ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu giảm BER bằng các phương pháp hợp tác chuyển tiếp trong LTE-Advanced

100 MB Bao gồm tất cả file,.CODE MATLAB SIMULATION... thuyết minh, power point báo cáo, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu giảm BER bằng các phương pháp hợp tác chuyển tiếp trong LTE-Advanced

LỜI NÓI ĐẦU

3GPP đang phát triển một tiêu chuẩn cho mạng truy cập di động băng thông rộng hứa hẹn sẽ đáp ứng được những yêu cầu về thông lượng kênh truyền và độ bao phủ của mạng của công nghệ di động thế hệ thứ tư(4G) gọi là LTE-Advanced, là phiên bản phát triển của LTE. Mục tiêu chính của sự phát triển này là làm tăng tốc độ dữ liệu, cải thiện hiệu suất phổ, cải thiện độ bao phủ và đồng thời giảm trễ trong quá trình truyền. Kết quả cuối cùng của những mục tiêu này nhằm tăng chất lượng dịch vụ cho người dùng, ngoài ra để giảm chi phí điều hành đối với nhiều môi trường thông tin liên lạc khác nhau.

Một trong những thách thức của chuẩn đang phát triển này là phải cung cấp tốc độ dữ liệu cao trong vùng bao phủ của trạm gốc. Một giải pháp để tăng tốc độ dữ liệu là giảm tỉ lệ lỗi bit (BER) khi tỉ số SRN được cho trước, đồng thời tăng độ bao phủ bằng cách sử dụng các trạm trung gian để chuyển tiếp dữ liệu giữa trạm gốc và thiết bị di động còn gọi là kỹ thuật chuyển tiếp. Kỹ thuật chuyển tiếp đã được bắt đầu nghiên cứu và được xem xét trong quá trình chuẩn hóa của hệ thống truyền thông di động băng rộng thế hệ 4G. Vì vậy, em quyết định chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là: “Nghiên cứu giảm BER bằng các phương pháp hợp tác chuyển tiếp trong LTE-Advanced ”.

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống LTE-Advanced và đánh giá hiệu quả của các phương pháp kết hợp tại đầu thu trong hợp tác chuyển tiếp. Cách tiếp cận vấn đề là thiết kế, mô phỏng kênh truyền, các phương thức chuyển tiếp tại trạm chuyển tiếp kết hợp với các phương pháp kết hợp tín hiệu tại đầu thu nhằm giảm tỉ lệ bit lỗi cho mạng LTE-Advanced làm nổi bật hiệu quả của các kỹ thuật chuyển tiếp. Kết quả mô phỏng của đồ án đã làm sáng tỏ phần lý thuyết đã trình bày, cho thấy các kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp có thể giảm BER. Qua đó có thể làm cơ sở để tăng tốc độ bit nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ một cách hiệu quả.

Nội dung đồ án gồm hai phần lý thuyết và mô phỏng, được trình bày qua 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu công nghệ vô tuyến LTE-Advanced

Chương 2: Công nghệ Relay trong LTE-Advanced

Chương 3: Chuyển tiếp trong mạng đa chặng hợp tác

Chương 4: Mô phỏng kết quả các phương pháp kết hợp

Trong quá trình hoàn thành đồ án này, tuy đã cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong quý thầy cô chỉ bảo thêm. Nhân đây, em xin chân thành gửi lời xin lỗi đến thầy hướng dẫn em làm đồ án tốt nghiệp này là thầy Nguyễn Văn Cường vì tác phong học tập chưa tốt của mình. Em đã ghi nhớ và sẽ chú trọng đến tác phong và thái độ học tập và làm việc trong mọi lĩnh vực của cuộc sống từ bây giờ.

Qua đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các quý thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông đã cung cấp những kiến thức cần thiết trong năm năm đại học để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này! Đó cũng là nền tảng để em có thể tiếp tục học tập và ứng dụng vào công việc sau này.

Sau cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Cường đã hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án này!

Em xin chân thành cảm ơn!

 

CÁC TỪ VIẾT TẮT

3G                               3rd Generation

3GPP                          3rd Generation Partnership Project

4G                               4th Generation

B3G                            Beyond 3rd Generation

BER                            Bit Error Rate

BPSK                          Binary Phase Shift Keying

BS                               Base Station

CDMA                        Code Division Multiple Access

CP                               Cyclic Prefix

DFT                            Discrete Fourier Transform

DL                               Down link

DMF                           De- Modulate and Forward

ESNRC                       Enhanced Signal to Noise Combining

eNB                            evolved Node B

ERC                            Equal Ratio Combining

FDMA                        Frequency Division Multiple Access

FDD                            Frequency Division Duplex

FFT                             Fast Fourier Transform

FRC                            Fixed Ratio Combining

GSM                           Global System for Mobile communication

IFFT                            Inverse Fast Fourier Transform

IMT                             International Mobile Telecommunications

IMT-A                        International Mobile Telecommunications Advanced

ITU                             International Telecommunication Union

LOS                            Line Of Sight

LTE                             Long Term Evolution

LTE-A                        Long Term Evolution Advanced

MIMO                        Multiple Input and Multiple Output

MRC                           Maximum Ratio Combining

NLOS                         Non Line Of Sight

OFDM                        Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA                     Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PAPR                          Peak to Average Power Ratio

