CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Một số đặc tính của kênh truyền thông tin vô tuyến
Sự khác biệt rõ ràng nhất giữa kênh truyền hữu tuyến và kênh truyền vô tuyến là công suất nhận được ở phía bên nhận Theo công thức tổn hao trong không gian tự do (công thức Friis), công suất bên nhận được xác định dựa trên các yếu tố như khoảng cách và tần số.
Trong bài viết này, Pr và Pt lần lượt đại diện cho công suất thu được và công suất phát ra, cùng với ký hiệu là bước sóng Từ công thức đã nêu, tỷ lệ Pr/Pt được xác định là giá trị trung bình của độ lợi kênh, thể hiện rằng Pr/Pt = E||h||², trong đó E[.] biểu thị giá trị mong muốn hoặc ý nghĩa toán học.
1.1.2 Pha đinh và các loại pha đinh
Pha đinh là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến, khác với suy hao đường truyền do khoảng cách hay vật cản Pha đinh xảy ra khi trạm thu nhận nhiều phiên bản khác nhau của cùng một tín hiệu, gây ra bởi các hiện tượng như phản xạ và tán xạ, được gọi là hiệu ứng đa đường.
Pha đinh phẳng là loại pha đinh mà trong đó suy hao phụ thuộc vào tần số không đáng kể, được coi như là hằng số trong toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu.
Pha đinh phẳng thường xuất hiện trong các hệ thống thông tin vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu tương đối nhỏ Hiện tượng này xảy ra chủ yếu do truyền dẫn đa đường hoặc do mưa, được coi là không có chọn lọc theo tần số Các nguyên nhân gây ra pha đinh phẳng bao gồm truyền dẫn đa đường và hấp thụ.
Truyền dẫn đa đường (multipath fading) xảy ra do phản xạ tín hiệu tại các chướng ngại vật và sự thay đổi độ khúc xạ của khí quyển, dẫn đến suy giảm cường độ trường tại đầu thu trong quá trình truyền dẫn Trong các hệ thống chuyển tiếp số theo phương pháp LOS (Line-Of-Sight), biến thiên độ khúc xạ là nguyên nhân chính gây ra truyền dẫn đa đường, dẫn đến tổn hao pha đinh thay đổi theo tần số Tuy nhiên, với băng tín hiệu nhỏ, tín hiệu suy hao pha đinh đa đường thường rất nhỏ và có thể được bỏ qua, cho phép xem pha đinh đa đường như pha đinh phẳng Đánh giá hiệu suất của pha đinh đa đường được thực hiện bằng cách đo công suất tín hiệu thu được tại một tần số trong băng tín hiệu, với đặc trưng thống kê của pha đinh phẳng đa đường là phân bố thời gian pha đinh vượt quá một mức nhất định.
Hiện tượng hấp thụ sóng điện từ xảy ra khi tín hiệu bị suy giảm do tác động của mưa, tuyết, sương mù và các yếu tố khác trong môi trường truyền dẫn Sự thay đổi của hiện tượng này phụ thuộc vào thời gian và ảnh hưởng đến toàn bộ dải tần tín hiệu truyền trên kênh một cách đồng nhất Do đó, việc tính toán độ dự trữ pha đinh (fading margin) trở nên đơn giản hơn, vì tất cả các tần số trong băng tần đều bị ảnh hưởng tương tự Thực tế, các thiết bị tự động điều chỉnh độ lợi (AGC - Auto Gain Control) sẽ giúp điều chỉnh mức bù nhiễu này để cải thiện chất lượng tín hiệu.
1.1.2.2 Pha đinh chọn lọc tần số
Pha đinh chọn lọc tần số xảy ra khi băng tần tín hiệu vượt quá băng thông của kênh truyền, dẫn đến hiện tượng selective fading Hệ thống có tốc độ vừa và lớn với độ rộng băng tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi hiện tượng này Tác động của selective fading không đồng đều trên toàn bộ băng thông kênh truyền.
Sự biến đổi cường độ tín hiệu trong truyền thông thường do pha đinh đa đường gây ra, dẫn đến hiện tượng nhiễu liên ký tự (ISI) nghiêm trọng Pha đinh chọn lọc tần số ảnh hưởng khác nhau đến các tần số trong cùng băng tần, làm cho việc dự trữ như flat fading trở nên không khả thi Để khắc phục vấn đề này, cần áp dụng một số biện pháp hiệu quả nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu.
Phân tập (diversity): phân tập không gian (dùng nhiều ăng ten phát và ăng ten thu) và thời gian (truyền dữ liệu tại nhiều thời điểm khác nhau)
Sử dụng mạch cân bằng thích nghi , thường là các ATDE (Adaptive Time
Domain Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là Cưỡng ép không
ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error), minimum mean square error
Sử dụng mã sửa lỗi để giảm tỉ lệ lỗi bit BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên);
Trải phổ tín hiệu (pha đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường
(multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp
Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM hiện được áp dụng rất nhiều trong WIFI, LTE, WiMax…
1.1.2.3 Pha đinh nhanh và pha đinh chậm (fast and slow fading)
Pha đinh nhanh, hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, xảy ra do sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, dẫn đến tần số thu được bị dịch chuyển so với tần số phát Mức độ dịch tần số này thay đổi tùy thuộc vào vận tốc tương đối giữa hai thiết bị Hiện tượng này được gọi là pha đinh nhanh.
Pha đinh nhanh không chỉ liên quan đến các yếu tố cơ bản mà còn bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng đa đường (multipath), dẫn đến sự biến đổi nhanh chóng của mức nhiễu tại đầu thu, gây ra hiện tượng fast pha đinh.
