THAM KHAO LUAN VAN MIMO

i

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC
Họ và tên học viên: Nguyễn Đức An

Năm sinh: 1990

Đơn vị công tác: Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
Khóa: 22.1

Ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08
Cán bộ hướng dẫn: TS.Nguyễn Cảnh Minh
1. Tên đề tài luận văn
“ Nghiên cứu công nghệ MIMO trong hệ thống thông tin di động
4G/LTE”
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu tổng quan về kiến trúc và các công nghệ sử dụng trong hệ
thống 4G/LTE. Nghiên cứu về kỹ thuật đa anten được sử dụng trong hệ thống
thông tin di động. Công nghệ MIMO trong hệ thống thông tin di động 3G và 4G.
3. Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được
Nội dung của luận văn được thực hiện trên cơ sở thu thập, nghiên cứu và
tổng hợp các tài liệu khoa học về công nghệ MIMO và ứng dụng trong hệ
thống thông tin di động 4G/LTE. Dựa vào việc nghiên cứu lý thuyết để đưa ra
các cơ sở thực tiễn từ đó áp dụng cho mạng di động tại Việt Nam.
4. Điểm bình quân môn học:

Điểm bảo vệ luận văn:

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Hà Nội, ngày … tháng … năm …
Học viên

TS. Nguyễn Cảnh Minh

Nguyễn Đức An

Xác nhận của Bộ môn KTVT
Trưởng bộ môn


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này
là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng cam đoan rằng
mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông
tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày … tháng … năm …
Học viên

Nguyễn Đức An


iii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này tôi đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường đại

học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo sau Đại học, khoa Điện – Điện tử.
Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường đại học Giao
thông Vận tải, đặc biệt là những thầy cô đã trực tiếp dạy bảo cho tôi trong
suốt thời gian học tập tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Nguyễn Cảnh Minh
người đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện bản luận văn này.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt
tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót và
hạn chế. Kính mong nhận được sự chia sẻ và những đóng góp ý kiến của các
thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp.
Trân trọng cám ơn!


iv

MỤC LỤC
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC .............................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. iii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................ xii
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SỬ
DỤNG TRONG HỆ THỐNG 4G/LTE ............................................................. 3
1.1.Tiến trình phát triển giao diện vô tuyến trong hệ thống UMTS/HSPA/
LTE.................................................................................................................... 3
1.1.1.Các giai đoạn phát triển giao diện vô tuyến UMTS ................................ 4
1.1.2.Chuẩn hóa các hệ thống IMT-Advanced ................................................. 7

1.2.Cấu trúc hệ thống LTE ................................................................................ 8
1.2.1.Các đặc tính tổng quát của LTE ............................................................... 8
1.2.2.Kiến trúc mạng LTE................................................................................. 8
1.1.3.Tự động tự cấu hình và tự tối ưu mạng SON......................................... 11
1.3.Công nghệ MIMO trong hệ thống LTE .................................................... 17
1.4.Các phương pháp đa truy nhập trong hệ thống LTE................................. 20
1.4.1.Phương pháp đa truy nhập đường xuống OFDMA ............................... 20
1.4.2.Phương pháp đa truy nhập đường lên SC-FDMA ................................. 26
1.4.Kết luận chương ........................................................................................ 32
CHƯƠNG 2.KỸ THUẬT ĐA ANTEN .......................................................... 33
2.1.Cấu hình đa anten ...................................................................................... 33
2.2.Các lợi ích của việc sử dụng đa anten ....................................................... 33


v

2.3.Đa anten thu .............................................................................................. 34
2.4.Đa anten phát............................................................................................. 39
2.4.1.Phân tập anten phát ................................................................................ 39
2.4.2.Phân tập trễ ............................................................................................. 40
2.4.3.Phân tập trễ vòng .................................................................................... 41
2.4.4.Phân tập theo mã không gian thời gian .................................................. 42
2.4.5.Phân tập theo mã không gian tần số....................................................... 43
2.4.6.Tạo búp tại phía phát .............................................................................. 44
2.5.Ghép kênh không gian .............................................................................. 48
2.5.1.Nguyên lý cơ sở ghép kênh không gian ................................................. 48
2.5.2.Ghép kênh không gian dựa trên bộ tiền mã hóa .................................... 52
2.5.3.Xử lý thu không tuyến tính .................................................................... 54
2.6.Kết luận chương ........................................................................................ 56
CHƯƠNG 3.CÔNG NGHỆ MIMO TRONG HỆ THỐNG 4G/LTE ............. 57