QoS                             Quality of Service

QPSK              Quadrature Phase Shift Keying

RF                               Radio Frequency

RAN                           Radio Access Network

RN                              Relay Node

RX                              Receiver

RS                               Relay Station

SCFDMA                   Single Carrier Frequency Division Multiple Access

SER                             Symbol Error Rate

SNR                            Signal to Noise Ratio

SNRC                         Signal to Noise Ratio Combining

TDD                            Time Division Duplex

TX                               Transmitter

UE                               User Equipment

UL                               Up link

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN TỪ 3G-LTE

ĐẾN LTE-ADVANCED

1.1 Giới thiệu chương

Chương đầu tiên của đồ án này, sẽ trình bày một số khái niệm quan trọng của LTE ( Phiên bản thứ 8), LTE-Advanced. Sau đó sẽ trình bày về một số những ưu điểm chính của LTE- Advanced và so sánh sự khác biệt giữa LTE và LTE- Advanced.

1.2 Hệ thống vô tuyến 3G

1.3 Tổng quan về LTE

1.4 Cuộc cách mạng từ 3G lên 4G (LTE-Advanced)

1.4.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần

1.4.2 Giải pháp đa anten

1.4.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

1.4.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Các giải pháp chuyển tiếp khác nhau được dùng để giảm khoảng cách đường truyền trực tiếp từ máy phát và máy thu dẫn đến hệ quả hiển nhiên là tốc độ dữ liệu sẽ tăng. Các bộ lặp đơn giản sau khi nhận dữ liệu sẽ khuếch đại và chuyển đi tiếp tục đến đích. Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái 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 và chuyển tiếp”. Ngoài ra có thể kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp và kỹ thuật phân tập gọi là phân tập hợp tác (Cooperative Relaying).

Hình 1.6 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced

1.5 Ưu điểm của LTE-Advanced

1.6 Kết luận chương

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ RELAY TRONG LTE-ADVANCED

2.1 Giới thiệu chương

2.2 Giới thiệu công nghệ chuyển tiếp

2.3 Khái niệm mạng đơn chặng và đa chặng trong viễn thông        

2.3 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng thông tin băng rộng LTE-Advanced

Nguyên lý của kỹ thuật chuyển tiếp là sử dụng nút chuyển tiếp (RS) như một thiết bị để truyền dữ liệu trung gian giữa trạm gốc (BS) và thiết bị người dùng (MS).

2.3.1 Phân loại

2.3.1.1 Trạm chuyển tiếp loại 1

Hình 2.4 Chuyển tiếp loại 1 và loại 2

2.3.1.2 Trạm chuyển tiếp loại 2

Chuyển tiếp loại 2 chỉ có ý nghĩa làm tăng chất lượng dịch vụ (QoS) hay dung lượng đường truyền chứ không có ý nghĩa tăng độ bao phủ của mạng di động như loại 1

2.3.2 Các phương pháp chuyển tiếp tín hiệu.

2.3.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Việc thực hiện đơn giản nhất được thực hiện trên lớp vật lý (Layer 1) là chuyển tiếp, tức là trạm chuyển tiếp nhận tín hiệu từ BS và khuếch đại nó rồi phát tiếp cho MS.

Hình 2.5 Trạm chuyển tiếp lớp 1

Để gửi dữ liệu với cùng một công suất như bên gửi, trạm chuyển tiếp sử dụng độ lợi:

                                                                                 (2.2)

2.3.2.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF)

Cao cấp hơn sẽ thực hiện thêm trên layer 2, sẽ có kiểm soát tín hiệu đi qua RS bao gồm giải mã tín hiệu nhận được và mã hóa lại tín hiệu để đạt được chất lượng tín hiệu tốt hơn. Đồng thời việc này sẽ dẫn đến đi kèm với các chi phí của độ phức tạp cao hơn.

CHƯƠNG 3: CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG ĐA CHẶNG

3.1 Giới thiệu chương

3.2 Giao thức hỗ trợ lựa chọn relay (Proposed Relay-Selection Protocol)

3.3 Các phương pháp kết hợp tín hiệu

3.3.1 Phương pháp Kết hợp cân bằng tỉ số (Equal Ratio Combining)

Phương pháp ERC thực hiện bằng cách cộng dồn các tín hiệu đến đích lại với nhau, dùng 1 trạm chuyển tiếp phương trình được đơn giản hóa:

                                                                      (3.7)

Với     là các tín hiệu nhận được trực tiếp từ nguồn,

là tín hiệu nhận được từ trạm chuyển tiếp

Phương pháp này đơn giản ở bên phía máy thu, khi kết hợp hai tín hiệu thì tỉ số SNR cũng sẽ tăng, vì vậy chất lượng tín hiệu cũng được đảm bảo tốt hơn.

3.3.2 Phương pháp kết hợp theo tỉ lệ cố định (Fixed Ratio Combining)

Thay vì chỉ cộng dồn các tín hiệu đến, ta nhân các tín hiệu đến với một trọng số không đổi, sẽ không làm thay đổi nhiều thông tin ban đầu.

