NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THÓNG MIMO-STBC TRONG MỖI TRƯỜNG SUY HAO RAYLEIGH

Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
Khoa Điện – Điện Tử
Ngành Điện Tử Viển Thơng

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ
THỐNG MIMO-STBC TRONG MÔI TRƯỜNG SUY
HAO RAYLEIGH

GVHD
SVTH
LỚP
MSSV

:
:
:
:

T.S LÊ QUỐC CƯỜNG
ĐẶNG VĂN TÂN
08DD2D
081516D

TP Hồ Chí Minh Tháng 1/2013



LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Tôn Đức Thắng cơ sở

tại thành phố Hồ Chí Minh, nhờ được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của q
thầy cơ, các bạn sinh viên, em ãđ d ần dần có được những kiến thức, kinh
nghiệm về lĩnh vực điện tử-viễn thơng và có thể áp dụng vào thực tiễn. Có
được ngày hơm nay cũng nh ờ sự dạy dỗ, nhiệt tình giảng dạy những điều em
chưa biết, chưa hiểu rõ cả trên giảng đường và ngoài giờ học.

Và em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Quốc Cường, thầy đã
hết mình giảng dạy cho chúng em những kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm
quý báu, và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.

Em xin chân thành gửi đến quý thầy cô lời cảm ơn sâu sắc nhất. Kính
chúc q thầy cơ sức khỏe và thành cơng trong cơng việc cũng như trong
cuộc sống.

Trong q trình thực hiện đề tài, dù em luôn cố gắng để đạt được kết
quả tốt nhất, nhưng thời gian cho phép không nhiều nên khơng tránh khỏi cịn
có những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ dạy, góp ý của q thầy cơ.
Những lời chỉ dạy đó sẽ là kinh nghiệm quý giá để em có thể phát triển đề tài,
nghiên cứu sâu hơn để nắm vững được nó và có thể triển khai trên thực tế.

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 1- 2013
ĐẶNG VĂN TÂN


M ục lục
LỜI CẢM ƠN
PHỤ LỤC 1: DANH MỤC HÌNH VẼ
PHỤ LỤC 2: THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1.

Tính cần thiết của đề tài ------------------------------------------------------------- 1

2.

Mục đích của đề tài ------------------------------------------------------------------- 2

3.

Những vấn đề mới của đề tài -------------------------------------------------------- 2

4.

Phạm vi của đề tài -------------------------------------------------------------------- 2

5.

Bố cục của đề tài ---------------------------------------------------------------------- 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G+
1.1. Sự phát triển của thông tin di động ----------------------------------------------- 4
1.1.1.

Công nghệ thông tin di động 1G ---------------------------------------- 4

1.1.2.

Công nghệ thông tin di động 2G ---------------------------------------- 5

1.1.3. Công nghệ thông tin di động 3G ---------------------------------------- 6

1.1.4.

Các Release 3GPP -------------------------------------------------------- 7

1.2. Tổng quan về HSPA ------------------------------------------------------------------ 8
1.2.1.

Giao diện vô tuyến HSPA cho người sử dụng ------------------------ 10

1.2.2.

Nguyên lý hoạt động của HSDPA ------------------------------------- 12

1.2.3.

Khả năng của các HSPA+ ---------------------------------------------- 13

1.3. Tổng kết -------------------------------------------------------------------------------- 14


CHƯƠNG 2: CƠNG NGHỆ MIMO
2.1. Mơ hình hệ thống MIMO ------------------------------------------------------------ 15
2.2. Dung lượng hệ thống MIMO ------------------------------------------------------- 17
2.3. Kênh chưa biết được truyền đến đầu phát ----------------------------------------- 18
2.4. Kênh được nhận biết tại đầu phát --------------------------------------------------- 20
2.4.1. Water pouring Principle -------------------------------------------------- 21
2.4.2. Dung lượng khi kênh được nhận biết đến đầu phát ------------------- 23
2.5. Kênh xác định ------------------------------------------------------------------------ 24
2.5.1. Dung lượng kênh SIMO -------------------------------------------------- 24
2.5.2. Dung lượng kênh MISO -------------------------------------------------- 25

2.6. Các kênh ngẫu nhiên ----------------------------------------------------------------- 27
2.6.1. Dung lượng Ergodic ------------------------------------------------------- 27
2.6.2. Dung lượng hao hụt (Outage) -------------------------------------------- 29
2.7. Ảnh hưởng của tương quan fading trên dung lượng MIMO ------------------- 31
2.8. Ảnh hưởng của LOS trên dung lượng MIMO ------------------------------------ 35
2.9. Ảnh hưởng của XPD trên dung lượng MIMO ----------------------------------- 37
2.10. Tổng kết ------------------------------------------------------------------------------- 40

CHƯƠNG 3: MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN
3.1. Giới thiệu ----------------------------------------------------------------------------- 41
3.2. Mẫu phân tập trễ --------------------------------------------------------------------- 41
3.3. Mã không gian – thời gian Alamouti --------------------------------------------- 42
3.3.1.