3.1.Công nghệ MIMO trong hệ thống UMTS (Rel.7 và tiếp đó) ................... 57
3.1.1.Giới thiệu chung về MIMO.................................................................... 57
3.1.2.Đặc điểm của hệ thống MIMO trong UMTS ......................................... 62
3.2.Công nghệ MIMO trong hệ thống LTE .................................................... 65
3.2.1.Phát và thu phân tập ............................................................................... 66
3.2.2.Beamforming.......................................................................................... 67
3.2.3.Các cấu hình anten MIMO trong LTE ................................................... 70
3.2.4.Các chế độ MIMO trong LTE ................................................................ 76
3.2.5.Cơ sở lý thuyết MIMO ........................................................................... 77
3.3.Cấu trúc các thiết bị thu và phát trong LTE .............................................. 85
3.4.Đặc điểm ứng dụng các chế độ MIMO trong LTE ................................... 89
3.4.1.Các sơ đồ LTE/MIMO trong các kênh Downlink và Uplink ................ 89
3.4.2.Các giải quyết kỹ thuật theo MIMO trong các hệ thống LTE ............... 93
3.4.3.Hoàn thiện tiếp theo công nghệ LTE/MIMO......................................... 97
3.5.Kết luận chương ........................................................................................ 98


vi

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 99
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................... 101


vii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ đầy đủ

STT

Từ viết tắt

1

1G

First Generation

Thế hệ thứ nhất

2

2G

Second Generation

Thế hệ thứ 2

3

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

4

3GPP

Genaration Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

5

ARQ

Automatic Repeat-reQuest

Yêu cầu phát lại tự động

6

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền dị bộ

7

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

8

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

9

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha hai trạng thái

10

BS

Base Station

Trạm gốc

11

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

12

CDMA

13

CN

14

Code Division Multiple
Access

Tiếng Việt

Đa truy nhập phân chia theo mã

Core Network

Mạng lõi

CPCH

Common Packet Channel

Kênh gói chung

15

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

16

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra vòng dư

17

CS

Circuit Switch

Chuyển mạch kênh

18

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển riêng

19

DCH

Dedicated Channel

Kênh điều khiển

20

DPCH

Dedicated Physical Channel

Kênh vật lý riêng

21

DPDCH

22

DSCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

23

DSSS

Direct-Sequence Spread

Trải phổ chuỗi trực tiếp

Dedicated Physical Data
Channel

Kênh số liệu vật lý riêng


viii

Spectrum
24

E-AGCH

25

E-DCH

26

EDGE

27

EIR

28

E-DPCCH

29

E-DPDCH

30

E-RGCH

31

FACH

32

FDD

33

DSCH

34

DSSS

35

E-AGCH

36

Enhanced Absolute Grant

Kênh cho phép tuyệt đối tăng

Channel

cường

Enhanced Dedicated Channel

Kênh riêng tăng cường

Enhanced Data rates for GPRS Tốc độ số liệu tăng cường để
Evolution

phát triển GPRS

Equipment Identity Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

Enhanced Dedicated Control

Kênh điều khiển riêng tăng

Channel

cường

Enhanced Dedicated Data
Channel

Kênh số liệu riêng tăng cường

Enhanced Relative Grant

Kênh cho phép tương đối tăng

Channel

cường

Forward Access Channel

Kênh truy nhập đường xuống

Frequency Division Duplex
Downlink Shared Channel
Direct-Sequence Spread
Spectrum

Ghép song công phân chia theo
thời gian
Kênh chia sẻ đường xuống
Trải phổ chuỗi trực tiếp