Pha đinh chậm, hay còn gọi là hiệu ứng bóng râm, xảy ra khi tín hiệu bị suy giảm do ảnh hưởng của các vật cản như tòa nhà nhiều tầng, núi và đồi trên đường truyền Những vật cản này làm giảm biên độ tín hiệu, dẫn đến hiện tượng suy yếu tín hiệu trong các khu vực bị che khuất.
Hiệu ứng pha đinh chậm (slow fading) xảy ra khi tín hiệu truyền đi trên khoảng cách lớn, dẫn đến tốc độ biến đổi chậm Sự không ổn định cường độ tín hiệu trong quá trình này ảnh hưởng đến hiệu ứng suy hao chậm.
Như vậy, slow fading và fast fading phân biệt nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại ăng ten thu
1.1.3 Các loại nhiễu ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến
Nhiễu trắng là loại nhiễu phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm bộ khuếch đại trong máy thu, nhiệt độ, thời tiết và tác động của con người Đặc điểm của nhiễu trắng là có mật độ phổ công suất phẳng, không thay đổi trên toàn bộ dải tần số, và hầm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss Tín hiệu thu được từ nhiễu trắng có thể được mô tả bằng một công thức cụ thể.
Trong bài viết này, tín hiệu nhận được y(t), tín hiệu phát x(t), hàm truyền h(t) và nhiễu trắng Gaus n(t) được phân tích theo thời gian Nhiễu trắng n(t) có thể được mô tả bằng một biến xác suất Gauss với giá trị kỳ vọng (trung bình) μ = E[x] = 0 và độ lệch chuẩn σ² = E[(x - μ)²] của biến ngẫu nhiên x.
Hình 1.1 Hàm phân bố Gaus
1.1.3.2 Nhiễu liên ký tự ISI (Intersymbol Interference)
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO-OFDMA
Hệ thống thu phát vô tuyến sử dụng kỹ thuật MIMO
2.1.1 Mô hình hệ thống MIMO
Một hệ thống thông tin điểm điểm đa ăng ten gồm có Nt ăng ten phát và Nr ăng ten thu có thể được minh họa như sau:
Hình 2.1 Mô hình hệ thống MIMO N t ăng ten phát và N r ăng ten thu
Mô hình này có thể được biểu diễn bằng phương trình y = Hx + n, trong đó y là véc tơ Nr điểm tín hiệu thu được, x là véc tơ Nt điểm tín hiệu phát, n là véc tơ Nr điểm nhiễu trắng Gauss, và H là ma trận kênh truyền kích thước Nr x Nt với các phần tử phức hij có biên độ và pha ngẫu nhiên Mỗi hệ số hij đại diện cho độ lợi của kênh truyền từ ăng ten phát j đến ăng ten thu i Hệ thống thông tin này có thể được mô tả một cách toán học.
Các kỹ thuật phân tập giúp giảm thiểu tác động của pha đinh đa đường và nâng cao độ tin cậy của kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hoặc băng thông Nguyên tắc chính của phân tập là nhận nhiều bản tín hiệu độc lập từ phía phát, giúp đảm bảo rằng nếu một tín hiệu bị suy giảm, các tín hiệu khác vẫn có thể giữ nguyên chất lượng Qua đó, việc kết hợp hợp lý các tín hiệu tại phía thu sẽ mang lại tín hiệu gần nhất với tín hiệu gốc Các kỹ thuật phân tập có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
Phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập ăng ten, là một kỹ thuật phổ biến trong truyền thông vô tuyến Kỹ thuật này sử dụng nhiều ăng ten hoặc chuỗi array được sắp xếp ở cả hai phía phát và thu Các phần tử ăng ten được bố trí với khoảng cách đủ lớn để đảm bảo tín hiệu không tương quan với nhau, thường là vài bước sóng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
Các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến bên thu tạo ra sự dư thừa trong không gian, dẫn đến việc giảm hiệu suất băng thông.
Phân tập thu là dạng phổ biến nhất của phân tập không gian, trong đó nhiều ăng ten được sử dụng để nhận tín hiệu độc lập Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giảm thiểu hiện tượng pha đinh đa đường Hai thuật toán kết hợp nổi bật trong phương pháp này là kết hợp lựa chọn (SC) và tối đa hóa tỷ lệ kết hợp (MRC).
Kết hợp lựa chọn : Kết hợp lựa chọn là phương pháp kết hợp đơn giản nhất
Trong thuật toán này, tại mỗi thời điểm chỉ có một luồng tín hiệu lớn nhất trong N r luồng được chọn, dẫn đến việc bỏ qua các luồng tín hiệu khác, làm cho phương pháp kết hợp này chưa tối ưu Tuy nhiên, nhờ vào tính đơn giản và không yêu cầu cao về phần cứng, phương pháp này vẫn được ưa chuộng trong một số trường hợp.
Tỷ số mã hóa kết hợp là một thuật toán tối ưu hóa thông tin từ tất cả các nhánh, nhằm đạt được tỷ lệ thông tin trên nhiễu cao nhất.
Phân tập phát là kỹ thuật truyền tín hiệu sử dụng nhiều ăng ten tại phía phát, được chia thành hai loại chính: vòng đóng và vòng mở Hệ thống vòng mở không yêu cầu phía phát nắm đầy đủ thông tin về kênh truyền.
Mô hình phổ biến trong open loop spatial multiplexing là mã hóa không gian-thời gian (space time coding), trong đó một đoạn mã đã được xác định trước tại phía thu sẽ được thêm vào tại phía phát Trong số các phương pháp mã hóa, mã khối không gian-thời gian (STBC) là một dạng quan trọng.