Maximumlikeli hood ----------------------------------------------------- 44


3.3.2.

Kết hợp tỉ số tối đa (MRC) ---------------------------------------------- 45

3.3.3. Phân tập phát --------------------------------------------------------------- 46
3.3.4. Tóm tắt về mẫu Alamouti ------------------------------------------------ 46
3.4. Mã không gian thời gian ------------------------------------------------------------ 47
3.4.1. STBC cho các tương quan tín hiệu thực -------------------------------- 49
3.4.2. STBC cho các tương quan tín hiệu phức ------------------------------- 52
3.5. Giải mã STBC ------------------------------------------------------------------------ 53
3.6. Ước lượng kênh khơng hồn tồn ------------------------------------------------- 55
3.6.1. Ước lượng bình phương trung bình nhỏ nhất -------------------------- 56
3.6.2. Ước lượng bình phương trung bình tối thiểu -------------------------- 57

3.6.3. Thuật toán ước lượng kênh bằng phương pháp FFT------------------ 59
3.7. Ảnh hưởng của hiệu ứng tương quan Antenna ----------------------------------- 62
3.8. Truyền dẫn mode riêng có ưu thế -------------------------------------------------- 63
3.9. Kết luận --------------------------------------------------------------------------------- 65

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG
4.1. Giới thiệu MATLAB 7.8.0 (R2009a) ........................................................ 66
4.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 67
TỔNG KẾT ...................................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 75
PHỤ LỤC 3: CODE MÔ PHỎNG CHO HỆ THỐNG STBC



GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
Tính cần thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao trong thông tin di
động bùng nổ do sự xuất hiện ngày càng nhiều loại hình dịch vụ không dây tốc độ
cao như: Internet không dây, dung lượng các hộp thư ngày càng lớn, dịch vụ hội
nghị truyền hình khơng dây, … Và sự phát triển này cũng đặt ra những thách thức
lớn:
1. Băng thông dành cho các nhà cung cấp dịch vụ thường xuyên bị giới hạn.

2. Do nhiều yếu tố khách quan và chủ quan việc phân bổ thêm băng thơng
cho các loại hình dịch vụ thường rất khó khăn và chậm trễ.

3. Các yêu cầu về công suất mà thiết bị sử dụng sẽ phải giới hạn càng thấp
càng tốt vì như vậy thì thời gian sử dụng thiết bị trong 1 lần sạc sẽ dài
hơn. Yếu tố này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị đầu cuối của mạng
thông tin di động.

Những thách thức này đặt ra cho các nhà thiết kế hệ thống vơ tuyến trước một
vấn đề có hai mặt trái ngược nhau đó là hệ thống vố tuyến được thiết kế trong tương
lai phải truyền được tốc độ cao và cải thiện được hiệu suất hoạt động của hệ thống
trong khi băng thông truyền và công suất phát chỉ tăng rất ít thậm chí là khơng tăng.
Một trong những công nghệ được phát triển nh ằm giải quyết vấn đề trên đó là
cơng nghệ đa đầu vào đa đầu ra (MIMO, Multi-Input Multi-Output). Trong cơng
nghệ MIMO thì kỹ thuật mã hóa khơng gian – thời gian có vai trị rất quan trọng.
Mã hóa khơng gian – thời gian là một kỹ thuật xử lý tín hiệu/mã hóa sử dụng
nhiều ănten phát và ănten thu. Kỹ thuật mã hố khơng gian - thời gian còn được gọi
là kỹ thuật điều chế mã hố hai chiều vì trong kỹ thuật này tín hiệu được mã hố kết

1


hợp với điều chế và phân tập không gian. Kỹ thuật này được đánh giá là một kỹ
thuật cung cấp tốc độ truyền dẫn cao đồng thời lại có thể đảm bảo tính tin cậy cho
đường truyền vơ tuyến.
Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật mã hóa khơng gian thời gian trở thành
nhu cầu tất yếu của những người làm kỹ thuật viễn thông chuyên ngành vô tuyến.
Và đó cũng chính là tính cần thiết để người viết thực hiện đề tài này.