Enhanced Absolute Grant

Kênh cho phép tuyệt đối tăng

Channel

cường

E-DCH

Enhanced Dedicated Channel

Kênh riêng tăng cường

37

EIR

Equipment Identity Register

Bộ ghi nhận dạng thiết bị

38

GSM

Global System For Mobile

Hệ thống thông tin di động tòan

Communications

cấu

39

HARQ

Hybrid Automatic Repeat

Yêu cầu phát lại tự động linh

reQuest

hoạt

40

HLR

Home Location Register

Bộ ghi định vị thường trú


ix

41

HSDPA

42

HS-DPCCH

43

HS-DSCH

44

HSPA

45

HS-PDSCH

46

HS-SCCH

47

HSUPA

48

High Speed Downlink Packet

Truy nhập hói đường xuống tốc

Access

độ cao

High-Speed Dedicated

Kênh điều khiển vật lý riêng tốc

Physical Control Channel

độ cao

High-Speed Dedicated Shared
Channel

Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

High-Speed Physical

Kênh chia sẻ riêng vật lý tốc độ

Dedicated Shared Channel

cao

High-Speed Shared Control

Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ

Channel

cao

High-Speed Uplink Packet

Truy nhập gói đường lên tốc độ

Access

cao

IPv6

IP version 6

Phiên bản IP sáu

49

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

50

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

51

MIMO

Multi-Input Multi-Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

52

MMS

Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện

53

MSC

54

NodeB

55

PCH

56

PCPCH

57

PRACH

58

QoS

59

QPSK

Mobile Services Switching

Trung tâm chuyển mạch các

Center

dịch vụ di động

Nút B
Paging Channel
Physical Common Packet

Channel

Kênh tìm gọi
Kênh vật lý gói chung

Physical Random Access

Kênh vật lý truy nhập ngẫu

Channel

nhiên

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

Quatrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc


x

60

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

61

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

62

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

63

RLC

Radio Link Control

Điều khiển liên kết vô tuyến

64

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

65

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

Secondary Common Control

Kênh vật lý điều khiển chung sơ

Physical Channel

cấp
Kênh đồng bộ

66

S-CCPCH

67

SCH

Synchronization channel

68

TDD

Time Division Duplex

69

TDM

Time Division Multiplex

70

TDMA

71

UMTS

72

UTRA

73

UTRAN

74

WCDMA

75

FDMA

76

RACH

Ghép song công phân chia theo
thời gian
Ghép kênh phân chia theo thời
gian

Time Division Mulptiple

Đa truy nhập phân chia theo thời

Access

gian

Universal Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Telecommunications System

cầu

UMTS Terrestrial Radio

Truy nhập vô tuyến mặt đất

Access

UMTS

UMTS Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

Access Network

đất UMTS

Wideband Code Division

Đa truy nhập phân chia theo mã

Multiple Access

băng rộng

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần

Access

số

Physical Random Access

Kênh vật lý truy nhập ngẫu

Channel

nhiên


xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.Các tham số cơ bản giao diện vô tuyến IMT-Adv và LTE-Adv. ...... 8
Bảng 1.2.Các tham số cấu trúc khung đường lên (FDD & TDD). ................. 32
Bảng 3.1.Các loại thiết bị thuê bao tốc độ cao................................................ 58
Bảng 3.2.Đặc tính cơ bản của các cấu hình anten MIMO trong LTE. ........... 72
Bảng 3.3.Mức cải thiện năng lượng tín hiệu thu trong các thiết bị đầu cuối
thuê bao nhờ sử dụng 2 anten.......................................................................... 75
Bảng 3.4.Các thông số cấu hình anten MIMO cho thuê bao đầu cuối LTE ... 76
Bảng 3.5.Một số ứng dụng của MIMO trong hệ thống LTE. ......................... 90
Bảng 3.6.Các thông số về cấu hình anten MIMO sử dụng trong hệ thống LTE.
......................................................................................................................... 92
Bảng 3.7.Bảng mã các ma trận cho một và hai luồng dữ liệu. ....................... 95