Trong hệ thống vòng đóng, việc thiết lập một đường feedback là cần thiết để cung cấp thông tin về kênh truyền cho phía phát Thông tin này phục vụ nhiều mục đích khác nhau, giúp cải thiện chất lượng truyền dẫn, chẳng hạn như điều chỉnh mức độ điều chế và giải mã tín hiệu dựa trên thông tin kênh truyền.
Kỹ thuật phân tập phát này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong chương kế tiếp khi được ứng dụng cụ thể trong mạng LTE
Trong hệ thống truyền thông, phân tập tần số sử dụng nhiều tần số để phát cùng một tín hiệu, với yêu cầu các tần số này phải cách nhau một khoảng lớn hơn băng thông kết hợp nhằm tạo ra pha độc lập Băng thông kết hợp có thể thay đổi tùy thuộc vào môi trường Trong truyền thông di động, các bản sao tín hiệu được phát sẽ đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền tần số nhờ vào tín hiệu trải phổ Kỹ thuật trải phổ phát huy hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ, nhưng nếu băng thông kết hợp lớn hơn dải thông tin của tín hiệu trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu, dẫn đến việc trải phổ không còn hiệu quả trong phân tập tần số Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng tạo ra hiệu suất phổ dư thừa trong miền tần số.
Phân tập thời gian đạt được bằng cách phát các mẫu tín hiệu giống nhau trong những khe thời gian khác nhau, tạo ra các tín hiệu pha đinh không tương quan tại đầu thu Phương pháp này yêu cầu khoảng thời gian giữa các lần phát bản sao ít nhất bằng thời gian kết hợp của kênh Trong truyền thông di động, mã sửa sai kết hợp với bộ xáo trộn để tạo ra phân tập thời gian, với các bản sao tín hiệu được gửi đến bên thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Bộ xáo trộn tạo khoảng thời gian tách biệt giữa các bản sao, giúp thu được pha đinh độc lập tại đầu vào bộ giải mã Kỹ thuật này hiệu quả với môi trường pha đinh nhanh, nhưng với kênh pha đinh chậm, bộ xáo trộn lớn có thể gây ra độ trễ lớn, không phù hợp cho ứng dụng thời gian thực như video và âm thanh Do đó, phân tập thời gian không giảm được suy hao pha đinh và tạo ra sự dư thừa miền thời gian, dẫn đến lãng phí băng thông.
Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA trong mạng LTE
Kỹ thuật đa truy nhập cho phép chia sẻ tài nguyên giữa người dùng trong mạng LTE, sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho đường xuống Kỹ thuật này có thể so sánh với các phương pháp đa truy nhập khác trong các mạng viễn thông.
Theo tần số sóng mang
Theo khe thời gian Theo mã
Theo sóng mang con trực giao
Hệ thống áp dụng AMPS GSM CDMA,
Bảng 2.1 Một số ví dụ về các kỹ thuật đa truy nhập
Tín hiệu OFDMA được hình thành từ các sóng mang con trực giao, cho phép chia sẻ tài nguyên giữa nhiều người dùng Mỗi người dùng sẽ nhận một tập hợp sóng mang con, và đặc điểm trực giao của chúng đảm bảo rằng khi một sóng mang con được lấy mẫu tại đỉnh, các sóng mang con khác sẽ có biên độ bằng không Điều này giúp cho phổ tín hiệu của các sóng mang phụ có thể chồng lấn lên nhau mà vẫn cho phép thiết bị thu hồi tín hiệu ban đầu một cách chính xác.
2.2.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
OFDMA phát triển từ kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, trong đó hệ thống điều chế OFDM sử dụng các phương pháp như BPSK, QPSK, và 16QAM để điều chế nguồn bit ở băng tần cơ sở Tín hiệu dẫn đường được chèn vào mẫu tín hiệu và điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT, sau đó thêm chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số-tương tự trước khi truyền qua kênh vô tuyến bằng ăng ten phát Tuy nhiên, tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến phải đối mặt với các vấn đề về pha đinh và nhiễu trắng.
Tín hiệu dẫn đường là tín hiệu được phát đồng thời với tín hiệu có ích, nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống Máy thu thực hiện đồng bộ các khung OFDM nhận được, loại bỏ chuỗi bảo vệ và biến đổi FFT Tuy nhiên, nhiễu có thể làm biến dạng tín hiệu, do đó, hàm truyền của kênh vô tuyến cần được khôi phục thông qua mẫu tin dẫn đường Tín hiệu sau khi giải điều chế OFDM sẽ được chia thành hai luồng: luồng tín hiệu có ích và mẫu tin dẫn đường Mẫu tin dẫn đường sẽ được sử dụng để ước lượng kênh truyền và đồng bộ thời gian/tần số Sau khi khôi phục kênh truyền, tín hiệu sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để phục hồi tín hiệu ban đầu, cuối cùng là giải điều chế băng tần cơ sở để thu được dòng bít đã truyền đi.
Song song Điều chế IFFT Song song/
Nối tiếp Giải điều chế Cân bằng kênh FFT
Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM
2.2.2 Nguyên lý cơ bản của công nghệ OFDMA
So với OFDM, OFDMA là nguyên lý đa truy nhập cho phép ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người dùng trên các kênh con hướng xuống, đồng thời hỗ trợ đa truy nhập hướng lên nhờ vào các kênh con hướng lên.
RX Điều chế Điều chế
Cấp phát sóng mang con
Giải điều chế Giải điều chế
Hệ thống OFDMA được mô tả trong sơ đồ Hình 2.3, nơi các người dùng với thông số khác nhau được phân bổ sóng mang con và phương pháp điều chế riêng biệt "Người dùng" không chỉ đại diện cho dữ liệu của các thiết bị đầu cuối (UE) mà còn bao gồm dữ liệu từ các kênh vật lý đường xuống trong mạng LTE như PDCCH và PCFICH Việc phân bổ tài nguyên cho từng người dùng sẽ khác nhau, tùy thuộc vào tài nguyên hệ thống và thông tin kênh từ các người dùng Sóng mang con của từng người dùng sẽ được chuyển tới các bộ điều chế tương ứng.