Mục đích của đề tài
Đề tài được viết nhằm ba mục đích sau:
1. Trình bày những kiến thức cơ bản của về hệ thống MIMO.
2. Trình bày đầy đủ những nội dung chính của kỹ thuật mã hóa khơng gian –
thời gian là: mã khối khơng gian – thời gian (STBC)
3. Đưa ra một phần mềm mơ phỏng kết quả của q trình mã hóa khơng gian
thời gian trong hệ thống MIMO.

Phạm vi của đề tài

Trong khuôn khổ của một Đề tài Tốt nghiệp Đại học, với thời lượng thực hiện
vừa phải nội dung đề tài chỉ tập trung vào việc trình bày kỹ thuật mã hố chính của
mã hố khơng gian – thời gian đó là: mã khối khơng gian - thời gian (STBC).
Chương trình mô phỏng được viết để mô phỏng kết quả của việc sử dụng loại
hình mã hố khơng gian - thời gian trong những điều kiện điển hình nhất.

2


Bố cục của đề tài
Toàn bộ nội dung của đề tài gồm 6 phần chính:
-

Giới thiệu chung về đề tài.

-

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G+.

-

Chương 2: Công nghệ MIMO.

-

Chương 3: Mã khối không gian – thời gian

-

Chương 4: Mô phỏng và kết quả mô phỏng

-

Tổng kết.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 3G+
Bắt đầu từ những thử nghiệm đầu tiên với truyền dẫn vô tuyến của Guglielmo
Marcono trong những năm 1980, con đường cho truyền thông vô tuyến di động đã
thực sự trải dài. Để hiểu được hệ thống truyền thông di động 3G phức tạp ngày nay,
điều quan trọng là phải hiểu được điểm xuất phát cũng như hiểu được hệ thống tế bào
đã phát triển thế nào từ một công nghệ đắt đỏ dành cho một số cá nhân đặc biệt tới các
hệ thống truyền thơng di động tồn cầu với hơn một nửa dân số thế giới sử dụng như
ngày nay. Sự phát triển các công nghệ di động đã có sự thay đổi, từ một vấn đề mang
tính quốc gia hoặc khu vực trở thành một nhiệm vụ phức tạp do tổ chức phát triển các
chuẩn quốc tế đảm nhiệm, như là 3GPP và liên quan tới hàng nghìn con người. Các
cơng nghệ tế bào mà 3GPP nghiên cứu được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới, với
số lượng người sử dụng trên 3 tỷ trong năm 2009. Bước tiến mới nhất của 3GPP là
nghiên cứu phát triển 3G lên HSPA và LTE. Đi ngược lại thời gian, chương 1 của luận
văn sẽ trình bày lịch sử phát triển của hệ thống tế bào khi mới bắt đầu hình thành,
ngồi ra sẽ trình bày tổng quan về mạng truy nhập vơ tuyến của 3G +, đó là
HSPA+.
1.1.

Sự phát triển của thông tin di động
Sự phát triển của cơng nghệ thơng tin di động tính đến nay được tóm tắt như sau:

1.1.1. Cơng nghệ thơng tin di động 1G
Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối mạng
lõi dựa trên TDM. Hệ thống truyền dẫn di động đầu tiên trên thế giới là hệ thống NMT
tương tự (Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu), được giới thiệu ở các quốc gia Bắc Âu
năm 1981 cùng thời điểm với AMPS tương tự (Hệ thống di động tiên tiến) được sử
dụng ở Mỹ. Các công nghệ tế bào khác đã triển khai rộng rãi trên thế giới là TACS và
J-TACS. Chúng có chung đặc điểm là thiết bị cồng kềnh, chất lượng thoại thường
không ổn định, “xuyên âm” giữa các người dùng là vấn đề phổ biến.