xii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Các chu trình công nghệ IMT. ........................................................... 3
Hình 1.2.Các giai đoạn phát triển giao diện vô tuyến UMTS. ......................... 4
Hình 1.3.Hiệu quả phổ của các giao diện vô tuyến khác nhau. ........................ 6
Hình 1.4.Kiến trúc mạng LTE. ......................................................................... 9
Hình 1.5.Kiến trúc E-UTRAN. ....................................................................... 10
Hình 1.6.Các chức năng của các phần tử E-UTRAN. .................................... 11
Hình 1.7.Các giai đoạn cơ sở của SON........................................................... 12
Hình 1.8.Tự cấu hình trạm gốc eNodeB trong mạng LTE. ............................ 13
Hình 1.9.Ví dụ về OFDMA............................................................................. 21
Hình 1.10.So sánh OFDM với OFDMA. ........................................................ 22
Hình 1.11.So sánh OFDM với OFDMA. ........................................................ 23
Hình 1.12.Tạo ra các khoảng bảo vệ cho các ký hiệu OFDM. ....................... 23
Hình 1.13.Ký hiệu tham chiếu trải trên ký hiệu và sóng mang con OFDM. .. 24
Hình 1.14.Tài nguyên OFDMA cấp phát trong LTE. ..................................... 25
Hình 1.15.Cấu trúc khung cho đường xuống E-UTRA. ................................. 26
Hình 1.16.Sơ đồ khối DFT-S-OFDM. ............................................................ 27
Hình 1.17.Phương pháp phân phối sóng mang con cho nhiều thuê bao......... 28
Hình 1.18.Phát và thu hướng lên LTE. ........................................................... 29
Hình 1.19.CM với OFDMA và SC-FDMA. ................................................... 30
Hình 1.20.Cấu trúc khe đường lên. ................................................................. 31
Hình 2.1.Kết hợp anten thu tuyến tính. ........................................................... 34
Hình 2.2.Các kênh truyền trong kết hợp anten thu tuyến tính. ....................... 35
Hình 2.3.Kịch bản đường xuống với một nguồn nhiễu vượt trội chỉ có hai
anetn thu. ......................................................................................................... 36
Hình 2.4.Xử lý tuyến tính không gian thời gian hai chiều (hai anten thu). .... 38
Hình 2.5.Xử lý tuyến tính không gian/tần số hai chiều (hai anten). ............... 39

xiii

Hình 2.6.Hai anten phân tập trễ. ..................................................................... 41
Hình 2.7.Phân tập trễ vòng (CDD) hai anten phát. ......................................... 41
Hình 2.8.Phân tập phát không gian thời gian (STTD). ................................... 42
Hình 2.9.Phân tập phát không gian- tần số với hai anten phát. ...................... 43
Hình 2.10.Tạo búp kinh điển với tương quan anten tương hỗ cao:(a) cấu hình
anten và (b) cấu trúc búp. ................................................................................ 44
Hình 2.11.Tạo búp dựa trên bộ tiền mã hóa trong trường hợp tương quan
anten tương hỗ thấp. ........................................................................................ 45
Hình 2.12.Tiền mã hóa cho từng sóng mang con trong trường hợp OFDM (hai
anten phát). ...................................................................................................... 48
Hình 2.13.Cấu hình anten 2x2......................................................................... 50
Hình 2.14.Thu tuyến tính/giải điều chế các tín hiệu ghép kênh không gian. . 50
Hình 2.15.Ghép kênh không gian dựa trên bộ tiền mã hóa. ........................... 52
Hình 2.16.Trực giao hóa các tín hiệu ghép không gian bằng cách tiền mã hóa.
......................................................................................................................... 53
Hình 2.17.Truyền dẫn một từ mã (a) và truyền dẫn nhiều từ mã (b). ............. 55
Hình 2.18.Giải điều chế/giải mã các tín hiệu ghép không gian dựa trên khử
nhiễu lần lượt (SIC)......................................................................................... 56
Hình 3.1.Nguyên tắc truyền dữ liệu ở MIMO. ............................................... 58
Hình 3.2.Giới hạn Shannon được minh họa dưới dạng đồ thị. ....................... 60
Hình 3.3.Mô phỏng giữa ghép kênh không gian và phân tập phát ................. 62
Hình 3.4.Sơ đồ MIMO cho giao diện UTRA FDD. ....................................... 63
Hình 3.5.Cấu trúc MIMO trong hệ thống LTE (Rel’ 8). .............................. 65
Hình 3.6.Mã hóa không gian - thời gian khi ở MIMO 2x2. ........................... 66
Hình 3.7.Mã hóa đa tần Alamouti. .................................................................. 67
Hình 3.9.Độ lợi ở tốc độ truyền dữ liệu khi ở MIMO (2x2) và SISO (1x1). . 69
Hình 3.10.Sự phụ thuộc hiệu quả phổ vào tỷ số tín hiệu/tạp âm khi ở MIMO.
......................................................................................................................... 70