Bộ điều chế thích ứng 27 chế giúp tính toán các mẫu thời gian cho các kênh nhánh trong miền tần số qua khối IFFT Khoảng bảo vệ được chèn vào nhằm giảm nhiễu xuyên kí tự ISI trong quá trình truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Tín hiệu sẽ được định dạng và chuyển đổi lên tần số cao để truyền tải Trong quá trình này, tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu trắng AWGN và suy giảm tín hiệu Tại phía thu, tín hiệu được hạ xuống tần số thấp và lọc để đạt được tín hiệu rời rạc Sau khi loại bỏ khoảng bảo vệ, các mẫu sẽ được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT Tùy thuộc vào người dùng cần khôi phục thông tin, khối tách sóng mang con sẽ dựa vào bộ cấp phát tài nguyên để tách sóng mang con tương ứng Cuối cùng, thông tin của người dùng sẽ được khôi phục hoàn toàn thông qua bộ điều chế thích ứng.
2.2.3 Ưu điểm của công nghệ OFDMA Được phát triển dựa trên công nghệ OFDM, đã thừa kế được các ưu điểm của OFDM Bên cạnh đó bằng các kỹ thuật khác nhau để đáp ứng và quản lý đa truy nhập công nghệ OFDMA có những ưu điểm vượt trội:
Có khả năng phục vụ cùng lúc nhiều người dùng với nhiều dịch vụ yêu cầu QoS
Cho phép thích ứng với nhiều dạng điều chế sóng mang như QPSK, 16- QAM, 64-QAM và 256- QAM
Có khả năng cho phép phân chia các sóng mang trong đa ứng dụng
Tạo ra sự đa dạng về tần số bằng cách trải tất cả sóng mang trên phổ tần sử dụng
Cho phép hệ thống làm việc với 100% tần số tái sử dụng nhờ kỹ thuật hoán vị sóng mang con đặc biệt
KIẾN TRÚC LỚP VẬT LÝ TRONG MẠNG LTE HƯỚNG XUỐNG
Giới thiệu tổng quan về mạng di động LTE
3.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE, hay Long Term Evolution, là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển, nhằm nâng cao công nghệ di động với nhiều yêu cầu khắt khe Các mục tiêu chính của LTE bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cải thiện chất lượng dịch vụ, tối ưu hóa việc sử dụng băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với giao tiếp mở, và giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng ở thiết bị đầu cuối Giao diện không gian và các thuộc tính của hệ thống LTE được thiết kế để đáp ứng những tiêu chuẩn này.
Di động 350 km Đa truy nhập Đường xuống OFDMA Đường lên SC-FDMA
MIMO Đường xuống 2x2; 4x2; 4x4 Đường lên 1x2; 1x4 Tốc độ dữ liệu đỉnh trong
20MHz Đường xuống: 173 và 326 Mb/s tương ứng với cấu hình MIMO 2x2 và 4x4 Đường lên 86 Mb/s với cấu hình 1x2 ăng ten Điều chế BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM
Bảng 3.1 Một số thông số quan trọng trong mạng LTE
Mục tiêu của LTE là cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và độ trễ thấp, với các gói dữ liệu được tối ưu hóa, đồng thời áp dụng công nghệ vô tuyến linh hoạt để hỗ trợ băng thông hiệu quả.
Triển khai kiến trúc mạng mới nhằm hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói, đồng thời cung cấp tính di động linh hoạt, đảm bảo chất lượng dịch vụ và tối thiểu hóa thời gian trễ.
Tăng tốc độ truyền dữ liệu trong hệ thống LTE cho phép đạt tốc độ đường xuống tối đa lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO trong băng thông 20MHz Tuy nhiên, MIMO cho đường lên chưa được áp dụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE, với tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên đạt 86Mb/s trong cùng băng thông Bên cạnh việc cải thiện tốc độ dữ liệu, hệ thống LTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao gấp 2 đến 4 lần so với hệ thống HSPA phiên bản 6.
Dải tần co giãn của hệ thống LTE cho phép mở rộng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, mang lại sự linh hoạt trong việc sử dụng băng thông Với khả năng đạt thông suất cao hơn ở băng tần cao, LTE đáp ứng tốt cho các ứng dụng không yêu cầu băng tần rộng Hệ thống tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị di động di chuyển từ 0 đến 15 km/h, và vẫn duy trì hiệu suất cao khi di chuyển từ 15 đến 120 km/h Đối với vận tốc trên 120 km/h, LTE vẫn giữ kết nối ổn định trên toàn mạng tế bào, với khả năng hỗ trợ lên đến 350 km/h hoặc thậm chí 500 km/h tùy thuộc vào băng tần sử dụng.
Không còn chuyển mạch kênh, tất cả sẽ chuyển sang dựa trên IP Một trong những tính năng nổi bật của LTE là việc chuyển đổi sang mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa Công việc chuẩn hóa của 3GPP tập trung vào việc chuyển đổi kiến trúc mạng lõi hiện tại sang hệ thống toàn IP, cho phép cung cấp dịch vụ linh hoạt hơn và tương tác dễ dàng với các mạng di động phi 3GPP và mạng cố định EPC sử dụng các giao thức TCP/IP, tương tự như hầu hết các mạng dữ liệu cố định hiện nay, cho phép cung cấp các dịch vụ tương tự như PC, bao gồm cả thoại.
Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cho phép cải thiện phối hợp với các mạng truyền thông không dây và cố định, với VoIP được sử dụng cho dịch vụ thoại Độ phủ sóng của LTE dao động từ 5-100km, trong đó trong vòng bán kính 5km, LTE tối ưu hóa lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động Ở phạm vi 30km, lưu lượng người dùng giảm nhẹ và hiệu suất phổ giảm đáng kể nhưng vẫn chấp nhận được, trong khi yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng, với dung lượng hỗ trợ hơn 200 người/ô trên băng thông 5MHz.
Kiến trúc mạng LTE sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại, nhưng vẫn cho phép tích hợp dễ dàng với các mạng 3G và 2G sẵn có Điều này rất quan trọng cho các nhà cung cấp mạng khi triển khai LTE, vì họ không cần phải thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng hiện tại.
OFDMA, SC-FDMA và MIMO được áp dụng trong LTE để cung cấp băng thông linh hoạt thông qua các sơ đồ truy nhập Hệ thống hỗ trợ cả song công phân chia tần số FDD và song công phân chia thời gian TDD Bán song công FDD cho phép người dùng tiết kiệm chi phí, vì không yêu cầu truyền và nhận đồng thời, tránh việc cần đầu tư vào thiết bị song công đắt tiền Truy nhập đường lên chủ yếu dựa vào SC-FDMA, giúp cải thiện vùng phủ sóng với tỉ số công suất đỉnh-trung bình thấp (PARR) liên quan đến OFDMA.
Giảm chi phí là yêu cầu quan trọng đối với hệ thống LTE, nhằm duy trì hiệu suất cao cho tất cả các dịch vụ Các yếu tố như đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng đều ảnh hưởng đến chi phí, do đó cần xác định rõ ràng việc giao tiếp và truyền tải dữ liệu đến các trạm gốc và hệ thống quản lý Ngoài ra, cần chú trọng đến việc giảm độ phức tạp và sử dụng các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng.
Hệ thống LTE được thiết kế để hoạt động song song và phối hợp với các hệ thống 3GPP khác, cho phép người dùng thực hiện cuộc gọi ngay cả khi không nằm trong vùng phủ sóng LTE Điều này đảm bảo dịch vụ liên tục và mượt mà trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA, và GSM/GPRS/EDGE Ngoài ra, LTE còn hỗ trợ chuyển giao dịch vụ không chỉ trong cùng một hệ thống mà còn giữa các hệ thống khác nhau, cũng như giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.
Hệ thống LTE được xem là bước tiến tiếp theo của mạng không dây 3G, dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G LTE cung cấp tốc độ di động cao, cho phép người dùng dễ dàng thực hiện cuộc gọi và truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA.
LTE sử dụng OFDMA cho hướng xuống để đạt tốc độ dữ liệu cao và giảm thiểu hiện tượng pha đinh, nhưng nhược điểm lớn nhất của OFDMA là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao PAPR lớn xảy ra do tín hiệu OFDM là tổng hợp của nhiều thành phần điều chế khác nhau, dẫn đến tín hiệu đầu ra có biên độ lớn khi các thành phần đồng pha Điều này khiến công suất phát của thiết bị phải lớn, không phù hợp cho đường truyền lên từ người dùng đến eNode B Do đó, LTE không sử dụng OFDMA cho đường lên mà thay vào đó là SC-FDMA, một dạng điều chế cải tiến của OFDM gọi là DFTS-OFDM (DFT Spread OFDM) Công nghệ DFTS-OFDM hứa hẹn mang lại thông tin đường lên tốc độ cao cho các hệ thống thông tin di động tương lai, với hiệu quả thông lượng và độ phức tạp tương tự như OFDM.
32 công suất đinh trên công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Povver Ratio) thấp hơn OFDM.
Những đặc điểm nổi bật của mạng di động LTE
Mạng LTE kết hợp nhiều công nghệ mạng như 2G, 3G, WiMAX, và Wi-Fi để cung cấp kết nối vô tuyến toàn diện, không phụ thuộc vào nhà cung cấp hay thiết bị di động Công nghệ này cho phép người dùng truy cập dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao khi di chuyển, hỗ trợ trải nghiệm dịch vụ chất lượng cao với chi phí thấp và phù hợp với nhu cầu cá nhân.
LTE cung cấp khả năng cấp phát phổ tần linh động, hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện với tốc độ trên 100Mb/s khi người dùng di chuyển với tốc độ 3km/h, và 30Mb/s khi di chuyển ở tốc độ 120km/h Tốc độ này nhanh gấp 7 lần so với công nghệ HSDPA hiện tại Ƣu điểm nổi bật của LTE là khả năng cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và ổn định trong nhiều điều kiện di chuyển khác nhau.
Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mbps và trên kênh đường lên có thể đạt 50 Mbps
Tăng tốc độ truyền dữ liệu cho cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển mà không cần chuyển mạch kênh Tất cả các dịch vụ sẽ được thực hiện dựa trên IP, trong đó VoIP sẽ được sử dụng cho dịch vụ thoại.
Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời
OFDMA và MIMO được áp dụng trong LTE thay vì CDMA như trong 3G, nhưng mạng LTE có khả năng tích hợp linh hoạt với các mạng 3G và 2G hiện tại Điều này mang lại lợi ích lớn cho các nhà cung cấp mạng khi triển khai LTE, vì họ không cần phải thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có.
Băng thông hoạt động linh hoạt, có thể hoạt động ở các băng thông như: 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz, thậm chí ở tần số thấp hơn như
1,25MHz và 2,5MHz Tuy nhiên việc sử dụng băng thông hẹp có thể sẽ không đạt được hiệu quả như mong muốn khi so sánh với HSDPA
Tính kế thừa cao, tương thích tốt với nền tảng GSM, do vậy việc triển khai sẽ dễ dàng hơn và giá thành không cao.