4


Thông thường các công nghệ 1G được triển khai tại một số nước hoặc nhóm các
nước, khơng được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế và khơng có ý
định sử dụng cho quốc tế.
1.1.2. Cơng nghệ thông tin di động 2G [9]
Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế. Thiết kế 2G
nhấn mạnh đến tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụng truyền
dẫn tiếng số hóa trên vơ tuyến. Tính năng cuối cùng chính là u cầu đối với 2G. Các
thí dụ điển hình về hệ thống 2G là GSM và CDMAone (dựa trên tiêu chuẩn TIA IS95).
Ở Châu Âu, CEPT đã đề xướng dự án GSM để phát triển một hệ thống di động toàn
Châu Âu. Các hoạt động của GSM tiếp tục được thực hiện trong năm 1989 với ETSI.
Sau khi tính tốn các đề xuất dựa trên TDMA, CDMA và FDMA giữa những năm
1980, chuẩn GSM cuối cùng đã được xây dựng trên TDMA. Cùng lúc đó, việc phát
triển chuẩn tế bào cũng được TIA thực hiện ở Mỹ với chuẩn IS-54 dựa trên TDMA,
sau này được gọi đơn giản là US-TDMA. Tiếp sau đó, sự phát triển chuẩn CDMA đã
được TIA hoàn thành trong năm 1993 với tên gọi là IS-95. Ở Nhật Bản, chuẩn TDMA
2G cũng được phát triển với tên gọi là PDC.
Các chuẩn này có chiều hướng “băng hẹp”, với các dịch vụ “băng thông thấp”
như voice. Hệ thống 2G cũng mang lại cơ hội để cung cấp các dịch vụ dữ liệu thông

qua mạng di động. Các dịch vụ dữ liệu đầu tiên được giới thiệu trong 2G là tin nhắn
văn bản SMS và dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cho phép truyền e-mail và các ứng
dụng dữ liệu khác. Tốc độ dữ liệu đỉnh vào thời gian đầu là 9,6 kbps. Các tốc độ cao
hơn được đưa ra sau đó bằng cách gán nhiều khe thời gian cho người dùng và thay đổi
sơ đồ mã hóa.
Truyền dữ liệu thơng qua hệ thống tế bào trở thành sự thật trong suốt nửa sau
những năm 1990 với GPRS được đưa ra trong GSM và dữ liệu gói cũng được đưa vào
các công nghệ tế bào khác như chuẩn PDC. Những công nghệ này thường được gọi là
2,5G. Sự thành công của dịch vụ dữ liệu không dây iMode ở Nhật Bản là một dấu hiệu
về khả năng của các ứng dụng truyền gói trong hệ thống di động, mặc dù trong thời
điểm đó tốc độ dữ liệu còn rất thấp.

5


1.1.3. Công nghệ thông tin di động 3G [8]
Sự xuất hiện của 3G và các giao diện vô tuyến băng tần cao hơn của UTRA
mang lại khả năng cho một loạt các dịch vụ mới chỉ được đề xuất ở 2G và 2,5G. Ngày
nay, việc phát triển truy nhập vô tuyến 3G được chuyển giao cho 3GPP. Tuy nhiên
các bước khởi tạo cho 3G đã được thực hiện từ đầu những năm 1990, trước khi 3GPP
hình thành một thời gian khá dài.
Ở Châu Âu, 3G được đặt tên là UMTS. Đầu năm 1998, ETSI đã lựa
chọn WCDMA là công nghệ cho UMTS. WCDMA có thể có hai giải pháp cho giao
diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số và ghép song công phân chia
theo thời gian. Chuẩn WCDMA được thực hiện song song trong ETSI và ARIB cho
đến cuối năm 1998 khi 3GPP được hình thành bởi các tổ chức phát triển chuẩn từ
các vùng khác nhau trên thế giới : ARIB (Nhật), CCSA (Trung Quốc), ETSI (Châu
Âu), ATIS (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và TTC (Nhật).

Hình 1.1: Sự phát triển công nghệ thông tin di động

6


1.1.4. Các Release 3GPP
Sự phát triển từ WCDMA lên HSPA và LTE diễn ra theo từng giai đoạn, được
gọi là Release 3GPP. Các nhà cung cấp thiết bị sản xuất ra phần cứng hỗ trợ từng đặc
điểm riêng của từng phiên bản. Tổng hợp các Release của 3GPP được trình bày trong
hình 1.2
Release 99 (Đã hồn chỉnh – Q 1 năm 2000): Đây là phiên bản đã triển khai
đầu tiên của UMTS, nâng cao tốc độ cho GSM (EDGE). Đa số những triển khai ngày
nay đều dựa vào Release 99. Phiên bản này hỗ trợ cho mạng truy nhập vô tuyến GSM/
EDGE/ GPRS/ WCDMA.
Release 4 (Đã hoàn chỉnh – Quý 2 năm 2001): Release này hỗ trợ tin nhắn đa
phương tiện, kết nối hiệu quả với cơ sở hạ tầng mạng lõi thơng qua mạng đường trục
IP.
Release 5 (Đã hồn chỉnh – Quý 1 năm 2002): Bổ sung chính vào Release 5 là
HSDPA và pha đầu tiên của IMS.
Release 6 (Đã hoàn chỉnh – Quý 4 năm 2004): Phiên bản này bổ sung HSUPA,
hỗ trợ đa phương tiện thông qua MBMS, định rõ hiệu suất cho máy thu tiên tiến, tích
hợp WLAN, và phiên bản thứ hai của IMS.
Release 7 (Đã hoàn chỉnh – Quý 4 năm 2007): Phát triển EDGE, đặc tả HSPA+,
điều chế bậc cao, kỹ thuật MIMO nâng cao hiệu suất, cung cấp các chức năng dữ liệu
GSM nâng cao, cải tiến cho các tính năng từ các phiên bản trước. Kết quả làm tăng
hiệu suất, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng cường dung lượng và chống nhiễu
tốt hơn. Do đó, nó thường được gọi là 3G+ (phát triển 3G ). Ngoài ra trong Release
7,HSPA+ còn hỗ trợ dịch vụ VoIP. Phiên bản này sử dụng điều chế 64QAM, ở
đường xuống và 16 QAM ở đường lên. Tối ưu hóa cho khả năng MBMS
Release 8 (Đã hoàn chỉnh – Quý 4 năm 2008): Phiên bản LTE đầu tiên. Mạng
tồn-IP (SAE). Giao diện vơ tuyến mới dựa trên OFDMA, FDE và MIMO, khơng