Hình 3.11.Topo anten MIMO. ........................................................................ 71


xiv

Hình 3.12.Các cấu hình có thể có của anten MIMO trong LTE. .................... 72
Hình 3.13.Hiệu quả các topo của anten MIMO. ............................................. 73
Hình 3.14.Các kịch bản sử dụng anten MIMO trong các thiết bị đầu cuối thuê
bao. .................................................................................................................. 75
Hình 3.15.Các chế độ SU-MIMO và MU-MIMO trong LTE. ....................... 76
Hình 3.16.Ảnh hưởng bậc ghép không gian ở cấu trúc 4x4 MIMO. .............. 78
Hình 3.17.Mô hình kênh 2 x 2MIMO. ............................................................ 79
Hình 3.18.Mã hóa sơ bộ trong LTE/MIMO.................................................... 82
Hình 3.19.Biến đổi bình phương magic cho mã hóa nhiều tần số. ................. 84
Hình 3.20.Cấu trúc bộ phát trong LTE. .......................................................... 86
Hình 3.21.Cấu trúc bộ thu trong LTE. ............................................................ 87
Hình 3.22.Sơ đồ cấu trúc bộ thu LTE. ............................................................ 88
Hình 3.23.Sơ đồ cấu trúc thiết bị đầu cuối thuê bao LTE. ............................. 88
Hình 3.24.Các nguyên tắc MU-MIMO ở đường lên (cấu hình anten 2x2). ... 92
Hình 3.25.Các chế độ MIMO trong LTE. ....................................................... 98


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại bùng nổ của công nghệ thông tin hiện nay, thông tin di
động liên tục có những bước phát triển nhanh chóng và thay đổi mạnh mẽ.
Mạng thông tin di động thế hệ 3 UMTS ra đời để khắc phục các hạn chế của
các mạng thông tin di động trước đó và đang được triển khai rộng rãi. Tuy

nhiên với nhu cầu phát triển hiện nay thì thông tin di động 3G vẫn chưa đáp
ứng yêu cầu ngày cao của người sử dụng dịch vụ và khả năng đáp ứng các
dịch vụ về thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa đủ, chưa đáp ứng
được các yêu cầu nâng cao như: khả năng tích hợp các mạng khác chưa tốt,
tính mở của mạng chưa cao, tài nguyên bang tần v.v…
LTE (Long Term Evolution) là mạng thông tin di động thế hệ thứ tư
(4G) do 3GPP xây dựng. LTE là nỗ lực phát triển của nhưng nhà nghiên cứu
nhằm tạo ra một hệ thống thông tin di động có tốc độ truyền tải dữ liệu cao
hơn, chất lượng dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và
băng tần mới, đơn giản kiến trúc mạng với giao tiếp mở, giảm đáng kể năng
lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối v.v… Khắc phục các hạn chế của mạng
thông tin di động thế hệ thứ 3.
Trong bối cảnh như vậy việc triển khai đề tài: “Nghiên cứu công nghệ
MIMO trong hệ thống thông tin di động 4G/LTE” là rất cần thiết. Nội dung đề
tài là nghiên cứu về công nghệ sử dụng trong mạng thông tin di động 3G và
4G. Tổng quan đánh giá về công nghệ trong hệ thống MIMO cũng như ứng
dụng của MIMO trong LTE.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề chính sau:
- Nghiên cứu các công nghệ sử dụng trong hệ thống LTE.
- Nghiên cứu kỹ thuật đa anten.
- Nghiên cứu cộng nghệ MIMO trong hệ thống UMTS.


2

- Nghiên cứu công nghệ MIMO trong hệ thống 4G/LTE.
- Các đặc điểm ứng dụng MIMO trong LTE.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Đưa ra các kỹ thuật, kiến thức cơ bản về
các hệ thống anten. Công nghệ đa anten MIMO sử dụng trong hệ thống thông

tin di động. Các vấn đề về cấu trúc, các phương pháp kỹ thuật và đặc điểm
của ứng dụng MIMO trong hệ thống LTE.
3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan về kiến trúc và các công nghệ sử dụng trong hệ
thống 4G/LTE.
- Nghiên cứu về kỹ thuật đa anten được sử dụng trong hệ thống thông tin
di động.
- Công nghệ MIMO trong hệ thống thông tin di động 3G và 4G.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nội dung của luận văn được thực hiện trên cơ sở thu thập, nghiên cứu và
tổng hợp các tài liệu khoa học về công nghệ MIMO và ứng dụng trong hệ
thống thông tin di động 4G/LTE.
5. Kết cấu của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển đề tài, tài liệu tham
khảo, luận văn có kết cấu gồm 03 chương:
Chương 1: Tổng quan về kiến trúc và các công nghệ sử dụng trong hệ
thống 4G/LTE
Chương 2: Kỹ thuật đa anten
Chương 3: Công nghệ MIMO trong hệ thống 4G/LTE