Một số kỹ thuật áp dụng cho mạng LTE hướng xuống
Hệ thống LTE đường xuống, như mô tả trong Hình 3.1, sử dụng mô hình cơ bản kết hợp giữa kỹ thuật MIMO và OFDMA, nhằm đáp ứng nhu cầu băng rộng với tốc độ dữ liệu cao.
Modulation Map to Resource elements IFFT Add CP D/A
Extract from Resource elements FFT Remove
Mix to Baseband LNA Reference
Mạng LTE sử dụng sơ đồ thu phát đơn giản ở lớp vật lý, trong đó tín hiệu phát được mã hóa và ánh xạ qua các phương pháp điều chế như QPSK, 16 QAM và 64 QAM, tùy thuộc vào đặc điểm kênh vật lý và chất lượng đường truyền Mức độ điều chế cao hơn giúp tăng băng thông và tốc độ truyền tải Tín hiệu sau khi điều chế sẽ được đưa vào lưới tài nguyên và xử lý qua khối IFFT để thực hiện điều chế OFDM Trong quá trình này, tín hiệu đầu vào được chia thành các luồng song song với tốc độ thấp hơn, phát đồng thời qua các sóng mang con khác nhau, yêu cầu khoảng cách tần số tối thiểu để đảm bảo tính trực giao trong miền thời gian Việc sử dụng các sóng mang con chồng lấn nhau trong miền tần số giúp tối ưu hóa băng thông IFFT là thuật toán hiệu quả được áp dụng trong quá trình này.
Hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI) để điều chế tín hiệu trước khi truyền Khi kênh truyền ổn định, tín hiệu OFDM có thể được giải điều chế mà không gặp nhiễu Tuy nhiên, nếu kênh truyền thay đổi theo thời gian, tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ bị mất, dẫn đến nhiễu xuyên ký tự (ISI) và nhiễu xuyên sóng mang (ICI) Để khắc phục vấn đề này, khoảng bảo vệ được áp dụng trong hệ thống OFDM Tại phía thu, các hoạt động tương tự như ở máy phát được thực hiện, kèm theo các thuật toán ước lượng kênh truyền để phục hồi thông tin chính xác Mẫu tín hiệu tham chiếu được tách ra từ mỗi sub-frame để thực hiện ước lượng kênh Dữ liệu gốc được phục hồi từ mẫu phức thu được từ hai ăng ten, sau đó chuyển đổi các mẫu chòm sao phức thành giá trị nhị phân và dữ liệu song song được chuyển đổi thành dữ liệu tuần tự để tìm ra dữ liệu phát ước lượng.
Mạng LTE hỗ trợ truyền tín hiệu song công thông qua hai chế độ FDD (Frequency Division Duplex) và TDD (Time Division Duplex) Cấu trúc khung truyền của từng chế độ được mô tả chi tiết dưới đây.
3.3.1.1 FDD Ở chế độ FDD còn gọi là cấu trúc khung loại 1 (Type 1) Mỗi một khung vô tuyến (radio frame) có thời gian 10ms trong đó bao gồm 10 khung con (subframe) mỗi khung có thời gian dài 1ms, mỗi khung con lại bao gồm 2 khe (slot) mỗi khe kéo dài 0.5ms Cấu trúc khung này áp dụng cho cả đường lên và đường xuống
Hình 3.2 Cấu trúc khung FDD
Cấu trúc khúc loại 2 (Type 2), hay còn gọi là cấu trúc khung TDD, được minh họa trong Hình 3.3 Giống như FDD, thời gian của một radio frame là 10ms, bao gồm 2 nửa khung (half frame) mỗi nửa khung dài 5ms, và mỗi nửa khung bao gồm 5 subframe tương tự như chế độ FDD.
1 half frame = 5ms 1 half frame = 5ms
DwPTS Guard Period UpPTS Special subframe
Hình 3.3 Cấu trúc khung TDD
Mỗi subframe trong hệ thống có thể được phân loại là hướng lên, hướng xuống hoặc là subframe đặc biệt Subframe đặc biệt bao gồm các trường quan trọng như Downlink Pilot Time Slot (DwPTS), Guard Period (GP) và Uplink Pilot Time Slot (UpPTS).
3.3.2 Các khối tài nguyên (Resource blocks)
Một khối tài nguyên (resource block) là đơn vị cơ bản của tài nguyên trong giao diện LTE, được eNode B cấp phát cho UE khi chấp nhận truyền tải dữ liệu Resource Block được định nghĩa chi tiết trong 3GPP TS36.211, bao gồm cả miền thời gian và miền tần số Trong miền thời gian, nó kéo dài 0.5ms, tương đương với một slot, và được chia thành 7 OFDMA symbol với normal CP hoặc 6 OFDMA symbol với extended CP Trong miền tần số, mỗi Resource Block gồm 12 subcarrier, mỗi subcarrier có băng tần 15 kHz, dẫn đến mỗi Resource Block có băng tần tổng cộng là 180 kHz.
N symb OFDM symbols One downlink slot T slot
RB sc DL RB N N su bc ar rie r s RB sc N su bc ar rie r s
Hình 3.4 Minh họa lưới tài nguyên hướng xuống trong mạng LTE
The grid is formed by subcarriers in the frequency domain and symbols in the time domain, defined as a set of Resource Elements (REs) Each Resource Block consists of 84 REs when using normal cyclic prefix (CP) and 72 REs with extended CP Each Resource Element corresponds to a modulation symbol, enabling efficient data transmission.