tương thích ngược với các giao diện CDMA.
Release 9 (Đã hoàn chỉnh – Quý 4 năm 2009): HSPA và LTE nâng cao bao gồm
HSPA hai sóng mang vận hành kết hợp với MIMO, EPC nâng cao. Phiên bản này hỗ
trợ femtocell, hỗ trợ các tính năng điều khiển như định vị thiết bị người dùng và hệ

7


thống báo động di động thương mại và kiến trúc nâng cao IMS.
Release 10 (Đang hoàn chỉnh): LTE-Advanced đạt được yêu cầu của IMTAdvanced. Phiên bản cũng bao gồm sự hoạt động 4 sóng mang cho HSPA+
Release 11 (Đang phát triển): Hoàn chỉnh vào tháng 9 năm 2012. Hỗ trợ nhiều
tính năng như: 8 sóng mang HSPA, Phân tập đường lên cho HSPA…
Release 12 (Đang phát triển): Rel-12 chưa được đưa ra nhưng từ những chi tiết
đang được nghiên cứu ở Rel-11 thì có ở Rel-12 có thể tiếp tục phát triển những đặc
điểm sau: Nghiên cứu MIMO đường lên, Nghiên cứu truyền dẫn HSDPA đa điểm…
Bước tiến cuối cùng được nghiên cứu và phát triển trong 3GPP là cải tiến của 3G
vào mạng truy nhập vô tuyến LTE và mạng lõi truy nhập gói tồn IP SAE.

Hình 1.2: Thay đổi đi lên các Release của 3GPP tính đến năm 2012
1.2. Tổng quan HSPA [1]
Mặc dù truyền dẫn dữ liệu gói đã từng được hỗ trợ trong Release đầu tiên của
chuẩn WCDMA nhưng HSDPA đã mang lại những tiến bộ xa hơn trong việc cung cấp
các dịch vụ dữ liệu gói trong WCDMA, cả về mặt hệ thống lẫn hiệu năng người dùng.
Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA: High Speed Down Link Packet
Access) được 3GPP chuẩn hóa ra trong Release 5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên
vào năm 2002. Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) được 3GPP chuẩn hóa
trong Release 6 vào tháng 12 năm 2004. Cả hai HSDPA và HSUPA được gọi chung là

8

HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại năm 2005 và HSUPA
được đưa vào thương mại năm 2007.
Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8Mbps và tăng đến 3,6Mbps và
7,2Mbps vào năm 2006 và 2007, tiềm năng có thể đạt đến trên 14,4Mbps ở những năm
sau. Trong giai đoạn đầu tốc độ đỉnh HSUPA là 1-2Mbps, trong giai đoạn hai tốc độ
này có thể đạt đến 4-5,7 Mbps từ năm 2008. HSPA được triển khai trên WCDMA
hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung
lượng cao (xem hình 1.3).

Hình 1.3: HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1).
HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp WCDMA lên
HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng NodeB và RNC (Radio
Network Controller). Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời
gian thực, tuy nhiên Release 6 và Release 7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và
các ứng dụng tương tự khác.
Khác với WCDMA trong đó tốc độ số liệu trên các giao diện như nhau (384 kbps
cho tốc độ cực đại chẳng hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khác nhau. Hình
1.4 minh họa điều này cho HSDPA. Tốc độ đỉnh (14,4Mbps trên 2 ms) tại đầu cuối chỉ
xảy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không
quá 3Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, nút cần có bộ đệm để
lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu (Scheduler) để truyền lưu lượng này trên hạ tầng
mạng.

