Đề tài Tiến trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G-4G

dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian( V-BLAST ), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu ( STBC , STTC ) mà không cần tăng công 67 suất phát cũng như tăng băng thông của hế thống . kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống phadinh chọn lọc tần số , bằng cách chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao . kênh truyền chịu phadinh chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn , khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu phadinh phẳng . OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn . ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép tín hiệu cân bằng trong miền tần số . từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM , việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai . 2.2 sử dụng hệ thống MIMO trong LTE : Cho đến nay việc truyền dữ liệu thông thường thông qua một dòng tín hiệu duy nhất trong không gian giữa bộ phát sóng và bộ thu sóng. Hầu hết các hệ thống không dây hiện nay đều hoạt động theo chế độ này, và một bộ phát sóng thứ hai trên cùng tần số được xem là nhiễu không mong muốn, làm giảm chất lượng kênh truyền. Tuy nhiên trong thực tế, có thể thấy rằng ngay cả một tín hiệu duy nhất cũng bị phản xạ và tán xạ bởi những đối tượng trong lộ trình truyền, và đầu kia nhận được vài bản sao của tín hiệu ban đầu từ những góc độ khác nhau vào những thời điểm hơi lệch nhau một chút. Đối với những công nghệ truyền không dây đơn giản, các bản sao này cũng là nhiễu không mong muốn. Nhưng LTE lại lợi dụng sự tán xạ và phản xạ trên lộ trình truyền bằng cách truyền vài dòng dữ liệu độc lập qua những ăng-ten riêng. Các ăng-ten này được đặt cách nhau ít nhất là một nửa bước sóng, điều này tự nó tạo ra những cuộc truyền riêng biệt, vốn phản ứng khác nhau khi chúng gặp những chướng ngại trong lộ trinh truyền. Ở phía máy thu, những dòng dữ liệu khác nhau được bắt (pick up) bởi các ăng-ten độc lập và các dây chuyền thiết bị thu độc lập. Việc truyền vài tín hiệu độc lập trên cùng băng tần này được gọi là MIMO (Multiple Input Multiple Output), và Hình dưới cho thấy một cách biểu diễn đồ họa đơn giản hóa của kỹ thuật này. Trong thực tế, điều này có nghĩa là vài lưới tài nguyên LTE được gửi đồng thời trên cùng tần số nhưng thông qua những ăng-ten khác nhau. 67 Nguyên tắc của truyền MIMO. Chuẩn LTE chỉ định hai và bốn cuộc truyền riêng biệt trên cùng một băng tần, tức đòi hỏi phải có hai hoặc bốn ăng-ten tương ứng ở cả máy phát lẫn máy thu. Hệ quả là, những cuộc truyền như vậy được gọi là 2x2 MIMO và 4x4 MIMO. Trong thực tế, 2x2 MIMO nhiều khả năng sẽ được dùng trước, do bởi những ràng buộc về kích cỡ của các UE và do sự kiện là các ăng-ten phải được đặt cách nhau ít nhất một nửa bước sóng. Hơn nữa, hầu hết các UE đều cho phép dùng vài băng tần, mỗi băng thường đòi hỏi bộ ăng-ten của riêng nó trong trường hợp hoạt động MIMO được hậu thuẫn trong băng đó. Ở phía mạng, có thể có được những cuộc truyền 2x2 MIMO bằng một ăng-ten phân cực chéo (cross polar antenna) “duy nhất”, kết hợp hai ăng-ten theo cách sao cho mỗi ăng-ten truyền đi một dòng dữ liệu riêng biệt với một dạng phân cực khác nhau (ngang và đứng). Tuy trên hình mô tả khái niệm tổng quát của truyền MIMO, nhưng nó không chính xác ở phía máy thu, bởi vì mỗi ăng-ten nhận không phải chỉ một tín hiệu duy nhất mà là một sự kết hợp của tất cả các tín hiệu khi chúng chồng chéo lên nhau trong không gian. Vì thế, mỗi dây chuyền thiết bị thu cần phải tính toán một cách truyền kênh có xét đến mọi cuộc truyền để phân