mạng vô tuyến có các điều kiên kênh vô

tuyến tốt có thể được hưởng tốc độ số liệu đỉnh (hình 3.11). Tuy nhiên thong thường

người sử dụng này chia sẻ tài nguyên với những người sử dụng khác. Nếu các điều kiện

vô tuyến k m hơn tối ưu, sẽ có nhiễu từ những người sử dụng khác, tốc độ số liệu của

giao diện vô tuyến sẽ thấp hơn tốc độ số liệu đỉnh. Ngoài ra một số gói có thể bị mất và

trong trường hợp này số liệu mất phải được phát lại vì thế tốc độ số liệu hiệu dụng lại bị

giảm hơn nữa.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 55

nh 3.13: Đ nh nghĩ á thong s hiệu năng

n ệ năn

Tốc độ số liệu giao diện vô tuyến: tốc độ số liệu lớp vật lý đạt được trong các điều

kiện vô tuyến nhất định với mã hóa và điều chế đặc thù.

Tốc độ số liệu đỉnh: tốc độ số liệu đỉnh của giao diện vô tuyến trong các điều kiện

vô tuyến lý tưởng.

Thông lương người sử dụng: tốc độ số liệu nhận được bên trên lớp M trong

các điều kiện kênh thực tế và sau khi chia sẻ kênh với những người sử dụng khác.

Trễ vòng: thời gian truyền vòng đầu cuối-đầu cuối cảu một gói nh .

Thông lượng hệ thống: tổng số bit được phát trong thời gian một giây trên giao

diện vô tuyến.

Trễ vòng mạng: là thời gian cần thiết để một gói truyền client đến server và ngược

lại.

3.6.2. ệ ộ á

Tài nguyên vô tuyến phải được chia sẻ giữa nhiều người sử dụng trong mạng. Vì thế tất

cả số liệu phải xếp hàng trước khi có thể được truyền và điều này hạn chế tốc độ số liệu

hiệu dụng của từng người sử dụng. Bằng lập biểu, nhà khai thác có thể cải thiện thông

lượng hệ thống hay tổng số các bit trên một giây được phát trên giao diện vô tuyến. Một

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 56

số đo phổ biến của hiệu năng hệ thống là hiệu suất phổ tần , đây là thông lương hệ

thống trên 1MHz phổ trong từng đoạn ô của hệ thống.

Một tiêu chuẩn đánh giá quan trọng đối với nhà khai thác là số lương những người

sử dụng tích cực có thể được kết nối đồng thời. Nếu các tài nguyên hệ thống bị hạn chế

thì cần cân đối giữa số lượng những người sử dụng tích cực và chất lượng dịch vụ cảm

nhận (thông lượng người sử dụng).

3.7.

Kỹ thuật MIMO là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế

ảnh hưởng của fading. Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật MIMO được sử

dụng để hạn chế ảnh hưởng củafading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà

không phải gia tăng công suất phát hay băngthông. ác phương pháp phân tập

trong MIMO thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian

(phân tập anten). Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất được quan tâm và

ứngdụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không

gian trong nângcao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading,

đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số – một yếu tố rất được quan tâm

trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm. Kỹ thuật phân tập cho

ph p bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 57

Đồ án Ứng dụng MIMO trong LTE sau khi nghiên cứu với sự giúp đỡ tận

tình của cô giáo Th.S Lê Tùng Hoa đã đạt được một số kêt quả như sau:

Tìm hiểu tổng quan về 4G LTE: mục tiêu, tiềm năng phát triển và các công

nghệ thành phần đề xuất cho LTE như truyền dẫn đa điểm phối hợp, bộ lặp và bộ

chuyển tiếp, giải pháp đa anten.

Nghiên cứu tìm hiểu về kỹ thuật đa anten MIMO: phân tập, tạo búp sóng

và gh p kênh không gian. Đồ án tập trung vào các kỹ thuật được ứng dụng

nhiều nhất trong hệ thống 4G LTE.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng đồ án không tránh kh i có những hạn chế

nhất định. Em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo để đồ án

có thể hoàn thiện hơn.

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới cô giáo ThS ,

người đã trực tiếp định hướng em lựa chọn đồ án này đồng thời cũng là người đã tận

tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đồ án. Em cũng xin

gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến – khoa Viễn

thông I, và các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình học tập và làm đồ án.

ồ á tốt nghiệp ại học

Trang 58

l ệ m ảo

1. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, hông tin di ng, Giáo trình, Học viện ông

nghệ Bưu chính Viễn thông, NXB Bưu điện,2001.

2. Ts. Nguyễn Phạm nh Dũng, Giáo tr nh tr nh phát triển thông tin i ng

3G ên 4G, NXB Thông tin và Truyền thông.

3. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, and Johan Sköld; 4G LTE/LTE-Advanced for

Mobile Broadband.

4. Stefania Sesia, Issam Toufik and Matthew Baker, LTE – The UMTS Long Term

Evolution.

5.