9


Hình 1.4: Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (trường hợp HSDPA)
Yêu cầu quan trọng đối với một hệ thống tế bào cung cấp dịch vụ dữ liệu gói là
tốc độ dữ liệu cao và trễ thấp, duy trì vùng phủ tốt và cung cấp dung lượng cao. Để đạt

được điều này, HSPA sử dụng một số kỹ thuật cơ bản của WCDMA như điều chế bậc
cao, chế độ lập lịch nhanh (phụ thuộc kênh) và điều khiển tốc độ, ARQ lai nhanh với
kết hợp mềm.
1.2.1. Giao diện vơ tuyến HSPA cho người sử dụng
Hình 1.5 cho thấy kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu
người sử dụng. Mặt phẳng báo hiệu không được thể hiện trên hình 1.5 (trong mặt
phẳng này báo hiệu được nối đến RLC (Radio Link Protocol) sau đó được đưa lên
DCH hay HSDPA hoặc HSUPA). Số liệu từ các dịch vụ khác nhau được nén tiêu đề IP
tại PDCP (Packet Data Convergence Protocol). MAC-hs (Medium Access Control High Speed) thực hiện chức năng lập biểu nhanh dựa trên NodeB.
Đối với HSDPA chức năng MAC mới (MAC-hs) được đặt trong NodeB để xử
lý phát lại nhanh dựa trên HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request: yêu cầu phát lại
tự động lai ghép), lập biểu và ưu tiên.
Đối với HSUPA chức năng MAC mới (MAC-e) được đặt trong NodeB để xử lý
phát lại nhanh dựa trên HARQ, lập biểu và ưu tiên. Tại UE chức năng MAC-e mới
được sử dụng để xử lý lập biểu và HARQ dưới sự điều khiển của MAC-e trong
NodeB. Chức năng MAC mới (MAC-es) được đặt trong RNC để sắp xếp lại thứ tự gói
trước khi chuyển lên các lớp trên. Sự sắp xếp lại này là cần thiết, vì của chuyển giao
mềm có thể dẫn đến các gói từ các NodeB khác nhau đến RNC khơng theo thứ tự.

10


MAC-hs: High Speed MAC: MAC tốc độ cao
MAC-e: E-DCH MAC: MAC kênh E-DCH, MAC-es: thực thể MAC kênh E-DCH để
sắp đặt lại thứ tự
Hình 1.5: Kiến trúc giao diện vơ tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử
dụng

Hình 1.6: Các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA

11


1.2.2. Nguyên lý hoạt động của HSDPA

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA
HSDPA gồm các giải pháp:
+Thực hiện đan xen thời gian truyền dẫn ngắn TTI=2ms
+ Mã hố và điều chế thích ứng AMC
+ Truyền dẫn đa mã, lớp vật lý tốc độ cao L1
+ Yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ.
Trong giải pháp HSDPA, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ được chuyển từ bộ điều khiển
mạng vô tuyến RNC tới Node-B nhằm giúp người sử dụng dễ dàng truy nhập vào các
chức năng thống kê giao diện vơ tuyến. Kỹ thuật sắp xếp gói tin tiên tiến sẽ giúp điều
chỉnh được tốc độ dữ liệu người sử dụng sao cho thích hợp với các điều kiện kênh vơ
tuyến tức thời.
Trong q trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) sẽ định kỳ gửi một chỉ thị
chất lượng kênh CQI tới Node-B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuật điều
chế và mã hoá, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có thể hỗ trợ khi ở dưới

12


các điều kiện vô tuyến hiện thời. Đồng thời, UE gửi một báo nhận (Ack/Nack) ứng với
mỗi gói giúp node-B biết được thời điểm lặp lại quá trình truyền dữ liệu. Cùng với
chức năng thống kê chất lượng kênh tương ứng cho từng UE trong một cell, Thiết bị
sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp các gói của các UE một cách công bằng .
Vấn đề chúng ta cần quan tâm là chất lượng kênh đường truyền của mỗi người sử
dụng độc lập và cách xác định nó. Ví dụ như: tỷ lệ cơng suất ký hiệu trên tạp nhiếu ( tỷ
số Es/No), chất lượng bộ tách UE. Nút B có thể ước lượng tốc độ dữ liệu được hỗ trợ