Sử dụng 1 RS, phương trình tín hiệu tại đích như sau:

                                                      (3.9)

Trong đó là trọng số của liên kết trực tiếp và   là trọng số của một

trong những liên kết đa chặng (multi-hop). Tỷ lệ tốt nhất được lấy xấp xỉ bằng cách so sánh các giá trị khác nhau có thể sử dụng.

3.3.3 Kết hợp các tỉ số SNR (SNRC)

            Nhân tín hiệu truyền đến với hệ số tốt hơn trong FRC đó là SNR, có được từ ước lượng kênh truyền. Sử dụng 1 RS, phương trình tín hiệu tại đích như sau:

                                (3.11)

Với biểu thị cho SNR của đường truyền trực tiếp và biểu thị cho toàn bộ kênh đa chặng.

3.3.4 Kết hợp tỉ số tối đa (MRC)

Kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) đạt được hiệu suất tốt nhất có thể bằng việc nhân mỗi tín hiệu đầu vào máy thu với liên hợp phức của độ lợi kênh tương ứng.

Sử dụng một trạm chuyển tiếp , phương trình tín hiệu tại đích như sau:

                              (3.19)

Với và lần lượt là liên hợp phức của độ lợi kênh trực tiếp và từ trạm RS đến đích. MRC chỉ nên được sử dụng kết hợp với một giao thức DAF. Việc thực hiện của MRC được đề nghị đi kèm sử dụng mã sữa lỗi.

3.3.5 Kết hợp các tỉ số SNR nâng cao (ESNRC)

            Trong phương pháp này, tín hiệu nhận được tại đích là một trong những tín hiệu đến được chọn bằng cách so sánh tỉ số như sau:

            [n] = (3.20)

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1 Giới thiệu chương

            Mô phỏng kênh truyền vô truyến sử dụng kỹ thuật Relay, hiệu quả của các phương pháp kết hợp thông qua thông số BER, kỹ thuật chuyển tiếp AF và DF, và hiệu quả về công suất

4.2 Lưu đồ thuật toán

4.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng ERC, FRC, SNRC, ESNRC, MRC

4.2 Kết luận chương

            Kết quả mô phỏng đã cho thấy hiệu quả sử dụng kỹ thuật hợp tác chuyển tiếp làm giảm tỉ lệ bit lỗi, đáp ứng nhu cầu tăng hiệu suất của việc truyền tải thông tin trong LTE-A. Đó cũng chính là mục đích nghiên cứu đồ án này.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

 

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN

LTE-ADVANCED

1.1 Giới thiệu chương

LTE-Advanced được biết đến như là một phiên bản mở rộng của LTE, đáp ứng được yêu cầu của IMT-Advanced được gọi là công nghệ thế hệ 4G. Vì vậy mặc dù LTE-A có những phát triển nổi bậc so với LTE nhưng chúng đều có các điểm tương đồng về cấu trúc mạng, đặc tính phổ tần, kỹ thuật phân tập…Nên khi nhắc đến LTE-A trước hết phải có kiến thức tổng quát về 3G LTE. Chương đầu tiên của đồ án này, sẽ trình bày một số khái niệm quan trọng của LTE ( Phiên bản thứ 8), LTE-Advanced. Sau đó sẽ trình bày về một số những ưu điểm chính của LTE- Advanced và so sánh sự khác biệt giữa LTE và LTE- Advanced.

1.2 Hệ thống vô tuyến 3G LTE

Long Term Evolution ( LTE ) là hệ thống vô tuyến thế hệ thứ ba (3G), dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến . LTE đang trên đà phổ biến và tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh . Tuy nhiên , để đáp ứng nhu cầu bùng nổ thông tin trong tương lai, các dịch vụ di động băng thông rộng cần phải truyền dữ liệu tốc độ cao, trễ ngắn hơn, và dung lượng lớn hơn… Đó cũng là thách thức đối với những nỗ lực nghiên cứu về thế hệ tiếp theo của 3G-LTE được gọi là truy cập vô tuyến thế hệ thứ tư (4G). Truy cập vô tuyến thế hệ thứ tư dự kiến ​​có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 100 Mbps với độ bao phủ rộng và lên đến 1 Gbps với độ bao phủ tập trung, đáp ứng các yêu cầu đối với hệ thống Beyond IMT-2000. Để đáp ứng những yêu cầu cải tiến vượt bậc đó, 3GPP đã bắt đầu nghiên cứu về LTE -A, với mục tiêu đạt được bước nhảy vọt đáng kể về cung ứng dịch vụ và giảm chi phí. LTE-Advanced sẽ được giới thiệu trong phiên bản 10.

1.3 Tổng quan về LTE

            Nền tảng của LTE-Advanced chính là LTE. Vì vậy để kế thừa được những đặc điểm của LTE trước tiên cần phải hiểu rõ hệ thống LTE hiện tại, được gọi là LTE phiên bản 8. Sau đây là một số đặc điểm của LTE phiên bản đầu tiên.

