Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 theo công nghệ LTE và LTE phát triển

là mặc dù lƣợng phân tán thời gian tăng với kích thƣớc cell, nhƣng khi vƣợt qua một kích thƣớc cell nào đó, thƣờng không có lý do gì để tăng CP hơn nữa vì công suất mất đi tƣơng ứng có tác động xấu hơn khi so sánh với tín hiệu bị sai lệch vì phần dƣ phân tán thời gian không đƣợc bao phủ bởi CP. CP dài hơn có thể cần thiết trong truyền đa cell sử dụng SFN (Single- Frequency Network). Vì vậy, để có thể tối ƣu hiệu suất trong những môi trƣờng khác nhau, một vài hệ thống dựa trên OFDM hỗ trợ nhiều chiều dài CP. Chiều dài CP khác nhau có thể đƣợc sử dụng trong những hoàn cảnh truyền khác nhau: CP ngắn hơn ở môi trƣờng cell nhỏ để giảm đến mức tối thiểu phần đầu CP, CP dài hơn trong những môi trƣờng với phân tán thời gian quá lớn, đặc biệt trong hoạt động SFN. Đồ án tốt nghiệp Trang 67 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE 2.5.9 Sự biến đổi công suất truyền tức thời Một trong những hạn chế của truyền đa sóng mang là sự biến đổi lớn trong công suất truyền tức thời, nghĩa là giảm hiệu quả bộ khuếch đại công suất và tiêu thụ năng lƣợng ở đầu cuối di động cao hơn, hoặc là công suất ngõ ra bộ khuếch đại công suất phải đƣợc giảm. Là một kiểu truyền đa sóng mang, OFDM cũng có cùng hạn chế đó. Tuy nhiên, nhiều phƣơng pháp khác nhau đã đƣợc giới thiệu để giảm công suất đỉnh lớn của tín hiệu OFDM. 2.5.10 OFDM nhƣ là kế hoạch đa truy nhập và ghép kênh Khi sóng mang con OFDM đƣợc truyền từ cùng máy phát đến một máy thu nào đó, nghĩa là:  Truyền hƣớng xuống của tất cả những sóng mang đến một đầu cuối di động.  Truyền hƣớng lên của tất cả những sóng mang đi từ một đầu cuối di động. Hình 2.31: Kế hoạch đa truy nhập/đa ghép kênh người dùng Tuy nhiên, OFDM có thể đƣợc sử dụng nhƣ là kế hoạch đa truy nhập hay ghép kênh ngƣời dùng, cho phép truyền nhận đồng thời với nhiều đầu cuối di động phân biệt tần số (hình 2.31). Đồ án tốt nghiệp Trang 68 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE Ở hƣớng xuống, OFDM nhƣ là một kế hoạch ghép kênh ngƣời dùng, nghĩa là mỗi khoảng thời gian symbol OFDM, những nhóm nhỏ khác nhau của toàn bộ nhóm sóng mang có thể dùng đƣợc sử dụng để truyền cho nhiều đầu cuối di động khác nhau (hình 2.31a). Tƣơng tự, ở hƣớng lên, OFDM nhƣ là một kế hoạch đa truy nhập, nghĩa là ở mỗi khoảng thời gian symbol OFDM, những nhóm nhỏ khác nhau của toàn bộ nhóm sóng mang đƣợc sử dụng cho truyền từ những đầu cuối di động khác nhau (hình 2.31b). Hình 2.32: Phân chia ghép kênh người dùng Trong trƣờng hợp này, thuật ngữ OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) đƣợc sử dụng. Hình 2.32 giả sử rằng những sóng mang con kề nhau đƣợc sử dụng cho truyền đến/từ cùng đầu cuối di động. Tuy nhiên, sự phân phát sóng mang con đến/từ một đầu cuối di động trong miền tần số cũng có thể thực hiện đƣợc nhƣ minh họa trong hình 2.32. Ƣu điểm của việc phân chia đa truy nhập nhƣ thế này là khả năng chống lại đa dạng tần số vì mỗi quá trình truyền đƣợc trải trên băng thông rộng hơn. Đồ án tốt nghiệp Trang 69 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE 2.5.11 Truyền broadcast/multicast đa cell và OFDM Hình 2.33: Kế hoạch truyền Broadcast Cung cấp những dịch vụ broadcast/multicast trong hệ thống thông tin di động nghĩa là cùng thông tin đƣợc cung cấp cùng lúc cho nhiều đầu cuối di động, thƣờng đƣợc phân phát trên một khu vực rộng tƣơng ứng với lƣợng lớn các cell nhƣ trong hình 2.33. Thông tin broadcast/multicast có thể là một đoạn bản tin TV, thông tin về điều kiện thời tiết địa phƣơng, thông tin thị trƣờng chứng khoán, hay là bất kỳ loại thông tin nào, mà trong một thời gian ngắn là tâm điểm chú ý của nhiều ngƣời. Khi cùng thông tin đƣợc cung cấp cho nhiều đầu cuối di động trong một cell, truyền vô tuyến broadcast cho tất cả những đầu cuối di động trong cell (hình 2.34a) thƣờng có lợi hơn là cung cấp thông tin bằng cách truyền riêng lẻ cho mỗi đầu cuối di động (truyền unicast, hình 2.34b). Đồ án tốt nghiệp Trang 70 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE Hình 2.34: Truyền Broadcast và Unicast Tuy nhiên, truyền broadcast nhƣ hình 2.34a phải định kích thƣớc để bao phủ những đầu cuối di động trong tình trạng xấu nhất, kể cả những đầu cuối di động ở vùng biên cell, điều này tƣơng đối tốn kém trong điều kiện nhờ vào công suất truyền cần thiết của trạm gốc để cung cấp một tốc độ dữ liệu dịch vụ broadcast nào đó. Hoặc là đƣa vào bảng miêu tả tỷ số tín hiệu trên nhiễu bị giới hạn mà có thể đạt đƣợc tại cạnh cell, tốc độ dữ liệu broadcast có thể đạt đƣợc tƣơng đối bị giới hạn, đặc biệt với cell lớn. Một cách để tăng tốc độ dữ liệu broadcast là giảm kích thƣớc cell, do đó tăng công suất nhận ở cạnh cell. Tuy nhiên, điều này sẽ tăng số cell để bao phủ một khu vực nào đó và làm tăng chi phí triển khai. Cung cấp dịch vụ broadcast/multicast trong một mạng thông tin di động nghĩa là thông tin giống nhau đƣợc cung cấp trên một lƣợng lớn các cell. Trong trƣờng hợp nhƣ thế, tài nguyên (công suất truyền hƣớng xuống) cần cung cấp một tốc độ dữ liệu nào đó có thể giảm đáng kể nếu những đầu cuối di động tại cạnh cell có thể tận dụng công suất nhận đƣợc từ nhiều cell khi phát hiện, giải mã dữ liệu broadcast. Đặc biệt, có thể đạt đƣợc độ lợi lớn nếu đầu cuối di động có thể nhận đồng thời truyền broadcast từ nhiều cell trƣớc khi giải mã. Sự kết hợp mềm nhƣ thế của truyền broadcast/multicast từ nhiều cell đã đƣợc chấp nhận trong WCDMA MBMS. Đồ án tốt nghiệp Trang 71 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE Hình 2.35: Sự tương đương giữa truyền đồng thời và truyền đa tuyến Trong LTE, truyền broadcast/multicast nhận đƣợc từ nhiều cell sẽ xuất hiện nhƣ một quá trình truyền đơn lẻ bị tác động rất xấu của truyền đa tuyến nhƣ minh họa trên hình 2.35. Cung cấp các dịch vụ broadcast/multicast, thỉnh thoảng đƣợc xem nhƣ là hoạt động mạng đơn tần SFN (Single-Frequency Network). Nếu truyền broadcast dựa trên OFDM với CP bao phủ khoảng thời gian phân tán, tốc độ dữ liệu có thể đạt đƣợc chỉ bị giới hạn bởi nhiễu, nghĩa là trong những cell nhỏ hơn, tốc độ dữ liệu broadcast có thể rất cao. Hơn nữa, đầu thu OFDM không cần nhận dạng rõ ràng các cell trong kết nối mềm. Đúng hơn là tất các quá trình truyền đến trong phạm vi của CP sẽ tự động đƣợc giữ lại bởi đầu thu. 2.6 Truyền dữ liệu hƣớng lên OFDM đƣợc xem là phƣơng án tối ƣu cho hƣớng DL nhƣng hƣớng UL thì chƣa đƣợc thuận lợi. Điều này là do thuộc tính của OFDM có tỉ lệ công suất đỉnh trung bình (PARP-Peak-to-Average Power Ratio) thấp, làm ảnh hƣởng đến việc truyền tín hiệu của hƣớng UL. Do đó, hƣớng UL của chế độ FDD và TDD sẽ sử dụng kĩ thuật đa truy nhập phân chia tần số sóng mang đơn SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) theo chu kì. Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PARP tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những lí do chính để chọn SC-FDMA cho LTE. PARP giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lí tín hiệu của SC-FDMA vẫn có một số điểm tƣơng đồng với OFDMA, do đó, tham số hƣớng DL và UL có thể cân đối với nhau. Tín hiệu SC- FDMA đƣợc tạo ra bằng kĩ thuật trải phổ DFT-OFDM (DFT-s-OFDM). Đồ án tốt nghiệp Trang 72 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE Hình 2.36 Sơ đồ khối DFT-s-OFDM E-UTRA hƣớng UL cũng sử dụng các kĩ thuật điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM. Với DFT-s-OFDM, việc biến đổi Fourier rời rạc (DFT-Discrete Fourier Transform) kích thƣớc M-point FFT đƣợc áp dụng đầu tiên trong khối các kí hiệu điều chế. DFT chuyển đổi các kí hiệu điều chế thành miến tần số. Kết quả sẽ đƣợc ánh xạ vào các sóng mang thứ cấp có sẵn. Hƣớng UL chỉ cho phép định vị truyền dẫn trên các Sub-carrier liên tục. Trƣớc khi đƣợc chuyển đổi từ song song sang nối tiếp, N-point IFFT đƣợc thêm vào một chu kì (chèn CP). Việc ánh xạ vào các sóng mang thứ cấp đƣợc phân ra hai trƣờng hợp  LFDMA (Localized Mode): Mỗi thuê bao sẽ sử dụng các sóng mang kế cận nhau để phát đi các kí tự của nó.  IFDMA(Distributed Mode): Các kí tự của mỗi thuê bao đƣợc phân bố đều trên các sóng mang. Hình 2.37 chỉ ra cách sắp xếp trong miền tần số. Có 3 thuê bao, mỗi thuê bao phát kí tự trên 4 sóng mang con trong hệ thống 12 sóng mang con. Trong IFDMA, thuê bao dùng sóng mang thứ 0, 3, 6, 9. Đối với LFDMA, thuê bao dùng sóng mang thứ 0, 1, 2, 3. Đồ án tốt nghiệp Trang 73 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE Hình 2.37 Phương pháp phân phối sóng mang con cho nhiều thuê bao (3 thuê bao, 12 sóng mang con, 4 sóng mang cho mỗi thuê bao) Do đó, việc xử lí DFT có sự khác biệt cơ bản giữa tín hiệu SC-FDMA và OFDMA. Điều này sinh ra thuật ngữ “DFT spread-OFDM”. Trong tín hiệu SC-FDMA, mỗi Sub-carrier sử dụng để truyền tải thông tin có chứa tất cả các kí hiệu điều chế, do đó, chuỗi dữ liệu đầu vào phải đƣợc trải phổ bằng biến đổi DFT trên các Sub-carrier có sẵn. Ngƣợc lại, mỗi Sub-carrier của tín hiệu OFDMA chỉ mang thông tin có liên quan đến các kí hiệu điều chế cụ thể. 2.7 MIMO MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọng của LTE, đƣợc sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Kỹ thuật cho phép LTE cải thiện hơn về dung lƣợng 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 lƣợng anten, nhƣng nó có thể tăng tốc độ dữ liệu lên mức cao, cho phép hiệu quả sử dụng phổ tần. MIMO là một kỹ thuật không thể thiếu của LTE. 2.7.1 Cơ bản về MIMO LTE Nội dung cơ bản của MIMO lợi dụng đƣờng truyền tín hiệu đa đƣờng, những đƣờng truyền này đƣợc sử dụng nhƣ một lợi thế. Hai giới hạn chính của kênh truyền thông tin là can nhiễu đa đƣờng giới hạn về dung lƣợng theo quy luật Shannon. MIMO lợi dụng tín hiệu đa đƣờng giữa máy phát và máy thu để cải thiện dung lƣợng có sẵn cho bởi kênh truyền. Bằng cách sử Đồ án tốt nghiệp Trang 74 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE dụng nhiều anten ở bên phát và thu với việc xử lý tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể tạo ra các dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đó làm tăng dung lƣợng kênh truyền. Hình 2.38 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 2.7.2 SU-MIMO (Single user MIMO) - Đây là một ví dụ MIMO một ngƣời dùng tuyến xuống 2x2. - Hai dòng dữ liệu trộn với nhau (mã hóa) để phù hợp với kênh truyền nhất. - 2x2 SU-MIMO thƣờng dùng trong tuyến xuống. - Trong trƣờng hợp này dung lƣợng cell tăng và tốc độ dữ liệu tăng. 2.7.3 MU-MIMO - Đây là một ví dụ của MU-MIMO 2x2. - Dòng dữ liệu MIMO đa ngƣời dùng đến từ các UE khác nhau. - Dung lƣợng cell tăng nhƣng tốc độ dữ liệu không tăng. - Ƣu điểm chính của MU-MIMO so với SU-MIMO là dung lƣợng cell tăng mà không tăng giá thành và pin của hai máy phát UE. - MU-MIMO phức tạp hơn SU-MIMO. Đồ án tốt nghiệp Trang 75 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE Hình 2.39 Hình minh họa MU-MIMO và SU-MIMO Hình 2.40 Các chế độ chính trong MIMO Trong hệ thống MIMO, bộ phát gửi các dòng dữ liệu qua các anten phát. Các dòng dữ liệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đƣờng truyền giữa các Đồ án tốt nghiệp Trang 76 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE 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 tuyến xuống, cấu hình hai anten ở trạm phát và hai anten thu ở thiết bị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản, cấu hình sử dụng bốn anten đang đƣợc xem xét. Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian với lợi thế hơn các kỹ thuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử dụng và kỹ thuật điều chế tín hiệu, SM cho phép tăng tốc độ dữ liệu (data rate) bằng số lần của số lƣợng anten phát. 2.7.4 Ghép kênh không gian Ghép kênh không gian cho phép phát chuỗi bit dữ liệu khác nhau trên cùng một block nguồn tuyến xuống. Những dòng dữ liệu này có thể là một ngƣời dùng (SU- MIMO) hoặc những ngƣời dùng khác nhau (MU-MIMO). Trong khi SU-MIMO tăng tốc độ dữ liệu cho một ngƣời dùng, MU-MIMO cho phép tăng dung lƣợng. Dựa vào hình 2.41, ghép kênh không gian lợi dụng các hƣớng không gian của kênh truyền vô tuyến cho phép phát các dữ liệu khác nhau trên hai anten. Hình 2.41 Ghép kênh không gian Đối với uplink từ thiết bị đầu cuối di động đến BS, ngƣời 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 Đồ án tốt nghiệp Trang 77 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE động. Về hoạt động, nhiều thiết bị đầu cuối di động có thể phát liên tục trên cùng một kênh truyền, nhiều kênh truyền, nhƣng không gây ra can nhiễu với nhau bởi vì các pilot trực giao lẫn nhau. Kỹ thuật đƣợc đề cập đến, đó là kỹ thuật đa truy nhập miền không gian (SDMA) hay còn gọi là MIMO ảo. 2.8 MIMO-OFDM Cấu trúc tổng quát của bộ thu phát MIMO-OFDM đƣợc trình bày nhƣ hình 2.42 Hình 2.42 Bộ thu phát MIMO-OFDM Hệ thống bao gồm N anten phát và M anten thu. Tín hiệu OFDM cho mỗi anten có đƣợc bằng phép biến đổi IFFT và có thể đƣợc tách ra bằng phép biến đổi FFT. Kí tự MIMO-OFDM nhận đƣợc tại sóng mang con thứ n và kí tự OFDM thứ m của anten thu thứ I sau bộ FFT đƣợc biểu diễn dƣới biểu thức sau: ∑ + (2.6) Với i=1,2,….,M; là kí tự dữ liệu phát trên sóng mang thứ n và kí tự OFDM thứ m; là nhiễu cộng tại anten nhận thứ I và là hệ số kênh trong miền tần số giữa anten phát thứ j và anten nhận thứ i. Hệ số kênh truyền trong miền tần số có đƣợc khi kết hợp tuyến tính các hệ số kênh truyền phân tán. ∑ n=0,1,…,N-1 (2.7) Đồ án tốt nghiệp Trang 78 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE I là số hệ số kênh truyền trong miền thời gian và đƣợc mô hình hóa nhƣ một quá trình độc lập ngẫu nhiên Gaussian trị trung bình bằng 0. Đáp ứng xung của kênh truyền Rayleigh đƣợc biểu diễn dƣới dạng: ∑ (2.8) trong đó hi là độ lợi hệ số và 𝝉i là thời gian trễ của hệ số thứ i. Độ trễ này đƣợc coi nhƣ là một biến thời gian. Đáp ứng xung của kênh truyền đƣợc xem là không đổi trong khi truyền một kí tự OFDM. Ma trận kênh truyền H là ma trận NxM tƣơng ứng sóng mang con thứ n và kí tự OFDM thứ m.                                          mnHmnHmnH mnHmnHmnH mnHmnHmnH mnH NMMM N N ,...,, ....... ....... ....... ....... ,....,, ,....,, ],[ ,2,1, ,22,21,2 ,12,11,1 (2.9) Kí tự dữ liệu nhận đƣợc tại tất cả các anten thu: R [n,m]= H [n,m] A [n,m]+W [n,m] (2.10) Trong đó A [n,m]= (2.11) và R (2.12) là các vectơ Nx1 và Mx1 của kí tự dữ liệu phát và nhận. Để duy trì kí tự dữ liệu phát, phƣơng trình (2.10) nên đƣợc giải thích gọi là cân bằng MIMO-OFDM: A [n,m]= H (R [n,m]+ W [n,m]) (2.13) Đồ án tốt nghiệp Trang 79 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE Việc cân bằng tốt trong trƣờng hợp ít nhiễu và không ISI hay ICI. 2.9 Một số đặc tính của kênh truyền Ta tìm hiểu một số đặc tính của kênh truyền ảnh hƣởng đến việc truyền tín hiệu, các đặc tính này bao gồm trải trễ, fading, dịch tần Doppler, ảnh hƣởng của dịch tần Doppler đối với tín hiệu OFDM dẫn đến nhiễu MAI, và cách khắc phục nhiễu MAI. 2.9.1 Trải trễ đa đƣờng Tín hiệu nhận đƣợc nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng dài hơn, và nhƣ vậy nó sẽ làm năng lƣợng thu đƣợc trải rộng theo thời gian. Khoảng trải trễ (delay spread) đƣợc định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu đƣợc cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu nhƣ hệ thống không có cách khắc phục. Đối với LTE, sử dụng kỹ thuật OFDM đã tránh đƣợc nhiễu xuyên ký tự ISI. 2.9.2 Các loại fading Fading là sự biến đổi cƣờng độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nƣớc trên đƣờng truyền sóng vô tuyến đi qua. 2.9.2.1 Rayleigh fading Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu đƣợc suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh. 2.9.2.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem nhƣ là phẳng. Nếu trải trễ thời gian đa đƣờng là D(s) thì băng thông kết hợp Wc(Hz) xấp xỉ bằng: DWc 2/1 Đồ án tốt nghiệp Trang 80 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE  Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số.  Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông của tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc tần số. 2.9.3 Dịch tần Doppler Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler là hiện tƣợng mà tần số thu đƣợc không bằng tần số của nguồn phát do sự chuyển động tƣơng đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Cụ thể là: khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hƣớng vào nhau thì tần số thu đƣợc sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu đƣợc sẽ giảm đi. Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tƣợng Doppler tính theo công thức sau : c v ff 0 (2.14) Trong đó f là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát, v là vận tốc tƣơng đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng. Đối với LTE, để khắc phục hiện tƣợng dịch tần Doppler, ngƣời ta chọn khoảng cách giữa các sóng mang đủ lớn (∆f = 15 Khz). 2.9.4 Nhiễu MAI đối với LTE Đối với LTE, ở đƣờng lên sử dụng kỹ thuật SC-FDMA, nó cũng nhạy cảm với dịch tần. Các user khác nhau luôn có dịch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset). Khi tồn tại nhiều CFO, tính trực giao giữa các sóng mang bị mất. Nhiễu liên sóng mang (ICI: Inter Carrier Interference) và MAI (Multi Access Interference) tạo ra đã làm giảm chất lƣợng của tín hiệu thu đƣợc. Một phƣơng pháp triệt ICI cũng nhƣ MAI, là dựa trên các ký hiệu hoa tiêu khối (block type pilots). Các user khác nhau giao tiếp với trạm gốc tại các khe thời gian khác nhau. Phƣơng pháp này lấy trực tiếp thành phần nhiễu bằng cách lợi dụng các ký hiệu hoa tiêu Đồ án tốt nghiệp Trang 81 Chƣơng 2: Hệ thống 4G LTE khối, vì vậy nó không cần sử dụng ƣớc lƣợng CFO nhiều lần. Sau đó, ma trận can nhiễu có thể đƣợc khôi phục lại và ảnh hƣởng của các CFO có thể đƣợc triệt dễ dàng bằng cách sử dụng phƣơng pháp đảo ma trận. Đồ án tốt nghiệp Trang 82 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance CHƢƠNG 3 : TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE ADVANCE Hiện nay, tại nhiều nước