cho mỗi UE bằng cách giám sát các lệnh điều khiển công suất phát theo chu kỳ một
giá trị chỉ thị chất lượng kênh (CQI – Channel Quality Indicator) đặc thù của HSDPA
trên kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao ( HS-DPCCH) đường lên, kênh này
cũng mang cả thông tin báo hiệu chấp nhận / khơng chấp nhận (Ask / Nask) ở dạng gói
dựa trên L1 cho mỗi kênh liên kết. Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ thống
chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa những người sử dụng khác nhau.
Lớp điều khiển truy nhập môi trường ( MAC – Medium Access Control) được
đặt tại nút B, do đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết
nối, lập lịch gói hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng như có thể kiểm sốt chất lượng
QoS chặt chẽ hơn. So sánh với kỹ thuật DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không
thực hiện với điều kiện công suất phát nhanh và hệ số trải phổ cố định. Bằng cách sử
dụng kỹ thuật mã hoá Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16 QAM, cũng như hoạt động
đa mã mở rộng, kênh HS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120 Kbps tới hơn
10Mbps. Quá trình điều chế và mã hố thích ứng cơ bản có một dải động khoảng
20dB, và được mở rộng hơn nữa số đa mã khả dụng.
1.2.3. Khả năng của HSPA+
HSPA+ là tên gọi một tập những cải tiến của HSPA được đưa ra trong 3GPP
Release 7. Sau đây là một số khả năng của HSPA+:
• HSPA+ nhân đơi dung lượng dữ liệu so với HSPA, do đó giảm giá
thành cho các dịch vụ dữ liệu đồng thời nâng cao mạng băng rộng di động.
•

HSPA+ cung cấp dung lượng thoại thơng qua VoIP gấp 3 lần so với
thoại chuyển mạch kênh trong Release 99 với cùng chất lượng và mã hóa.

•

HSPA+ VoIP giúp tăng dung lượng dữ liệu trong mơ hình hịa trộn VoIP

13

và dữ liệu, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của dịch vụ dữ liệu.
HSPA+ tăng cường trải nghiệm cho người dùng đầu cuối với tốc độ dữ

•

liệu đỉnh cao, trễ thấp, thiết lập cuộc gọi nhanh, thời gian cuộc gọi dài hơn
đáng kể... HSPA+ hỗ trợ tốc độ đỉnh đường xuống tới 28 Mbps (42 Mbps
trong Release 8) và đường lên 11 Mbps. HSPA+ là một cải tiến mang tính
kinh tế nhất của HSPA, cho phép các nhà khai thác UMTS sử dụng có
hiệu quả nhất cơ sở vật chất của họ cũng như là đầu tư vào mạng, phổ tần
và thiết bị. Giống HSPA, HSPA+ có thể tương thích với cả cơng nghệ
trước và sau nó.
•

HSPA+ là một giải pháp tối ưu với sóng mang 5 MHz và nó cung cấp
dung lượng thoại và dữ liệu xấp xỉ LTE trong cùng dải 5 MHz và cùng số
anten.

1.3. Tổng kết
Với những nội dung trình bày ở trên, người viết hy vọng có thể một cách tóm tắt
cung cấp những kiến thức rất cơ bản để có thể tìm hiểu những nội dung ở các
chương sau.
Tiếp theo là chương 2, chương đề cập tương đối sâu về Công nghệ MIMO, một
công nghệ được xem là rất quan trọng đối với các hệ thống vô tuyến trong tương lai.

14

Chương 2: CƠNG NGHỆ MIMO
2.1.

Mơ hình hệ thống MIMO
Chúng ta xem xét một hệ thống MIMO với một dãy M T anten phát và một dãy

M R anten thu. Hình khối (Hình 2.1) là một ví dụ về hệ thống.

Hình 2.1: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO
Ma trận truyền là ma trận cột s M T x 1 với s i là thành phần thứ i, được truyền từ
anten thứ i. Chúng ta xem kênh là kênh Gaussian như vậy các yếu tố của s được biết
đến như các biến Gaussian phân phối ngẫu nhiên và độc lập lẫn nhau. Nếu kênh
không nhận biết ở đầu phát, chúng ta giả sử rằng các tín hiệu được phát ở từng anten
có cơng suất bằng E S /M T . Hiệp biến Ma trận của tín hiệu được phát là:

Với E S là công suất phát của của tất cả M T anten và I MT là ma trận đồng nhất
M T xM T . Băng thơng tín hiệu được truyền là băng hẹp cho nên đáp ứng tần số của nó

15


có thể được xem l à phẳng (kênh khơng có nhớ) . Ma trận kênh H là một ma trận
phức M R xM T . Các thành phần h i,j của ma trận là hệ số fading từ anten phát thứ j đến
anten thu thứ i. Chúng ta giả thiết rằng công s uất thu được cho từng anten thu là
bằng tổng công suất phát E S . Điều này có nghĩa là chúng ta đã bỏ qua suy hao, độ
lợi anten,… Vì vậy, chúng ta đạt được những điều kiện chuẩn hoá cho các thành
phần của H, cho một kênh xác định:

Nếu các thành phần của kênh không xác định hay ngẫu nhiên , việc chuẩn hoá sẽ
áp dụng để đạt được giá trị mong muốn bằng công thức 2.2.