 

1.3.1 Phương thức truyền dẫn

1.3.1.1 Truyền tải đường xuống

Trong hệ thống thông tin băng rộng thế hệ 3G-LTE, cốt lõi của việc truyền tải vô tuyến đường xuống là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(OFDM) với các dữ liệu được truyền song song trên một số lượng lớn sóng mang phụ trực giao nhau. Sử dụng các sóng mang con trực giao kết hợp với việc chèn thêm tiền tố tuần hoàn là cyclic prefic (CP), kênh truyền vô tuyến OFDM vốn đã độc lập với nhau trong miền thời gian (do tính trực giao) càng không phải cần các khoảng nghỉ giữa các symbol để tránh nhiễu giữa các symbol. Cũng trong một Symbol OFDM , tiền tố tuần hoàn được truyền trong khoảng thời gian bảo vệ và kết thúc một OFDM symbol, được thể hiện trong hình 1.1.

 

Hình 1.1 Tiền tố CP được chèn vào OFDM Symbol

Khoảng bảo vệ được sử dụng để khi bên nhận thực hiện giải điều chế với FFT dữ liệu sẽ tích hợp trên một số nguyên lần chu kỳ hình sin cho mỗi đường đến. Đối với đường xuống, đây là một đặc tính quan trọng bởi vì nó làm đơn giản hóa quá trình xử lý tín hiệu ở kênh dải nền, dẫn đến hệ quả là giảm chi phí và công suất tiêu thụ của thiết bị đầu cuối. Đây là đặc điểm đặc biệt quan trọng trong truyền tải băng rộng đường xuống của LTE và thậm chí hiệu suất truyền tải còn nhiều hơn như vậy khi kết hợp OFDM với truyền tải đa anten khi phân tập không gian.

1.3.1.2 Truyền tải đường lên

            Đối với đường lên, công suất thiết bị truyền lên luôn bị hạn chế, nhỏ hơn nhiều so với đường xuống. Một trong những yếu tố quan trọng của thiết kế đường lên là làm sao cho công suất truyền lên đạt hiệu quả cao chứ không phải là lượng quá trình xử lý tín hiệu tại bên nhận. Như vậy sẽ cải thiện vùng phủ sóng và giảm chi phí thiết bị đầu cuối và công suất tiêu thụ tại máy phát. Vì lý do này, để cải thiện hiệu quả công suất phát RF tại thiết bị di động, truyền tải đường lên trong LTE dựa trên kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA). SC-FDMA có hiệu suất tương tự OFDMA và về cơ bản cấu trúc tổng thể giống như một hệ thống OFDMA. Tuy nhiên lợi thế nổi bật của SC-FDMA so với OFDMA là các tín hiệu SC-FDMA có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) thấp hơn. Trong truyền tải tín hiệu điều này vô cùng có lợi cho thiết bị người dùng vì tính hiệu quả trong công suất truyền tải.

            Khoảng thời gian bảo vệ với sự lặp lại theo chu kỳ được chèn giữa các khối Symbol OFDM như đã giải thích phía trên. Trong OFDM, FFT được áp dụng tại phía nhận trên mỗi khối (block) của symbol OFDM và IFFT ở phía máy phát. Trong SC-FDMA, cả hai FFT và IFFT được áp dụng ở cả hai phía máy phát và máy thu. Tuy nhiên SC-FDMA yêu cầu truyền trong các dải tần số liên tiếp, và do đó hạn chế về hiệu suất phổ tần hơn là OFDMA.

1.3.2 Tính linh hoạt phổ

            Tùy thuộc vào khu vực địa lý khác nhau, tần số vô tuyến cho hệ thống thông tin di động đã được phân chia sẵn thành các băng tần khác nhau, có kích thước khác nhau, và băng tần kết hợp hay băng tần không kết hợp đều được phân chia sẵn.  Băng tần kết hợp chỉ ra rằng đường lên và đường xuống được giao cho các tần số riêng biệt , trong khi các băng tần không kết hợp đường lên và đường xuống phải sử dụng chung một dải tần.

Mức độ linh hoạt phổ cao là một trong những đặc tính chủ yếu của công nghệ truy nhập vô tuyến LTE. Mục tiêu của tính linh hoạt phổ là việc cho phép triển khai truy nhập vô tuyến LTE trong nhiều phổ tần với những đặc tính khác nhau, bao gồm những sự khác nhau về sắp xếp băng tần kết hợp hay không kết hợp, băng tần hoạt động, và kích thước của phổ tần khả dụng. Ngoài ra, ít nhất là trong giai đoạn chuyển đổi ban đầu, các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau thường cần có khả năng hoạt động cùng nhau trong cùng một dãy phổ tần. Phổ linh hoạt cho phép hệ thống hoạt động trong tất cả các điều kiện khác nhau đó, là một trong những đặc tính chủ yếu của công nghệ truy nhập vô tuyến LTE.

Hình 1.2 FDD(a) vs. TDD(b).

DL: đường xuống; UL: đường lên

1.3.2.1 Tính linh hoạt trong sắp xếp song công

Một phần quan trọng trong những yêu cầu của LTE về mặt tính linh hoạt phổ là khả năng triển khai truy nhập vô tuyến trong cả phổ tần theo cặp (kết hợp) hoặc không theo cặp(không kết hợp), như vậy LTE có thể hỗ trợ sắp xếp song công phân chia theo cả thời gian và tần số. FDD được minh họa trong hình 1.2(a), theo đó truyền dẫn đường lên và đường xuống xuất hiện trong những băng tần khác nhau và hoàn toàn tách biệt. TDD theo như minh họa trong hình 1.2(b), thì truyền dẫn đường lên và đường xuống xuất hiện trong những khe thời gian không trùng nhau trên cùng một băng tần. Do vậy, TDD có thể hoạt động với phổ không theo cặp trong khi FDD lại yêu cầu phổ theo cặp.