168 ksps với normal CP và 144 ksps với extend CP Số lượng Resource Block trong miền tần số phụ thuộc vào băng tần như bảng dưới đây:
0 Tốc độ symbol với normal CP
Tốc độ ký tự với extend CP
Bảng 3.2 Mối liên quan giữa các tham số trong lưới tài nguyên
Tốc độ symbol trong mạng LTE cho phép ước lượng tốc độ bit tối đa Chẳng hạn, với băng tần 20 MHz và tốc độ symbol 16.8 Msps, tốc độ bit tối đa đạt 100.8 Mbps khi sử dụng 64 QAM Tốc độ này có thể tăng lên 403.2 Mbps khi áp dụng công nghệ MIMO 4x4 Tuy nhiên, để đạt được tốc độ bit này, tất cả các Resource Element cần được sử dụng cho việc truyền tải dữ liệu Trong thực tế, không phải tất cả Resource Element đều được dùng cho dữ liệu, mà còn để truyền tải tín hiệu điều khiển.
Các thuật toán điều chế khác nhau có thể áp dụng cho mỗi Resource Element (RE), chẳng hạn như một RE sử dụng QPSK trong khi RE kế bên có thể sử dụng 64 QAM Mỗi RE có thể được phân bổ cho Physical Channel hoặc Physical Signal Trong trường hợp của Physical Channel, thuật toán điều chế sẽ được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
38 áp dụng cho mỗi RE phục thuộc vào RE đó được cấp phát cho Physical Channel nào Điều này được minh họa như bảng bên dưới:
Số bit trên một symbol
Trong mạng LTE, mức điều chế cho các kênh vật lý hướng xuống như PDSCH phụ thuộc vào khối ăng ten và chất lượng đường truyền Khi chất lượng đường truyền tốt, có thể áp dụng điều chế 64 QAM, trong đó mỗi symbol được tạo ra từ nhóm 6 bit Các bit này được mã hóa bằng mã Gray, minh họa cho điều chế 16 QAM như hình bên dưới.
Trong 16QAM, chòm sao ánh xạ minh họa cách tín hiệu vật lý không cần điều chế, vì tín hiệu này là số phức có thể được đưa trực tiếp vào vị trí thích hợp trong các Resource Element (RE) Để biết thêm chi tiết, tham khảo tài liệu 3GPP TS 36.211.
Trong một slot, có 7 OFDMA symbol với CP bình thường và 6 OFDMA symbol với CP mở rộng Mỗi OFDMA symbol bao gồm hai phần: Cyclic Prefix và phần chính Đối với CP bình thường, thời gian của prefix đầu tiên là 160 Ts, trong khi các prefix tiếp theo có thời gian là 144 Ts Đối với CP mở rộng, thời gian của prefix luôn là 512 Ts.
Ts với mỗi Ts = 1/30720 ms Phần chính của mỗi symbol luôn luôn là 2048Ts
Hình 3.6 Cấu trúc của symbol trong mỗi slot 3.3.5 Kỹ thuật phân tập trong LTE
3.3.5.1 Phân tập phát (Transmit Diversity)
Transmit diversity làm tăng khả năng thích ứng của kênh truyền dẫn trong LTE, yêu cầu nhiều phần tử ăng ten ở phía phát và một hoặc nhiều phần tử ăng ten ở phía thu Theo quy định của 3GPP, thuật toán transmit diversity sử dụng 2 hoặc 4 phần tử ăng ten ở phía phát, hoạt động theo chu trình mở mà không cần phản hồi từ phía UE Đặc biệt, thuật toán với 2 phần tử ăng ten được gọi là mã hóa khối không gian tần số (Space Frequency Block Code).
Các kênh và tín hiệu lớp vật lý mạng LTE hướng xuống
3.4.1 Tín hiệu đồng bộ (Synchronisation signal)
In LTE downlink, two synchronization signals are utilized for coordination: the Primary Synchronisation Signal (PSS) and the Secondary Synchronisation Signal (SSS) The PSS is allocated on 62 subcarriers, ensuring effective synchronization within the network.
56 trung tâm thuộc symbol cuối cùng của slot 0 và 10 của mỗi radio frame PSS được sử dụng để:
Đạt được sự đồng bộ về symbol, slot và subframe
Trong lớp vật lý, việc xác định tính đồng nhất của cell được thực hiện thông qua định danh cell vật lý (PCI) trong nhóm PCI Mỗi nhóm PCI bao gồm 3 PCI, do đó, tín hiệu PSS được tạo ra từ 3 chuỗi khác nhau.
SSS được phát tại 62 subcarrier trung tâm của ký hiệu áp chót trong slot 0 và slot 10 của mỗi khung radio Mỗi khung radio có 2 tín hiệu SSS với các chuỗi khác nhau, giúp phân biệt giữa lần truyền thứ nhất và thứ hai, cho phép UE đồng bộ hóa khung hiệu quả SSS đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Đạt được sự đồng bộ về khung (frame)
Xác định PCI group Có tổng cộng 168 PCI group nên SSS được tạo ra bằng cách sử dụng 1 trong 168 cặp chuỗi
Vị trí của PSS và SSS trong nửa radio frame đầu tiên được minh họa như hình bên dưới
Hình 3.17 Minh họa lưới tài nguyên ở băng thông 1.4 MHz [15]
Việc phân bổ các phần tử tài nguyên cho tín hiệu đồng bộ không phụ thuộc vào băng thông, và thiết bị người dùng (UE) không cần thông tin về băng thông để nhận diện tín hiệu này Thay vào đó, thông tin băng thông được lấy từ khối thông tin chính Master Information Block (MIB) trên kênh phát PBCH.