trên thế giới, khi phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE đang hoàn thành thì tâm điểm của sự chú ý đang chuyển sang sự tiến hóa tiếp theo của công nghệ này, đó là LTE Advance. Một trong những mục tiêu của quá trình tiến hóa này là để đạt tới và thậm chí vượt xa những yêu cầu của IMT-Advance của ITU-R nhằm cải thiện một cách đáng kể về mặt hiệu năng so với các hệ thống hiện tại bao gồm cả hệ thống LTE phiên bản đầu tiên. 3.1 Tổng quan LTE-Advance (Long Term Evolution-Advance) là sự tiến hóa trong tƣơng lai của công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này đƣợc chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9. LTE-Advance, dự án đƣợc nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với các đặc tả đƣợc mong đợi hoàn thành vào quí 2 năm 2010 nhƣ là một phần của Release 10 nhằm đáp ứng hoặc vƣợt hơn so với những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di động thứ 4 (4G) IMT-Advance đƣợc thiết lập bởi ITU. LTE Advance sẽ tƣơng thích ngƣợc và thuận với LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE-Advance mới và các mạng LTE cũ. Gần đây, ITU đã đƣa ra các yêu cầu cho IMT-Advance 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-Advance 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 40Mhz.  Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100Mhz). Đồ án tốt nghiệp Trang 83 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance  Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đƣờng xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử sử dụng MIMO 4x4).  Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đƣờng lên tối thiểu là 6,75 b/s/Hz (giả sử sử dụng MIMO 4x4).  Tốc độ thông lƣợng lý thuyết là 1,5 Gb/s. 3.2 Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advance 3.2.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advance rất cao và chỉ có thể đƣợc thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì đƣợc cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100Mhz đƣợc thảo luận trong nội dung của LTE-Advance. Việc mở rộng độ rộng của băng sẽ đƣợc thực hiện trong khi vẫn duy trì đƣợc tính tƣơng thích phổ. Điều này có thể đạt đƣợc bằng cách sử dụng “khối tập kết sóng mang”, trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE đƣợc kết hợp trên lớp vật lí để cung cấp độ rộng băng cần thiết. Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện nhƣ là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advance có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập. Hình 3.1 minh họa trƣờng 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 lƣợng lớn phổ liên tục ở bậc 100Mhz không thể có thƣờng xuyên. Do đó, LTE- Advance có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để xử lí các tình huống trong đó một khối lƣợng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có. Tuy nhiên, nên lƣu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề nhau đang là thách thức từ khía cạnh thực thi.Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ đƣợc hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổ phân tán chỉ đƣợc cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất Đồ án tốt nghiệp Trang 84 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance Cuối cùng, lƣu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng tần 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. Hình 3.1 Ví dụ về khối kêt tập sóng mang 3.2.2 Giải pháp đa anten Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian là các thành phần công nghê then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advance. Thiết kế đa anten hiện tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tƣơng ứng ở đƣờng xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã. Cấu trúc này cung cấp cả sự ghép theo không gian lên đên bốn lớp, đƣa đến tốc độ bit đỉnh là 300Mbit/s cũng nhƣ là định dạng chùm (dựa trên sổ mã ). Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 Mhz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt đƣợc tốc độ đỉnh là 1,5Gb/s vƣợt xa so với yêu cầu của LTE-Advance. Có thể thấy trƣớc rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian đƣờng lên sẽ là một phần của LTE-Advance. Việc tăng số lớp truyền dẫn đƣờng xuống vƣợt xa con số bốn là có khả năng và có thể đƣợc sử dụng nhƣ là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần. 3.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp Mục tiêu về số liệu đỉnh của LTE-Advance yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối . Định dạng chùm là một cách. Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lí kết nối đến một đơn vị xử lí băng gốc trung tâm đƣợc 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 Đồ án tốt nghiệp Trang 85 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance đơn đƣợc mô tả ở hình 3.2. Ở đƣờng xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn. Hình 3.2 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 3.2.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp Từ việc xem xét quĩ đƣờng truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng tốc độ số liệu. Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tƣơng tự thu đƣợc. Khi đƣợc cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu đƣợc mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không. Những bộ lặp nhƣ vậy không hiển thị đối với cả các thiết bị đầu cuối và trạm gốc. Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn, 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 ngƣời sử dụng hiện diện trong khu vực đƣợc điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực. Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể cũng đƣợc xem xét nhƣ là phƣơng tiện hƣớng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặp đƣợc bật lên. Tuy nhiên, việc điều khiển tải truyền dẫn và lập biểu thƣờng nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thƣờng trong suốt từ khía cạnh di động. Đồ án tốt nghiệp Trang 86 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái hóa bất kì số liệu thu đƣợc, ƣu tiên chuyển tiếp nó đến ngƣời sử dụng đƣợc phục vụ. Đây thƣờng đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc hỗ trợ nhƣng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp đƣợc thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3). Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (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 đƣợc tái sử dụng và do đó có thể đƣợc ƣa chuộng hơn trên các kĩ thuật cùng chức năng L2 của chúng. Hình 3.3 Chuyển tiếp trong LTE-Advance 3.2.5 MCMC CDMA Song song với các giải pháp trên thì một đề xuất cũng đang đƣợc đƣa ra đó là MCMC CDMA (Multicode Multicarrier Code Division Mutiple Access) nhằm cung cấp nhiều loại tốc độ khác nhau đƣợc truyền đi trên nhiều sóng mang con. 3.2.5.1 Hệ thống Multicarrier CDMA Hệ thống MC-CDMA đƣợc xem nhƣ là sự kết hợp nối tiếp của CDMA và OFDM. Sự kết hợp này có hai ƣu điểm chính, thứ nhất nó kế thừa khả năng làm Đồ án tốt nghiệp Trang 87 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance chậm tốc độ ký tự trên mỗi sóng mang phụ đủ để có đƣợc một sự nhận tín hiệu gần đồng bộ (quasi-synchronous). Ƣu điểm thứ hai đó là nó có thể kết hợp một cách hiệu quả năng lƣợng tín hiệu bị phân tán trong miền tần số. Đặc biệt trong những trƣờng hợp truyền dẫn tốc độ cao khi một bộ thu DS-CDMA có thể thấy 20 đƣờng trong đáp ứng xung tức thời, một bộ kết hợp RAKE 20 đƣờng là điều không thể thực hiện cho bộ thu DS-CDMA, trong khi đó một bộ thu MC-CDMA là có thể thực hiện đƣợc mặc dù nó sẽ tiêu tốn năng lƣợng tín hiệu nhận trong những khoảng bảo vệ. Bộ phát MC-CDMA trải luồng dữ liệu ban đầu lên các sóng mang phụ khác nhau bằng cách sử dụng một mã trải rộng trong miền tần số. Nói một cách khác, phần ký tự tƣơng ứng với một chip của mã trải rộng sẽ đƣợc truyền trên một sóng mang phụ. Hình 3.4 cho ta khái niệm về sự tạo tín hiệu MC-CDMA cho một ngƣời dùng. Tƣơng tự nhƣ trong hệ thống CDMA, một ngƣời dùng có thể chiếm toàn bộ băng thông cho sự truyền dẫn của một ký tự dữ liệu. Sự phân biệt các tín hiệu của những ngƣời dùng khác nhau đƣợc thực hiện trong miền mã. Mỗi ký tự dữ liệu đƣợc sao chép lên các luồng phụ trƣớc khi nhân nó với chip của mã trải rộng, điều này cho thấy một hệ thống MC-CDMA thực hiện sự trải rộng theo hƣớng tần số và nhƣ vậy làm tăng thêm tính linh động khi so sánh với một hệ thống CDMA. Sự ánh xạ các chip theo hƣớng tần số cho phép sự nhận dạng tín hiệu có thể đƣợc thực hiện bằng nhiều phƣơng pháp đơn giản. Hình 3.4 Sự tạo tín hiệu MC-CDMA cho một người dùng Đồ án tốt nghiệp Trang 88 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance Sự tạo tín hiệu trải phổ đa sóng mang sử dụng OFDM cho một ngƣời dùng đƣợc minh họa ở hình 3.4. Không mất tính tổng quát, sự tạo tín hiệu MC- CDMA đƣợc miêu tả cho một ký tự đối với mỗi ngƣời dùng, vì vậy chỉ số ký tự dữ liệu không cần ghi rõ. Trong bộ phát, ký tự dữ liệu giá trị phức dk của ngƣời dùng thứ k đƣợc nhân với mã trải phổ: (3.1) có chiều dài L = PG =Nc. Chuỗi giá trị phức thu đƣợc sau bộ trải phổ: (3.2) Hình 3.5: Nguyên tắc tạo tín hiệu MC-CDMA Tín hiệu tuyến xuống (downlink): Ở tuyến xuống đồng bộ, các tín hiệu trải phổ của K user đƣợc cộng với nhau trƣớc khi thực hiện phƣơng pháp OFDM (hình 3.3). Kết quả xếp chồng K user với nhau tạo ra tín hiệu trải phổ: ∑ (3.3) Kết quả này có thể viết dƣới dạng ma trận S=C.d (3.4) Trong đó: d=(d0 , d1,…, dk-1) T (3.5) là vector gồm các ký hiệu phát của K user tích cực, còn C là ma trận mà cột thứ k là mã trải phổ đặc trƣng cho user thứ k: C = (C0, C1,…, Ck-1) (3.6) Đồ án tốt nghiệp Trang 89 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance Hình 3.6: Máy phát MC-CDMA tuyến xuống Tín hiệu MC-CDMA tuyến xuống là kết quả của quá trình xử lý tín hiệu s bằng khối OFDM theo phƣơng trình (3.3). Giả sử rằng khoảng dự phòng là đủ dài, vector thu sau khi thực hiện biến đổi ngƣợc OFDM và loại bỏ các khoảng tần số thừa sẽ đƣợc xác định bởi: r=H.s + n=(R0, R1, …, RL-1) T (3.7) trong đó H là ma trận LxL đặc trƣng cho kênh truyền và n là vector tín hiệu nhiễu chiều dài L. Vector r sẽ đƣợc đƣa vào bộ phát hiện dữ liệu để ƣớc lƣợng (bằng phƣơng pháp cứng hoặc mềm) dữ liệu phát. Khi mô tả kỹ thuật phát hiện đa user, vector r sẽ đƣợc biểu diễn dƣới dạng: r=A.s + n=(R0, R1, …, RL-1) T (3.8) với A là ma trận hệ thống, xác định bởi: A=H.C (3.9) Tín hiệu tuyến lên (uplink): Ở tuyến lên, tín hiệu MC-CDMA có đƣợc một cách trực tiếp sau khi xử lý chuỗi Sk của user thứ k bằng khối OFDM. Sau khi thực hiện quá trình biến đổi ngƣợc OFDM và loại bỏ các khoảng tần số thừa ở máy thu thì vector thu ứng với chuỗi phát Sk sẽ là: ∑ (3.10) trong đó Hk bao gồm các hệ số của kênh truyền phụ ứng với user thứ k. Tuyến lên phải đƣợc đồng bộ để phƣơng pháp OFDM đạt hiệu suất sử dụng phổ cao nhất. Vector r này sẽ đƣợc đƣa vào bộ phát hiện để ƣớc lƣợng dữ liệu phát bằng phƣơng pháp cứng hoặc mềm. Ma trận hệ thống A của tuyến lên đƣợc định nghĩa bởi: Đồ án tốt nghiệp Trang 90 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance A=(a0, a1, …, ak-1) (3.11) 3.2.5.2 Hệ thống Multicode CDMA Hệ thống Multi-code CDMA cung cấp nhiều loại tốc độ khác nhau bằng cách ấn định cho mỗi ngƣời dùng một tập gồm M chuỗi mã, kích thƣớc M của tập mã sẽ thay đổi theo tốc độ yêu cầu. Tùy thuộc vào cách thức “ánh xạ” các bit dữ liệu vào các chuỗi mã mà ta có các hệ thống Multi-code CDMA khác nhau.  Hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song Trong hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song khi một ngƣời dùng cần truyền một luồng dữ liệu có tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản M lần thì hệ thống sẽ chuyển luồng dữ liệu này thành M luồng dữ liệu con song song (sử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song), M luồng dữ liệu con này đƣợc xem nhƣ là của M ngƣời dùng độc lập, mỗi luồng sẽ đƣợc trải phổ (mã hóa) bằng một mã khác nhau trong tập và đƣợc cộng lại trƣớc khi chuyển lên truyền dẫn cao tần. Hình 3.7 miêu tả sơ đồ khối bộ phát trong hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song. Hình 3.7: Sơ đồ khối bộ phát Multi-code CDMA kiểu truyền song song Bộ thu của hệ thống Multi-code CDMA đƣợc xem nhƣ tƣơng ứng với M bộ thu của hệ thống DS-CDMA. Hình 3.8 miêu tả sơ đồ khối của bộ thu hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song. Đồ án tốt nghiệp Trang 91 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance Hình 3.8: Sơ đồ khối bộ thu Multi-code CDMA kiểu truyền song song Để giảm sự tự xuyên nhiễu (self-interference) mà một ngƣời dùng sử dụng nhiều mã có thể gặp phải thì các mã của cùng ngƣời dùng nên trực giao lẫn nhau.  Hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền M-ary Trong hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền M-ary mỗi ngƣời dùng cũng đƣợc gán một tập gồm M chuỗi mã. Các tốc độ dữ liệu khác nhau của ngƣời dùng sẽ đƣợc hổ trợ bằng cách thay đổi kích thƣớc M của tập chuỗi mã. Ngƣời dùng truyền dữ liệu bằng cách chọn một chuỗi mã từ tập chuỗi của họ và truyền nó qua kênh chung, bằng cách này log2 (M ) bit dữ liệu đã đƣợc truyền trong một chu kỳ ký tự dữ liệu. Quá trình tạo mã cho một ngƣời dùng cho một hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền M-ary cũng tƣơng tự nhƣ quá trình tạo mã trong hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song. Mỗi ngƣời dùng đƣợc gán một mã đặc trƣng cho ngƣời dùng Uk(n) , một tập mã {Vm(n)|1 ≤ m ≤ M} đƣợc gọi là tập mã thông tin đƣợc dùng chung cho tất cả ngƣời dùng. Tập mã cho ngƣời dùng thứ k là: (3.12) Với cách tạo mã này thì bộ ánh xạ các ký tự dữ liệu M-ary vào các chuỗi Vm(n), bộ giải mã (bộ lọc tƣơng hợp) và khối quyết định là giống nhau cho tất cả Đồ án tốt nghiệp Trang 92 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance ngƣời dùng. Mô hình bộ phát và bộ thu hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền M- ary đƣợc miêu tả trên Hình 3.9. Hình 3.9: Mô hình bộ phát và bộ thu hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền M-ary Tại bộ phát, một trong số M chuỗi mã thông tin Vm(n) đƣợc chọn tùy thuộc vào ký tự dữ liệu M-ary. Chuỗi mã này sẽ đƣợc nhân với chuỗi mã đặc trƣng cho ngƣời dùng và một hệ số biên độ √ , phép nhân giữa hai chuỗi mã đƣợc thực hiện theo kiểu chip-nhân-chip. Chuỗi kết quả đƣợc điều chế và truyền ra ngoài kênh truyền. Tại bộ thu, tín hiệu thu đƣợc giải điều chế, nhân với chuỗi đặc trƣng cho ngƣời dùng và đƣợc đƣa qua bộ giải mã là một băng các bộ lọc tƣơng hợp cho các Đồ án tốt nghiệp Trang 93 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance chuỗi thông tin Vm(n) với 1 ≤ m ≤ M . Một đơn vị quyết định sẽ xác định chuỗi nào đã đƣợc gởi (dò tìm cực đại) và cho ra ký tự dữ liệu M-ary tƣơng ứng.  Mô hình Multi-code CDMA tổng quát Nhƣ ta có thể thấy ở các phần trƣớc, một hệ thống DS-CDMA gán cho mỗi ngƣời dùng một mã trải phổ, các hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song và kiểu truyền M-ary gán cho một ngƣời dùng một tập gồm M chuỗi mã. Trong các hệ thống này, chỉ một phần hay toàn bộ các chuỗi mã của ngƣời dùng đƣợc sử dụng để truyền tin trong một chu kỳ ký tự dữ liệu. Mô hình Multi-code CDMA tổng quát này đƣợc miêu tả nhƣ ở Hình 3.10. Hình 3.10: Mô hình Multi-code CDMA tổng quát Ứng với mô hình Multi-code CDMA kiểu truyền song song, mỗi ngƣời dùng đƣợc gán M chuỗi mã, M chuỗi mã này đƣợc sử dụng đồng thời để trải rộng M luồng dữ liệu khác nhau có đƣợc sau khối chuyển đổi nối tiếp sang song song. Tuy nhiên, ứng với mô hình Multi-code CDMA kiểu truyền lựa chọn (mô hình Multi-code CDMA kiểu truyền M-ary là một trƣờng hợp đặc biệt của mô hình này) chỉ một tập con gồm M' mã (M ≤ M ') là đƣợc truyền trong một chu kỳ ký tự, tập Đồ án tốt nghiệp Trang 94 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance con M' mã này tƣợng trƣng cho một “từ mã” trong không gian từ mã đƣợc hình thành do sự kết hợp các khả năng có thể có của M' chuỗi mã (có tính đến các chuỗi mã trái dấu). Vì vậy, M' mã có thể hình thành nên một không gian từ mã với ( ) từ mã khác nhau, mỗi từ mã tƣợng trƣng cho một khối dữ liệu cụ thể với H = [log 2 = W] bit, trong đó ( ) biểu thị số tổ hợp để chọn n từ m phần tử và [x] là số nguyên lớn nhất không vƣợt quá x . Nhƣ vậy:  Khi M = M' = 1, mô hình tổng quát tƣơng ứng với mô hình hệ thống DS-CDMA với tốc độ dữ liệu cơ bản là R.  Khi 1 ≤ M ' ≤ M, mô hình tổng quát tƣơng ứng với mô hình hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền lựa chọn với tốc độ dữ liệu là HR .  Khi M = M ' > 1, mô hình tổng quát tƣơng ứng với mô hình hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song với tốc độ dữ liệu là MR. 3.2.5.3 Hệ thống MCMC CDMA  Hệ thống PMC-MC-CDMA Hệ thống PMC-MC-CDMA (Parallel Multicode Multicarrier CDMA) đƣợc xem nhƣ là sự kết hợp của hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song và hệ thống MC-CDMA. Khi một ngƣời dùng cần truyền một luồng dữ liệu có tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản M lần thì hệ thống sẽ chuyển luồng dữ liệu này thành M luồng dữ liệu con, mỗi luồng dữ liệu con bây giờ đƣợc xem nhƣ là của từng ngƣời dùng riêng biệt. Mỗi luồng dữ liệu con sẽ đƣợc đƣa qua bộ mã hóa kênh truyền, bộ trộn và đƣợc nhân với mã trải rộng có chiều dài L . Mỗi luồng dữ liệu con sau đó sẽ đƣợc điều chế đa sóng mang và phát ra ngoài kênh truyền. Hình 3.11 miêu tả sự tạo tín hiệu rời rạc cho hệ thống PMC-MC-CDMA ứng với ngƣời dùng k . Luồng dữ liệu ký tự dk của ngƣời dùng k có tốc độ gấp Mk Đồ án tốt nghiệp Trang 95 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance lần tốc độ cơ bản, tốc độ của luồng dữ liệu ký tự dk này là Mk/Ts với Ts là khoảng thời gian của một ký tự tốc độ cơ bản. Hình 3.11: Sự tạo tín hiệu rời rạc PMC-MC-CDMA Để đơn giản khi phân tích trong các phần tiếp theo sẽ không xét đến các bộ mã hóa kênh và các bộ trộn, ta có sơ đồ rút gọn sự tạo tín hiệu rời rạc PMC-MC- CDMA cho ngƣời dùng k nhƣ Hình 3.12. Trong mỗi