1.3.2.2 Tính linh hoạt trong băng tần hoạt động

LTE được triển khai dựa trên cơ sở theo nhu cầu, có thể tạo ra phổ tần khả

dụng bằng cách ấn định phổ tần mới cho thông tin di động, chẳng hạn băng tần 2.6 GHz, hoặc bằng cách dịch chuyển cho LTE phổ tần hiện đang được sử dụng cho công nghệ thông tin di động khác. Ví dụ như những hệ thống GSM thế hệ thứ hai, hoặc thậm chí là những công nghệ vô tuyến không phải của di động như những phổ tần phát thanh hiện nay. Hệ quả là nó yêu cầu truy nhập vô tuyến LTE phải có khả năng hoạt động trong một dải băng tần rộng, ít nhất là từ băng tần thấp như 450 MHz cho đến băng tần 2.6 GHz. Khả năng vận hành một công nghệ truy cập vô tuyến trong nhiều băng tần khác nhau, tự bản thân nó không có gì là mới. Ví dụ, những thiết bị đầu cuối 3 băng tần là rất phổ biến, có khả năng hoạt động trên cả băng tần 900, 1800, và 1900 MHz. Từ một triển vọng về chức năng truy cập vô tuyến, điều này không có hoặc tác động rất hạn chế và đặc điểm kỹ thuật của LTE không giả định bất cứ một băng tần cụ thể nào. Những cái có thể khác về đặc điểm kỹ thuật, giữa những băng tần khác nhau chủ yếu là việc yêu cầu nhiều RF cụ thể hơn như công suất phát tối đa cho phép, những yêu cầu/giới hạn về phát xạ ngoài băng v.v… Một nguyên nhân cho việc này là do những ràng buộc bên ngoài, được áp đặt bởi những khung quy định, có thể khác nhau giữa những băng tần khác nhau.

1.3.2.3 Tính linh hoạt về băng thông

Liên quan đến khả năng triển khai truy nhập vô tuyến LTE trên nhiều băng tần khác nhau là việc có thể vận hành LTE với những băng thông truyền dẫn khác nhau trên cả đường xuống và đường lên. Lý do chính của việc này là số lượng phổ tần khả dụng cho LTE có thể khác nhau đáng kể giữa những băng tần khác nhau và cũng dựa trên tình trạng thực tế của nhà khai thác. Hơn nữa, việc có thể vận hành trên nhiều phân bố phổ tần khác nhau cũng mang lại khả năng cho việc dịch chuyển dần dần phổ tần từ những công nghệ truy nhập vô tuyến khác cho LTE.

LTE có thể hoạt động trong một dải phân bố phổ tần rộng, do tính linh hoạt trong băng thông truyền dẫn là một phần trong đặc tính kỹ thuật của LTE. Để hỗ trợ hiệu quả cho tốc độ dữ liệu rất cao khi phổ tần khả dụng thì một băng thông truyền dẫn rộng là cần thiết. Tuy nhiên, một lượng phổ tần lớn và đầy đủ có thể không phải lúc nào cũng đạt được, hoặc do băng tần hoạt động hoặc do sự dịch chuyển dần dần từ một công nghệ truy nhập vô tuyến khác, khi đó LTE có thể hoạt động với một băng thông truyền dẫn hẹp hơn. Hiển nhiên, trong những trường hợp như vậy, tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt được sẽ vì lẽ đó mà bị giảm xuống.

 

1.3.2.4 Sự hỗ trợ nhiều anten

LTE ngay từ đầu đã hỗ trợ kỹ thuật nhiều anten tại cả trạm gốc và thiết bị đầu cuối như là một phần không thể thiếu trong đặc điểm kỹ thuật. Xét trên nhiều mặt thì việc sử dụng nhiều anten là một kỹ thuật quan trọng để đạt được những mục tiêu mạnh mẽ cho hiệu năng của LTE. Như đã biết thì việc sử dụng nhiều anten được áp dụng cho nhiều trường hợp với nhiều mục đích khác nhau:

- Nhiều anten thu có thể được sử dụng cho việc phân tập thu. Đối với truyền dẫn đường lên, kỹ thuật này đã được sử dụng cho các hệ thống tế bào từ nhiều năm trước. Tuy nhiên, khi mà cấu hình hai anten thu trở thành cơ sở cho tất cả các thiết bị đầu cuối LTE thì hiệu suất đường lên cũng được cải thiện đáng kể. Phương pháp đơn giản nhất của việc sử dụng nhiều anten là kỹ thuật phân tập thu cổ điển để khử Fading, nhưng lợi ích thêm được đó là ngoài việc các anten được sử dụng không chỉ cung cấp sự phân tập để chống Fading, mà còn dùng để triệt nhiễu.

- Nhiều anten phát tại trạm gốc có thể được sử dụng cho phân tập phát và các dạng tạo chùm tia khác. Mục tiêu chính của việc tạo chùm tia là cải thiện tỷ số SNR hoặc SIR thu được, đồng thời cải thiện năng suất hệ thống và tầm phủ sóng.