3.4.2 Tín hiệu tham khảo xác định tế bào (Cell Specific Refrence Signal)
Mỗi tế bào xác định tín hiệu tham khảo để ước lượng kênh, thực hiện việc chọn tế bào, tái xác định tế bào và chuyển giao tế bào.
Các resource element được cấp phát cho tín hiệu tham khảo phụ thuộc vào Physical Layer Cell Indentiy (Cell ID)
RE không chứa thông tin
Hình 3.18 Vị trí của Reference Singal trong Resource Grid
Trong miền thời gian, vị trí của RE được phân bổ cho Cell Specific RS tại symbol 0 và symbol 4 trong mỗi slot Trong miền tần số, việc phân bổ RE được thực hiện theo vòng lặp của 6 Physical Layer Cell ID, với số thứ tự k được tính theo công thức k = 6m + v_shift mod 6, trong đó v_shift là Physical Cell ID mod 6.
Chuỗi RS (Reference Signal) cụ thể cho từng cell được tạo ra từ chuỗi giả ngẫu nhiên dựa vào Cell ID Khi thiết bị người dùng (UE) giải mã thành công PSS và SSS, nó sẽ xác định được Cell ID, từ đó suy ra các Resource Element (RE) được phân bổ cho tín hiệu tham chiếu và chuỗi tạo ra tín hiệu tham chiếu.
3.4.3 Tín hiệu tham khảo xác định UE (UE Specific Reference Signal)
UE specific RS cung cấp tín hiệu tham khảo được hướng trực tiếp đến một
UE Beamforming được áp dụng trong UE specific RS để hướng trực tiếp đến
Tín hiệu tham khảo cho UE được cung cấp một cách thích hợp, không áp dụng cho toàn bộ cell, sử dụng transmission mode 7 và antenna port 5 Tín hiệu UE specific và Cell specific RS không chia sẻ resource element (RE), cho phép truyền trong cùng một resource block (RB) Tín hiệu này chiếm RE trong các OFDMA symbol 3 và 6 cho các slot lẻ, cũng như symbol 2 và 5 cho các slot chẵn Chuỗi tạo ra tín hiệu tham khảo này là chuỗi giả ngẫu nhiên, phụ thuộc vào Cell ID và UE Semi-Persistent Scheduling (SPS) C-RNTI.
Hình 3.19 UE specific reference signal 3.4.4 Kênh quảng bá PBCH
Kênh quảng bá Physical Broadcast Channel (PBCH) được sử dụng để truyền tải thông tin của Master Information Block (MIB) PBCH được phân bổ trên 72 subcarrier trung tâm trong 4 OFDMA symbol đầu tiên của slot thứ 2 trong mỗi radio frame Tại các vị trí được dành cho tín hiệu tham khảo, các Resource Element (RE) cho PBCH sẽ bị loại bỏ Vị trí của PBCH có thể dễ dàng nhận diện trong Hình 3.17.
Việc sử dụng mã hóa QPSK trong 240 RE sẽ cung cấp 480 bit, trong khi việc cấp phát tài nguyên cho PBCH không phụ thuộc vào băng thông UE không cần thông tin về băng thông để giải mã PBCH Thông tin từ MIB trong PBCH được sử dụng để giải mã các thông tin trong các kênh vật lý khác.
Layer mapping Precoding Resource mapping
CRC 16 extraction Viterbi decoder Rate dematching QPSK soft demodulation Equalizer
Hình 3.20 Sơ đồ kênh PBCH 3.4.5 Kênh PCFICH
Kênh Physical Control Format Indicator (PCFICH) được sử dụng ở vị trí bắt đầu cũa mỗi subframe để thông báo số symbol được sử dụng cho việc truyền kênh PDCCH
Bảng 3.11 Giá trị của PCFICH
Giá trị tín hiệu được xác định bởi eNode B và tỷ lệ thuận với số lượng kết nối đang hoạt động; khi số kết nối tăng, giá trị CFI cũng tăng theo PCFICH sử dụng 16 RE trong ký hiệu OFDMA đầu tiên của mỗi subframe.
RE được chia thành 4 bộ bốn, với vị trí của chúng trong ký hiệu OFDMA đầu tiên phụ thuộc vào băng thông và Cell ID PCFICH sử dụng điều chế QPSK để truyền tải thông tin.
16 RE cho PCFICH suy ra PCFICH có 32 bit đầu ra Vị trí của PCFICH trong resource grid được minh họa trong Hình 3.17
Hình 3.21 Sơ đồ kênh PCFICH 3.4.6 Kênh PHICH
Kênh Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) được sử dụng để thông báo thông tin Acknowledgment (ACK) cho kênh truyền tải dữ liệu PUSCH, cho biết liệu việc nhận dữ liệu có thành công hay không.
Mỗi kết nối trong kênh PUSCH có khả năng truyền tải tối đa một transport block trên một subframe, do đó chỉ có thể có một PHICH ACK trên mỗi subframe của kết nối đó PHICH ACK bao gồm nhóm PHICH và chỉ số chuỗi trực giao PHICH (Orthogonal Sequence Index) trong nhóm PHICH Số lượng nhóm PHICH phụ thuộc vào băng thông và thông số scaling, cả hai đều được quảng bá trong kênh PBCH.
Một UE lựa chọn PHICH group và Orthogonal Index của nó dựa vào công thức:
PHICH Group = ( I l ow est n DMRS ) mod N group
PHICH Sequence Index = ( I l ow est / N group n DMSRS ) mod N seq
In this context, I lowest refers to the lowest RB index allocated for the first slot of the transmitted PUSCH Additionally, DMRS stands for Demodulation Reference Signal, which is conveyed through the DCI format 0 N group indicates the number of PHICH groups, while N seq represents the orthogonal sequence number.