Chúng ta giả thiết rằng ma trận kênh sẽ được biết ở đầu thu nhưng không được
biết ở đầu phát. Ma trận kênh có thể được ước lượng tại đầu thu bằng cách truyền đi
một chuỗi huấn luyện. Nếu chúng ta yêu cầu đầu phát biết được kênh, thì chúng ta
cần truyền thông tin này đến đầu phát thông qua một kênh phản hồi. Các thành phần
của H có thể là xác định hay ngẫu nhiên.
Nhiễu tại đầu thu là một ma trận cột khác có kích thước M R x1. Các thành phần
ký hiệu bằng n là những biến Gaussian phức đối xứng xung quanh giá trị 0
(ZMCSCG). Ma trận hiệp biến (covariance) của nhiễu đầu thu là:

Nếu không có mối tương quan nào giữa các thành phần của n, ma trận hiệp biến
như sau:

16


Từng nhánh thu M R có một cơng suất nhiễu đồng nhất là N 0 . Đầu thu sẽ hoạt
động theo nguyên tắc phát hiện maximumlikelihooh trên M R anten thu. Tín hiệu thu
được là một ma trận cột M R x1, mà từng thành phần phức liên quan đến một anten
thu. Bởi vì chúng ta giả thiết rằng cơng suất tổng cộng thu được trên mỗi anten thì
bằng với cơng suất tống cộng phát, SNR có thể được biểu diễn:

Vì thế, vector thu có thể được biểu diễn như sau:
r= Hs + n

(2.6)

Ma trận hiệp biến tín hiệu thu được xác định là E{rrH} từ công thức 2. 6
R r r = HR ss HH

( 2.7)

Trong đó cơng suất tín hiệu tổng cộng được biểu diễn bởi tr(R rr ).

2.2.

Dung lượng của hệ thống MIMO [2], [4].
Dung lượng hệ thống có thể được xác định bởi tốc độ truyền dẫn lớn nhất có thể

với tỉ lệ lỗi là rất nhỏ. Chúng ta giả thiết sự nhận biết kênh là khơng thực hiện ở đầu
phát và chỉ có ở đầu thu.
Dung lượng của kênh MIMO được xác định:

với f(s) là phân phối xác suất của vector s và I(s;y) là thông tin tương hỗ giữa
vector s và y. Chúng ta chú ý rằng:
I(s;y) = H(y)- H(y|s)

(2.9)

Với H(y) là entropy vi sai của vector y, trong khi H(y|s) là entropy vi sai có điều
kiện của vector y, khi biết vector s. Vì vector s và nộcđ lập nhau,

cho nên

H(y|s)=H(n). Từ 2. 9, suy ra:

17


Nếu chúng ta tối đa hố thơng tin tương hỗ I(s;y) và giảm thiểu việc tối đa hố
H(y). Thì ma trận hiệp biến của y, R yy = є{yyH}, thoả mãn

Với R SS = є{ssH} là ma trận hi ệp biến của s. Trong tất cả các vector y cho biết
ma trận hiệp biến

Ryy, thì entropy vi sai H(y) được tối đa hố khi y là

ZMCSCG. Điều này có nghĩa là s cũng phải là vector ZMCSCG, hàm phân phối có
đặc tính đầy đủ cho bởi Rss. Entropy vi sai của vector y và n được cho bởi:

Vì thế, I(s;y) ở công thức (2.10) rút gọn thành:

Và từ 2.8 dung lượng của kênh MIMO được cho bởi:

Dung lượng C trong 2.15 cịn được gọi là hiệu quả phổ khơng lỗi hoặc tốc độ dữ
liệu trên một đơn vị băng thông và có thể đảm bảo độ tin cậy trên liên kết MIMO. Vì
thế nếu băng thơng của chúng ta là WHz, tốc độ dữ liệu nhận được tối đa trên băng
thông này sử dụng công nghệ MIMO là WC bit/s.

2.3.

Kênh chưa biết được truyền đến đầu phát

18