- Ghép kênh không gian, đôi khi cũng được xem như là MIMO, việc sử dụng nhiều anten cho cả máy phát và máy thu được hỗ trợ bởi LTE. Xem hình 1.3, việc ghép kênh không gian dẫn đến việc cho phép tăng tốc độ trong những tình huống mà điều kiện kênh truyền có băng thông bị giới hạn bằng cách tạo ra nhiều kênh song song.

Hình 1.3 Mô hình LTE T_x và R_x (4x2 MIMO)

Nói chung, các kỹ thuật đa anten đều mang lại lợi ích trong những hoàn cảnh khác nhau. Ví dụ, tại tỷ số SNR và SIR tương đối thấp, chẳng hạn như khi tải trọng cao hoặc tại biên tế bào, việc ghép kênh không gian sẽ đem lại một số lợi ích nhất định. Trong những trường hợp này, phải dùng nhiều anten tại đầu phát để nâng SNR/SIR bằng phương pháp tạo chùm tia. Mặt khác, trong trường hợp khi mà SNR và SIR tương đối cao, ví dụ như trong những tế bào nhỏ, việc nâng cao chất lượng tín hiệu mang lại những lợi ích phụ khi mà tốc độ dữ liệu thu được bị giới hạn chủ yếu bởi băng thông hơn là do giới hạn về SIR/SNR. Trong những trường hợp như vậy, phải dùng kỹ thuật ghép kênh không gian để khai thác triệt để những trạng thái kênh truyền tin cậy. Hệ thống đa anten được sử dụng dưới sự điều khiển của trạm gốc để từ đó có thể lựa chọn được sơ đồ phù hợp cho mỗi đường truyền.

1.4 Cuộc cách mạng từ 3G lên 4G LTE-Advanced

            LTE-Advanced không phải là một kỹ thuật mới của truy cập vô tuyến mà là sự phát triển của LTE để tiếp tục cải thiện hiệu suất. Do đó LTE-Advanced là tên của một phiên bản mở rộng của tiêu chuẩn LTE, phiên bản 10. Là một sự tiến hóa của LTE, LTE-Advanced sẽ có khả năng tương thích ngược nghĩa là nó có thể triển khai LTE-Advanced trong quang phổ đã bị sử dụng bởi phiên bản đầu tiên của LTE mà không ảnh hưởng đến thiết bị đầu cuối LTE hiện tại. Khả năng tương thích phổ như vậy là cực kỳ quan trọng trong việc chuyển đổi thông suốt trong mạng lưới từ LTE sang LTE-Advanced với chi phí thấp.

            3GPP đã đặt ra một số các mục tiêu phải được đáp ứng bởi LTE-Advanced. Những mục tiêu này là một bộ các yêu cầu của IMT-Advanced, LTE-Advanced sẽ đáp ứng được, và thậm chí sẽ vượt qua các yêu cầu của IMT-Advanced. Ví dụ, hiệu suất phổ yêu cầu cho LTE-Advanced cao hơn đáng kể so với yêu cầu của IMT-Advanced như minh họa trong Bảng1.1. Trong thực tế, nhiều yêu cầu IMT-Advanced đã gần được hoàn thành đã với phiên bản đầu tiên của LTE.

 

Yêu cầu			IMT-Advanced	LTE-Advanced
Tốc độ dữ liệu đỉnh	Đường lên (ĐL)			500 Mbit/s
	Đường xuống(ĐX)			1 Gbit/s
Phân bố phổ			Lên đến 40 MHz	Lên đến 100 MHz
Độ trễ	Mặt phẳng người dùng		10 ms	10 ms
	Mặt phẳng điều khiển		100 ms	50 ms
Hiệu suất phổ (4 anten BS x 2 anten thiết bị đầu cuối)	Đỉnh	ĐL	15 bit/s/HZ	30 bit/s/HZ
		ĐX	6.75 bit/s/HZ	15 bit/s/HZ
	Trung bình	ĐL	2.2 bit/s/HZ	2.6 bit/s/HZ
		ĐX	1.4 bit/s/HZ	2.0 bit/s/HZ
	Biên tế bào	ĐL	0.06 bit/s/HZ	0.09 bit/s/HZ
		ĐX	0.03 bit/s/HZ	0.07 bit/s/HZ

Bảng1.1 Yêu cầu của ITU và 3GPP

Hiệu suất đường truyền của LTE hiện tại đã tiến khá gần đến giới hạn Shannon, nghĩa là dung lượng của đường truyền LTE đã sắp đạt cực đại. Đối với một đường truyền thuần túy việc đạt được mục đích tốc độ dữ liệu rất cao đồng thời cũng yêu cầu số bít lỗi ít hơn hay SNR cao hơn các trải nghiệm thông thường về mạng di động vô tuyến tại một vùng rộng lớn. Mặc dù có vài cách để cài thiện chất lượng đường truyền như sử dụng băng thông rộng hơn bằng cách thêm các băng tần mới vào như là một phương tiện để cải thiện hiệu quả quá trình mã hóa/ điều chế nhưng trên góc độ giá trị kinh tế thì băng thông là tài nguyên vô cùng đáng giá khó để tính toán được giá trị, cho nên rất thực sự cần thiết tìm ra những công cụ khác để cải thiện SNR. Ví dụ như đầu tư vào một mật độ hạ tầng dày đặc hơn với mức chi phí hợp lý hơn. Những phần tiếp theo sẽ giới thiệu một vài công nghệ được xem xét cho LTE-Advanced.