biệt các cuộc truyền với nhau. Các ký hiệu truyền pilot đã nói ở 67 trên được dùng cho mục đích này. Những thành tố cần thiết cho các tính toán này bao gồm độ lợi (gain), pha (phase) và các ảnh hưởng đa đường truyền (multipath effect) cho mỗi lộ trình truyền độc lập. Vì khuôn khổ có hạn, tài liệu này không đi sâu vào cách tính toán này. Bởi vì các kênh MIMO phân biệt với nhau, nên 2x2 MIMO có thể làm tăng tốc độ truyền tổng thể lên hai lần, còn 4x4 MIMO thì tăng lên bốn lần. Tuy nhiên điều này chỉ có thể đạt được trong những điều kiện tín hiệu lý tưởng. Vì vậy, MIMO chỉ được dùng cho các cuộc truyền hướng xuống trong LTE, bởi vì bộ phát sóng của trạm cơ sở ít bị ràng buộc về công suất hơn bộ phát sóng ở hướng lên. Trong những điều kiện truyền ít thuận lợi hơn, hệ thống tự động quay trở lại kiểu truyền một dòng dữ liệu duy nhất và cũng giảm luôn cấp điều chế từ 64-QAM xuống 16- QAM hay thậm chí QPSK. Ngoài ra, như đã trình bày trong phần nói về HSPA+, còn có một sự quân bình (được này mất kia) giữa điều chế cấp cao hơn và sử dụng MIMO. Vì thế trong những điều kiện tín hiệu kém hơn lý tưởng, truyền MIMO chỉ được dùng với điều chế 16-QAM thôi, như vậy không thể gấp đôi tốc độ truyền so với truyền một dòng duy nhất sử dụng 64-QAM. Ở hướng lên, thật khó cho các UE sử dụng MIMO do bởi kích cỡ ăng-ten hạn chế và công suất ngõ ra của nó, cho nên chuẩn LTE hiện nay không có MIMO. Tuy nhiên bản thân kênh truyền hướng lên LTE vẫn thích hợp cho truyền MIMO hướng lên. Để tận dụng trọn vẹn kênh truyền này, một số công ty đang tính tới việc thực hiện MIMO cộng tác (collaborative MIMO), hay còn gọi là MIMO đa người dùng (multiuser MIMO), trong tương lai. Ở đây, hai UE sử dụng cùng một kênh hướng lên cho lưới tài nguyên của chúng. Về phía trạm cơ sở, hai dòng dữ liệu này được phân tách bởi bộ thu sóng MIMO và được xử lý như là hai cuộc truyền từ những thiết bị độc lập, chứ không phải như hai cuộc truyền từ một thiết bị duy nhất nên phải được kết hợp lại. Tuy điều này không làm cho tốc độ truyền của mỗi thiết bị cao hơn, nhưng dung lượng hướng lên tổng thể của cell được gia tăng đáng kể. 67 Mô hình trực quan của một hệ thống MIMO : 2.3 mô hình hệ thống MIMO-OFDM : Cấu trúc máy thu và máy phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO NT anten phát và NR anten thu , kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ được mô tả như hình : STC Encoder OFDM Transmitter OFDM Transmitter OFDM Transmitter STC Decoder OFDM Receiver OFDM Receiver OFDM Receiver Signal Demapper Signal Mapper 1Rx1Tx 2Rx2Tx TNTx TNRx Data Data a, sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM b, sơ đồ khối bộ phát OFDM : 67 c, sơ đồ khối bộ thu OFDM : Mô hình hệ thống MIMO – OFDM : Symbol thu được từ anten thứ I , tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể biểu diễn như sau : với X j (k) là symbol phát trên sóng mang thứ K trong symbol OFDM . Vi(k) là nhiễu Gauss tại anten thu thứ I trong miền tần số , tức là N-FFT của nhiễu trong miền thời gian Vi(t) . λij (k) là độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i tại sóng mang phụ thứ n . λij (k) chính là N-FFT của đáp ứng xung của kênh truyền Cij (t) từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i . nếu máy thu có thể ước lượng chính xác trạng thái kênh truyền thì λij (k) sẽ được biết chính xác ứng với mỗi symbol OFDM . Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như sau : 67 hình dưới mô tả trực quan hơn ma trận H , kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh truyền chọn lọc tần số thành N kênh truyền con pha dinh phẳng. hệ thống MIMO-OFDM tương đương với hệ thống MIMO . ma trận kênh truyền : 2.5 các độ lợi trong hệ thống MIMO : hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi : độ lợi Beamforming , độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian . Độ lợi Beamforming : Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất , giảm can nhiễu và tránh được các can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn , từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống . Để có thể thực hiện Beamforming , khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng λ ( thông thường là λ/2) . Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ .khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập . 67 Kỹ thuật Beamforming : Độ lợi ghép kênh không gian ( spatial multiplexing ): Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền : Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO ,các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten , nhằm tăng dụng lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống . dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống .để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại dung lượng kênh truyền thuật toán V-BLAST ( Vertical – Bell Laboratories Layered Space – Time ) được áp dụng . Độ lợi phân tập ( spatial diversity ): phân tập không gian giúp cải thiện SNR Trong truyền dẫn vô tuyến , mức tín hiệu luôn thay đổi , bị phadinh liên tục theo không gian thời gian và tần số , khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định , việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền phadinh khác nhau , bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm tốc độ sai bít BER , chống phadinh qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống . Để cực đại độ lợi phân tập , giảm BER và chống lại Fadinh , thuật toán STBC ( Space – Time Block Code ) và STTC ( Space – Time Trellis Code ) được áp dụng . 67 thực tế , để hệ thống có dung lượng cao, BER Thấp , chống được phadinh ta phải có độ tương nhượng giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết kế hệ thống . cd fv c f . 1 = chương 4 các kiến trúc giao thức LTE Tổng quan về kiến trúc giao thức LTE cho đường xuống được minh họa trong Hình 4.1:Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 4.1 Điều khiển liên kết vô tuyến RLC(Radio Link Control) 67 -Nhiệm vụ RLC: +Chịu trách nhiệm phân đoạn các gói IP được gọi là các RLC SDU(Service Data Unit:đơn vị số liệu dịch vụ),thành các đơn vị nhỏ hơn được gọi là các RLC PDU(Packet Data Unit:đơn vị số liệu gói). +RLC xử lí việc phát lại các PDU thu bị lỗi cũng như loại bỏ thu kép và móc nối các PDU thu. +RLC đảm bảo việc chuyển các RLC SDU theo đúng trình tự lên các lớp trên. a)Cơ chế phát lại PDU: -Có 1 giao thức phát lại làm việc giữa RLC phía phát và phía thu. -Bằng cách giám sát các số thứ tự thu ,RLC thu có thể nhận ra các PDU bị mất.Báo cáo trạng thái được phản hồi đến RLC phát để yêu cầu phát lại các PDU bị mất. -Để thực hiện việc phát lại các PDU thì RLC được lập các chế độ cấu hình khác nhau: +Chế độ công nhận AM(Acnowledged Mode):được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên TCP như chuyển file khi mà truyền số liệu không bị lỗi là mối quan tâm đầu tiên. +Chế độ không công nhận UM(Unacknowledged Mode):trong UM,chuyển theo trình tự lên các lớp cao hơn vẫn được đảm bảo ,nhưng không yêu cầu phát lại các PDU bị mất. +Chế độ trong suôt TM(Transparent Mode). b)RLC làm nhiệm vụ phân đoạn và móc nối Hình 4.2:Phân đoạn và móc nối RLC Ngoài việc điều khiển việc truyền lại và phân phát theo trình tự, RLC cũng 67 chịu trách nhiệm việc phân đoạn và ghép nối theo như minh