khoảng thời gian Ts sẽ có Mk ký tự dữ liệu của ngƣời dùng k đƣợc truyền, không mất tính tổng quát sự tạo tín hiệu PMC-MC-CDMA sẽ đƣợc mô tả cho Mk ký tự dữ liệu của ngƣời dùng tích cực k , Mk ký tự dữ liệu của ngƣời dùng k đƣợc biểu diễn dƣới dạng vector cột: dk = (dk,1, dk,2, …, dk,Mk) T (3.13) Hình 3.12: Sơ đồ rút gọn cho sự tạo tín hiệu rời rạc PMC-MC-CDMA Ta có thể thấy sự khác nhau cơ bản giữa sự tạo tín hiệu PMC-MC- CDMA và MC-CDMA nằm ở bộ trải phổ. Trong hệ thống PMC-MC-CDMA, bộ trải phổ sẽ tạo ra Mk mã trải rộng. Bộ trải phổ sẽ nhân vector ký tự dữ liệu dk với ma trận mã trải rộng của ngƣời dùng k Ck = (Ck,1, Ck,2, …, Ck,Mk) T (3.14) Đồ án tốt nghiệp Trang 96 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance trong đó Ck,m (m =1,…,Mk) là vector cột có chiều dài L = Nc biểu diễn một mã trải rộng trong tập mã trải rộng của ngƣời dùng thứ k . Ngỏ ra bộ trải phổ có dạng sk = Ckdk = (Sk,1, Sk,2, …,Sk,L) T (3.15)  Hệ thống MMC-MC-CDMA Hệ thống MMC-MC-CDMA (M-ary Multicode MC-CDMA) là sự kết hợp nối tiếp của hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền M-ary và hệ thống MC-CDMA. Trong hệ thống này mỗi ngƣời dùng có một mã Ck (chiều dài L) đặc trƣng cho ngƣời dùng và một tập mã {Vm(n)|1≤ m ≤ M } chung cho tất cả ngƣời dùng (chiều dài của mỗi mã trong tập mã chung là N). Hình 3.13 miêu tả sự tạo tín hiệu MMC-MC-CDMA rời rạc cho ngƣời dùng k sử dụng sự điều chế BPSK. Khi ngƣời dùng k có tốc độ dữ liệu gấp log2(Mk) lần tốc độ dữ liệu cơ bản (1/Ts ) thì trong mỗi khoảng thời gian Ts khối chọn lọc sẽ “ánh xạ” một ký tự M-ary tƣơng ứng với log 2 (Mk) bit thông tin vào một trong số Mk mã của tập mã chung, tập Mk mã này đƣợc gọi là tập mã thông tin cho ngƣời dùng k. Chiều dài N của chuỗi mã trong tập mã chung là cố định với các giá trị khác nhau của Mk, vì vậy sự thay đổi tốc độ ký tự dữ liệu không làm thay đổi chiều dài N của chuỗi mã hay tốc độ của luồng bit đi vào bộ trải phổ (N/Ts ) nhƣng nó làm thay đổi kích thƣớc Mk của tập mã thông tin. Hình 3.13: Sự tạo tín hiệu rời rạc MMC-MC-CDMA Không mất tính tổng quát ta sẽ khảo sát trong một khoảng thời gian Ts cho ngƣời dùng tích cực k, giả sử ký tự M-ary dk tƣơng ứng với log 2 (Mk) bit thông tin trong khoảng thời gian này đƣợc ánh xạ vào mã Vdk(n) , N bit của mã Vdk(n) sau Đồ án tốt nghiệp Trang 97 Chƣơng 3: Tổng quan mạng di động 4G LTE Advance đó sẽ lần lƣợt đi qua bộ trải phổ. Với mỗi bit vdk,n (bit thứ n của mã Vdk; n =1, 2, ..., N ) đi vào bộ trải phổ thì tại ngỏ ra bộ trải phổ ta đƣợc một chuỗi có chiều dài L (3.16) Chuỗi L giá trị phức nối tiếp sk,n qua bộ chuyển đổi S/P để chuyển thành L giá trị song song đi vào khối OFDM. Ngỏ ra khối OFDM sẽ đƣợc đƣa qua khối D/A, chuyển lên tần số sóng mang cao tần và phát ra ngoài kênh truyền. Đồ án tốt nghiệp Trang 98 Chƣơng 4 : Mô phỏng CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG 4.1 Giao diện chính chƣơng trình Chọn Mô phỏng để bắt đầu chƣơng trình Đồ án tốt nghiệp Trang 99 Chƣơng 4 : Mô phỏng Trong giao diện này có thể lựa chọn ba vấn đề để mô phỏng 1.Hệ thống thu phát SC-FDMA. 2. So sánh hiệu suất hệ thống khi thuê bao thay đổi trạng thái. 3.So sánh hai hệ thống SC-FDMA và MC-MC-CDMA. Đồ án tốt nghiệp Trang 100 Chƣơng 4 : Mô phỏng 4.2. Hệ thống thu phát SC-FDMA Lựa chọn vấn đề 1: Trong chƣơng trình mô phỏng này, ngƣời thực hiện chọn:  dữ liệu vào: 64 bit  kiểu điều chế: 16QAM  số khối: 16  số symbol/khối:1  kích thƣớc FFT: 512  số user:1 Dữ liệu đầu vào gồm 64 bit đƣợc chuyển từ nối tiếp sang song song, sau đó nhóm từng 4 bit lại với nhau rồi đem đi điều chế 16QAM, nhƣ vậy ta có đƣợc 16 kí tự (symbol). Đồ án tốt nghiệp Trang 101 Chƣơng 4 : Mô phỏng Thực hiện FFT, đƣa 16 kí tự ở dạng số phức này đang ở trong miền thời gian đƣợc chuyển về miền tần số. Ánh xạ 16 kí tự này lên 512 sóng mang con theo kiểu IFDMA. Do số khối (blocksize) đã chọn là 16 nên mỗi khối sẽ chứa tối đa là 32 kí tự (tức 32 user). Vì ta chọn số user là 1 nên mỗi khối sẽ chỉ chứa 1 kí tự. Do đó, các kí tự sẽ đƣợc đặt cách nhau 31 sóng mang con, các sóng mang con này sẽ đƣợc chèn zero vào (zero padding). Biến đổi IFFT 512 điểm này để đƣa tín hiệu về lại miền thời gian. Thực hiện chèn khoảng bảo vệ CP rồi chuyển từ song song sang nối tiếp để phát đi. Bên thu sẽ thực hiện ngƣợc lại. Đối với trƣờng hợp điều chế kiểu 64QAM, các thông số đƣa vào sẽ là:  dữ liệu vào: 96 bit  kiểu điều chế: 64QAM  số khối: 16  số symbol/khối:1  kích thƣớc FFT: 512  số user:1 Trƣờng hợp này cũng tƣơng tự nhƣ đối với 16QAM, chỉ khác là số bit dữ liệu đƣa vào sẽ là 96 bit, điều chế 64QAM sẽ nhóm từng 6 bit lại với nhau, do đó ta cũng đƣợc 16 kí tự. Sau đó, thực hiện tƣơng tự trƣờng hợp 16QAM. Đồ án tốt nghiệp Trang 102 Chƣơng 4 : Mô phỏng  Chọn nút A, dữ liệu vào gồm 64 bit ngẫu nhiên:  64 bit này đƣợc điều chế 16QAM_nhóm 4 bit thành 1 kí tự (symbol), ta đƣợc 16 kí tự. Chọn nút B ta thấy đƣợc chòm sao kí tự: 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -3 -2 -1 0 1 2 3 -3 -2 -1 0 1 2 3 Q u a d ra tu re In-Phase Scatter plot Đồ án tốt nghiệp Trang 103 Chƣơng 4 : Mô phỏng Sở dĩ ta không nhìn thấy đầy đủ 16 kí tự trên chòm sao là vì một số kí tự đã bị trùng lấp nhau.  