1.4.1Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần

Mục tiêu tốc độ dữ liệu đỉnh của LTE-Advance rất cao và chỉ có thể được đạt được một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được cung cấp ở phiên bản đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100Mhz được thảo luận trong nội dung của LTE-Advance. Việc mở rộng độ rộng của 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 tập kết sóng mang”, trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE đang được sử dụng kết hợp trên lớp vật lí để cung cấp độ rộng băng cần thiết, chứ không phải thêm vào các băng tần hoàn toàn mới. 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-Advance có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập sóng mang.

Các sóng mang con thành phần (Sóng mang LTE ở phiên bản 8)

Năm sóng mang con thành phần => độ rộng băng thông tổng là 100Mhz

Hình 1.4 Ví dụ về khối tập hợp sóng mang

Hình 1.4 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 100Mhz không thể có sẵn thường 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 lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có. Tuy nhiên, nên lưu 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 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 tần truyền dẫn cao hơn

không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ dữ liệu đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ dữ liệu trung bình.

 

1.4.2 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 tương ứng ở đường 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, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300Mbit/s cũng như là định dạng chum. Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 Mhz, sơ đồ ghép không gian LTE-A sẽ đạt được tốc độ đỉnh là 1,5Gb/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advance. Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian đường lên sẽ là một phần của LTE-Advance. 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 tốc dữ liệu đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần.

1.4.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Mục tiêu về tốc độ dữ liệu đỉnh của LTE-Advance yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên 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 lí kết nối đến một đơn vị xử lí 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 hình1.5. Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm.

Hình 1.5 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

1.4.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quĩ đường truyền, các giải pháp chuyển tiếp khác nhau được dùng để giảm khoảng cách đường truyền trực tiếp từ máy phát và máy thu dẫn đến hệ quả hiển nhiên là tốc độ dữ liệu sẽ tăng. Các bộ lặp đơn giản sau khi nhận dữ liệu sẽ khuếch đại và chuyển đi tiếp tục đến đích. 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. Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn, chẳng hạn cấu trúc trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp. Chẳng hạn, bộ lặp chỉ được bật khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ dữ liệu cung cấp trong khu vực. Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đó các bộ lặp được bật lên. Tuy nhiên, việc điều khiển tải 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 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 và chuyển tiếp”. Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối dữ 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.

Hình 1.6 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced

Ngoài ra có thể kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp và kỹ thuật phân tập gọi là phân tập hợp tác (Cooperative Relaying).

1.5 Ưu điểm của LTE-Advanced

Các ưu điểm của LTE-Advanced cũng chính là các ưu điểm của truyền thông di động thế hệ 4G. Với tốc độ tải xuống trung bình 400 Kbps đến 700 Kbps, mạng cung cấp đủ băng thông để cho phép người sử dụng điện thoại di động lướt Web và tải dữ liệu từ Internet. LTE-Advanced nên giảm các chi phí mỗi bit truyền đi cho người dùng đầu cuối và tổng chi phí dịch vụ cho các nhà khai thác. Đồng thời, LTE-A phải đối mặt những thách thức mới đang nổi lên như là thiết kế truy nhập vô tuyến mạng tiết kiệm năng lượng (RAN), tăng tính linh hoạt của việc triển khai hệ thống mạng, và tắt mạng tải từ người sử dụng cục bộ.

Không phụ thuộc vào công nghệ thực tế, công nghệ sắp tới cũng sẽ cho phép các hoạt động tương tác giữa các công nghệ liên quan và các mạng không đồng nhất, do đó hiển nhiên cung cấp ưu điểm về:

            - Độ bao phủ: Người dùng được cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) tốt nhất và vùng phủ sóng rộng rãi để có thể truy cập mạng tại bất kỳ thời điểm nào.

            - Băng thông: Chia sẻ tài nguyên giữa các mạng khác nhau đã giải quyết

vấn đề về giới hạn phổ tần của thế hệ thứ ba.

1.6 So sánh giữa LTE và LTE_Advanced

Bảng dưới đây so sánh tổng quát các yêu cầu hiệu suất của LTE và LTE-Advanced.