họa trong hình 4.2. Dựa trên quyết định của scheduler (scheduler decision), một lượng dữ liệu nào đó được lựa chọn để truyền đi từ bộ đệm RLC SDU và các SDUs sẽ được phân đoạn/ghép nối để tạo thành RLC PDU. Do đó, đối với LTE thì kích thước RLC PDU thay đổi một cách động (varies dynamically), trong khi WCDMA/HSPA trước phiên bản 7 lại sử dụng kích thước PDU bán tĩnh (semi-static PDU size). Khi mà tốc độ dữ liệu cao, kích thước PDU lớn dẫn đến phần mào đầu nhỏ hơn tương ứng, còn khi mà tốc độ dữ liệu thấp, đòi hỏi kích thước PDU phải nhỏ nếu không thì tải trọng sẽ trở nên quá lớn. Vì vậy, khi tốc độ dữ liệu nằm trong khoảng từ một vài kbit/s tới trên một trăm Mbit/s, kích thước PDU động (dynamic PDU sizes) sẽ được điều chỉnh bởi LTE. Vì RLC, scheduler và cơ chế thích ứng tốc độ đều được đặt trong eNodeB, nên dễ dàng hổ trợ các kích thước PDU động cho LTE. 4.2 Điều khiển truy nhập môi trường MAC(Medium Access Control) -Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC có nhiệm vụ: + Xử lí ghép kênh logic. +Các phát lại HARQ . +Lập biểu đường lên và đường xuống. 4.2.1Các kênh logic và các kênh truyền tải a)Kênh logic -MAC cung cấp dịch vụ cho RLC trong dạng các kênh logic.Kênh logic được định nghĩa bởi kiểu thông tin nó mang;có nhiệm vụ để truyền dẫn thông tin điều khiển và cấu hình cần thiết để vận hành hệ thống LTE. -Các kênh logic của LTE bao gồm: · Kênh điều khiển quảng bá (Broadcast Control Channel - BCCH): được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển hệ thống từ mạng tới tất cả các thiết bị đầu cuối di động trong một tế bào. Trước khi truy nhập vào hệ thống, một thiết bị đầu cuối di động cần phải đọc những thông 67 tin được truyền trên kênh BCCH để tìm ra cách thức hệ thống được cấu hình, ví dụ như băng thông của hệ thống. · Kênh điều khiển tìm gọi (Paging Control Channel – PCCH): được sử dụng cho việc tìm gọi của các thiết bị đầu cuối di động mà mạng không biết được vị trí của nó về mức tế bào (cell level) và vì vậy tin nhắn tìm gọi cần được truyền trong nhiều tế bào. · Kênh điều khiển dành riêng (Dedicated Control Channel – DCCH): được dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển tới hoặc từ thiết bị đầu cuối di động. Kênh này được sử dụng cho việc cấu hình riêng lẻ từng thiết bị đầu cuối di động ví dụ như những tin nhắn chuyển giao khác nhau. · Kênh điều khiển multicast (Multicast Control Channel - MCCH): được dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển được yêu cầu cho việc tiếp nhận của MTCH. · Kênh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel - DTCH): được dùng cho việc truyền dữ liệu người dùng đến hoặc từ một thiết bị đầu cuối di động. Đây là 1 loại kênh logic được dùng để truyền dữ liệu người dùng đường lên và đường xuống phi-MBMS (non-MBMS). · Kênh lưu lượng multicast (Multicast Traffic Channel – MTCH): được dùng cho truyền dẫn đường xuống những dịch vụ MBMS. b)Tập các kênh truyền tải được định nghĩa trong LTE bao gồm: +Kênh quảng bá (BCH:Broadcast Channel) có một định dạng truyền tải cố định, được cung cấp bởi các đặc tính kỹ thuật. Nó được dùng cho việc truyền dẫn những thông tin trên kênh logic BCCH. Kênh tìm gọi(PCH Paging channe): được dùng cho việc paging thông tin trên kênh logic PCCH. Kênh PCH hỗ trợ việc thu nhận không liên tục (discontinous reception – DRX) nhằm cho phép thiết bị đầu cuối di động tiết kiệm năng lượng pin bằng cách ngủ (sleeping) và chỉ thức (wake up) khi nhận PCH tại những thời điểm xác định trước. Cơ chế paging được mô tả có phần chi tiết hơn trong chương 5. Kênh chia sẻ đường xuống – Downlink Shared Channel (DL-SCH): là kênh truyền tả