Đem 16 kí tự đi điều chế FFT, tại nút C:  Sau đó, đem tín hiệu ánh xạ lên 512 sóng mang con, rồi thực hiện biến đổi IFFT 512 điểm, chuyển tín hiệu từ miền tần số về miền thời gian. Chọn D: 0 5 10 15 0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 500 600 0.04 0.05 0.06 .07 0.08 0.09 0.1 .11 0.12 0.13 0.14 Đồ án tốt nghiệp Trang 104 Chƣơng 4 : Mô phỏng  Chèn khoảng bảo vệ CP, kích thƣớc CP là 20.Tại E:  Phát tín hiệu lên kênh truyền trong môi trƣờng nhiễu AWGN, tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên tại F: 0 100 200 300 400 500 600 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0 100 200 300 400 500 600 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Đồ án tốt nghiệp Trang 105 Chƣơng 4 : Mô phỏng  Tín hiệu thu về có cộng nhiễu tại G:  Loại CP, tín hiệu đƣợc trả về kích thƣớc 512 (H): 0 100 200 300 400 500 600 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0 100 200 300 400 500 600 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Đồ án tốt nghiệp Trang 106 Chƣơng 4 : Mô phỏng  Lấy FFT 512 điểm đƣa tín hiệu về miền tần số, tại điểm I:  Giải ánh xạ sóng mang con, ta thu lại đƣợc 16 kí tự (K): 0 100 200 300 400 500 600 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 -3 -2 -1 0 1 2 3 Đồ án tốt nghiệp Trang 107 Chƣơng 4 : Mô phỏng  Thực hiện giải điều chế 16QAM và chuyển dữ liệu từ song song sang nối tiếp, ta đƣợc 64 bit (L): 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Đồ án tốt nghiệp Trang 108 Chƣơng 4 : Mô phỏng 4.3 Mô phỏng hệ thống SCFDMA 10 user trong các trƣờng hợp: cố định, di chuyển chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe) Lựa chọn vấn đề 2: Đồ án tốt nghiệp Trang 109 Chƣơng 4 : Mô phỏng Nhận xét: Trong trƣờng hợp user cố định (lí tƣởng), hệ thống đạt chất lƣợng tốt nhất tức tỉ lệ lỗi bit là ít nhất. Đối với trƣờng hợp user di chuyển nhanh (thực tế), hệ thống đạt chất lƣợng kém nhất. 4.4 So sánh hệ thống SC-FDMA và MCMC-CDMA Giao diện so sánh hệ thống SC-FDMA và MCMC-CDMA nhƣ hình dƣới. Có 2 lựa chọn kiểu điều chế:  16QAM  64QAM Đồ án tốt nghiệp Trang 110 Chƣơng 4 : Mô phỏng Thực hiện mô phỏng hai hệ thống với:  Số user=10.  Môi trƣờng Rayleigh fading có nhiễu Awgn.  M= 16; 64 (số mức đối với MCMC-CDMA và kiểu điều chế đối với SCFDMA). Kết quả: Đồ án tốt nghiệp Trang 111 Chƣơng 4 : Mô phỏng Đồ án tốt nghiệp Trang 112 Chƣơng 4 : Mô phỏng Nhận xét:  Đối với trƣờng hợp 16QAM: tại SNR=0:10, hệ thống MCMC-CDMA đạt hiệu suất tốt hơn hệ thống SC-FDMA. Nhƣng từ SNR=10 trở đi, hệ thống SC-FDMA đạt hiệu suất tốt hơn.  Đối với trƣờng hợp 64QAM: tại SNR=0:16, hệ thống MCMC-CDMA đạt hiệu suất tốt hơn hệ thống SC-FDMA. Nhƣng từ SNR=16 trở đi, hệ thống SC-FDMA đạt hiệu suất tốt hơn. Đồ án tốt nghiệp Trang 113 Chƣơng 5 : Kết luận và hƣớng phát triển đề tài CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1. Kết luận Đề tài tìm hiểu về công nghệ 4G LTE và LTE phát triển nhằm đƣa ra sự so sánh giữa các phƣơng thức truyền trong hệ thống LTE và LTE phát triển, cụ thể là so sánh hiệu suất hệ thống MIMO-OFDM (tuyến xuống) và SC-FDMA (tuyến lên) với hệ thống MCMC-CDMA_phƣơng thức truyền đang đƣợc đƣa ra đối với LTE phát triển. Tuy nhiên, vì thời gian có hạn cũng nhƣ khả năng ngƣời thực hiện còn hạn chế mà đề tài chỉ mới dừng lại ở mức độ tìm hiểu LTE và thực hiện so sánh SC-FDMA với MCMC-CDMA. 5.2. Hƣớng phát triển đề tài Nghiên cứu và thực hiện mô phỏng để so sánh hệ thống MIMO-OFDM với MCMC-CDMA, thực hiện với MIMO 2x2, từ đó mở rộng hơn với MIMO 4x4, 8x8. Đồ án tốt nghiệp Trang 114 Chƣơng 5 : Kết luận và hƣớng phát triển đề tài PHẦN C: PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Từ viết tắt 1G 2G 3G 4G 3GPP One Generation Cellular Second Generation Cellular Third Generation Cellular Four Generation Cellular Third Generation Patnership Project A ACK AMPS AuC Acknowledgement Advance Mobile Phone System Authentication Centre B BCCH BCH BW Broadcast Control Channel Broadcast Channel Band Width C CDMA CP Code Division Multiple Access Cycle Prefix D D-AMPS Digital Advance Mobile Phone System E eNodeB EPC EPS E-UTRAN Enhanced NodeB Evolved Packet Core Evolved Packet System Evolved-UTRAN F FDD FTP Frequency Division Duplex File Transfer Protocol G GSM GPRS Global System for Mobile Phone General Packet Radio Service H HLR HSDPA HSDPA HSS Home Location Register High Speed Downlink Packet Access High Speed Uplink Packet Access Home Subscriber Server I ITU IMT International Telecommunication Union International Mobile Telecommunication L LTE Long Term Evolution M MAC MBMS MC-MC-CDMA MIMO MME MU-MIMO Medium Access Control Multimedia Broadcast Multicast Service Multicode Multicarrier Code Devision Multiple Access Multiple Input Multiple Output Mobility Management Entity Multi User – MIMO N NAS NMT Non-Access Stratum Nordic Mobile Telephone O OFDM OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Orthogonal Frequency Division Multiple Access P PBCH PCCH PCRF PDC PDCCH PDCP PDSCH PDN PLMN PUCCH PUSCH Physical Broadcast Channel Paging Control Channel Policy Control Charging Rules Function Personal Digital Cellular Physical Downlink Control Channel Packet Data Convergence Protocol Physical Downlink Shared Channel Packet Data Network Public Land Mobile Network Physical Uplink Control Channel Physical Uplink Shared Channel Q QoS Quality of Service R RAN RLC RNC RRC Radio Access Network Radio Link Control Radio Network Core Radio Resource Control S SC-FDMA SAE S-GW Single Carrier-Frequency Division Multiple Access System Architecture Evolution Serving Gateway SGSN SMS SDMA Serving GPRS Support Node Short Message Service Spatial Division Multiple Access T TACS TDD Total Access Communication System Time Division Duplex U UE UMTS UTRAN User Equipment Ultra Mobile Broadband UTMS Terrestrial Radio Access Networks W WCDMA Wideband Code Division Multiple Access TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Stefania Sesia, Issam Toufik and Matthew Baker; LTE-The UMTS Long Term Evolution : From Theory to Practice; 2009 John Wiley & Sons, Ltd. [2].Harri Holma and Antti Toskala both of Nokia Siemens Netwworks, Filand; LTE for UMTS-OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access; John Wiley & Sons, Ltd. [3].Harri Holma and Antti Toskala both of Nokia, Filand; WCDMA for UMTS- HSPA Evolution and LTE; John Wiley & Sons, Ltd 2007. [4] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold and Per Beming; 3G Evolution HSPA and Mobile Broadband, 2007 [5 ]LTE Uplink Physical Layer Behavioural Model, Roke [6]Hyung G.Myung, Junsung Lim and David J.Goodman, Polytechnic University Single carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission. [7] Martin Sauter;Beyond 3G Bringing netwwork Terminal and the web together , 2009 [8]www.wikipedia.com