 

Công nghệ	LTE	LTE-Advanced
Tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống	150 Mbit/s	1 Gbit/s
Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên	75 Mbit/s	500 Mbit/s
Băng thông đường xuống	20 MHz	100 MHz
Băng thông đường lên	20 MHz	40 MHz
Tính di động	0-15 km/h thì     hiệu suất tối Đa, 120 km/h,   L TE   vẫn     cung   cấp   hiệu     suất   cao > 120   km/h   thì   hệ thống phải duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào	Giống như LTE
Độ bao phủ	lên   đến  5     km   thì   hiệu suất vẫn tối ưu	Giống LTE nhưng phải tối ưu hơn nữa, tăng độ bao phủ tại khu vực nhỏ và vùng tối
Phân bố phổ	1.3, 3, 5, 10, and 20 MHz	Từ 20-100 MHz
Dung lượng	Hỗ trợ 200 người dùng trong tế bào với băng tần 5Mhz	Gấp 3 lần LTE

Bảng 1.2 So sánh LTE và LTE-A

1.7 Kết luận chương

Chuẩn LTE-Advanced (4G) ra đời đã đáp ứng được các thông số yêu cầu của Beyond IMT-2000 , thế hiện những ưu điểm vượt trội so với 3G-LTE. Chương này đã trình bày các đặc điểm của 3G-LTE, LTE-A , nêu ra những thành quả đạt được của mạng 4G IMT – Advanced của ITU so với 3G và đưa ra một số giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống. Trong đó có giải pháp chuyển tiếp trong mạng LTE-Advanced hay còn được gọi là RELAY. Trong chương 2, chúng ta sẽ giới thiệu và phân tích nguyên lý, đặc điểm kỹ thuật của kỹ thuật chuyển tiếp này.

...................................

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KẾT QUẢ CÁC

PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP

4.1 Giới thiệu chương

Trong các chương trước ta đã khảo sát về phương pháp sử dụng trạm chuyển tiếp trong LTE-Advanced và một số phương pháp kết hợp tín hiệu đối với mô hình truyền thông tin đa chặng hợp tác. Chương cuối cùng của đồ án này ta mô phỏng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp và kết hợp tín hiệu sau đó đánh giá BER của tín hiệu nhận được và so sánh hiệu quả của các phương pháp kết hợp tại đầu thu. Dùng phần mềm Matlab để mô phỏng.

4.2 Các đặc điểm kỹ thuật của kênh truyền sử dụng trong mô phỏng

- Khoảng cách từ nguồn đến relay, từ nguồn đến đích và từ relay đến đích đều bằng nhau: = = 1.

            - Kiểu điều chế QPSK hoặc BPSK: Dữ liệu truyền đi là một chuỗi bit nhị phân ngẫu nhiên được điều chế bằng các kỹ thuật điều chế như BPSK, QPSK.

Hình 4.1 Điều chế a) BPSK ; b) QPSK

            - Phương thức chuyển tiếp AAF : không giải mã, chỉ khuếch đại và chuyển tiếp nên không chứa mã sửa lỗi trong tín hiệu đến. Magic_genie =0.

            - Phương thức chuyển tiếp DAF : có giải mã nên chứa mã sửa lỗi, Magic_genie = 1 biểu thị mã sữa lỗi.

            - Kênh truyền No fading hoặc Relay fading.

- Có 5 phương pháp kết hợp được sử dụng tại đích: ERC, FRC, SNRC, ESNRC, MRC.

....................................

 

Kết luận:

Đồ án này đã trình bày và chứng minh được lợi ích có thể đạt được trong truyền dẫn vô tuyến khi sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp và phân tập hợp tác đó là khả năng giảm BER của tín hiệu. Hệ thống chuyển tiếp mô phỏng trong đồ án này đã cho thấy hiệu suất của phương thức chuyển tiếp DAF tốt hơn phương thức AAF. Sự phân tập và các phương pháp kết hợp khác nhau tại đầu thu cho ta BER tốt hơn so với đường truyền trực tiếp, đồng thời cho thấy tầm quan trọng của kỹ thuật chuyển tiếp trong truyền dẫn vô tuyến băng rộng thế hệ 4G và trong tương lai.

Hướng phát triển đề tài :

            Có nhiều hướng có thể phát triển thêm từ đồ án này như:

- Các trạm di động luôn di chuyển xung quanh trạm gốc, bên trong vùng phủ nên đôi khi nó có thể được sử dụng như là một trạm chuyển tiếp để mở rộng vùng phủ sóng mà không cần đến một trạm RS thực sự, giảm chi phí xây dựng. Tuy nhiên, đối với trường hợp để tăng dung lượng cho các MS nằm trong vùng phủ thì việc sử dụng các MS khác như là RS thì rất khó bởi vì khoảng cách từ RS đến trạm gốc phải ngắn hơn MS. Các máy di động luôn di chuyển nên không phải lúc nào cũng có một vị trí tốt đủ gần trạm gốc để thực hiện chức năng như là trạm chuyển tiếp.

- Có thể nghiên cứu phương thức chuyển tiếp DMF tại các chặng chuyển tiếp, có thể giảm số bit lỗi tuy nhiên độ phức tạp khi xử lý tín hiệu làm cho giá thành tăng cao nên chưa được sử dụng nhiều.

- Tăng số đường tín hiệu đến rồi thực hiện các phương pháp kết hợp tại đầu thu bằng việc tăng số trạm chuyển tiếp phục vụ cho việc truyền dữ liệu, việc này có thể dẫn đễn chiếm băng thông của các kênh khác. Mà băng thông là tài nguyên có hạn nên cần được cân nhắc kỹ hơn.

- Nghiên cứu mã sửa lỗi tốt hơn trong phương thức chuyển tiếp DAF để giảm BER tốt hơn và thuật toán để ước lượng kênh truyền chính xác hơn, chi tiết hơn phục vụ cho việc chọn các trọng số trong các phương pháp kết hợp tại đầu thu.