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC VÀ CÁC CÔNG
NGHỆ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 4G/LTE
Trong chương một giành cho việc nghiên cứu các nội dung sau:
• Tiến trình phát triển giao diện vô tuyến trong hệ thống UMTS/HSPA/
LTE.
• Cấu trúc hệ thống LTE.
• Công nghệ MIMO trong hệ thống LTE.

• Các phương pháp đa truy nhập trong hệ thống LTE.
1.1.Tiến trình phát triển giao diện vô tuyến trong hệ thống UMTS/HSPA/
LTE
IMT-2000 and beyond (International Mobile Telecommunications 2000
and beyond) là đề án tiêu chuẩn hóa thống thông tin di động thế hệ ba và tiếp
theo, sau đó được gọi đơn giản là IMT. Tiến trình phát triển IMT lên hệ thống
thế hệ mới 4G (IMT ADVANCED) được nêu trong khuyến nghị ITU-R
M.1645.
Giao diện vô tuyến UMTS, cũng như tất cả kiến trúc mạng của hệ thống,
đang ở trong giai đoạn của tiến trình phát triển. Tiến trình phát triển hệ thống

Tiến trình phát triển mạng di động

IMT ở dạng các chu trình công nghệ được chỉ ra trên hình 1.1 [5].

1990

LTE

UMTS/HSPA

GSM/EDGE

2000

2010

2020

Hình 1.1. Các chu trình công nghệ IMT.

2030


4

1.1.1. Các giai đoạn phát triển giao diện vô tuyến UMTS
Như đã nêu ở trên, các giai đoạn hoàn thiện giao diện vô tuyến UMTS
được xác định qua các phiên bản tương ứng đặc tả 3GPP. Các giai đoạn này
được chỉ ra trên hình 1.2 [5].
1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

Release 99
UMTS
Release 4

Release 5

HSDPA (IMS)

Release 6

HSUPA (MBMS, IMS +)

Release 7

HSPA +/MIMO (MBSFN)

Release 8

ITU – R M . 1457

LTE (EPC); HSPA +/MIMO/DC

Release 9

LTE; HSPA +/MIMO/DC/DB

ITU – R M . 1645

Release 10

LTE – Advanced
HSPA +/MC

Hình 1.2. Các giai đoạn phát triển giao diện vô tuyến UMTS.
Các đặc tính chung của các phiên bản này được chỉ ra dưới đây:
• Release 99 : Xác định chuẩn cơ bản của hệ thống UMTS.
• Release 4 : Không có sự thay đổi trong các nguyên tắc cơ bản của giao
diện vô tuyến mà chỉ đưa miền chuyển mạch gói PS (Packet Switched) vào
kiến trúc mạng.
• Release 5: Đặc điểm ở phiên bản Rel'5 là : Áp dụng vào giao diện vô
tuyến (“đường xuống”) chế độ truyền dữ liệu gói tốc độ cao HSDPA (High
Speed Downlink Packet Access) với điều chế 16QAM. Đưa vào (phas1) hệ
thống con đa phương tiện - IP viết tắt là IMS (IP Multimedia Subsystem) đảm
bảo mềm hóa chức năng của giao diện vô tuyến không phụ thuộc vào kiến trúc


5

mạng. Xây dựng mạng truy nhập vô tuyến trên cơ sở giao thức IP (IP
UTRAN).
• Release 6: Áp dụng vào giao diện vô tuyến (“đường lên”) chế độ truyền
dữ liệu gói tốc độ cao HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Xác định

tiếp đó phát triển hệ thống con IMS (IMS+), áp dụng chế độ quảng bá dữ liệu
MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) - Dịch vụ quảng bá và phát
đa hướng đa phương tiện. Xác định tích hợp mạng UMTS và truy nhập không
dây băng rộng WLAN.
• Release 7: Các đặc điểm cơ bản của phiên bản Rel'7 là : hệ thống con
vô tuyến được tăng cường (giao diện vô tuyến) Enhancement UTRAN với trễ
thời gian nhỏ ở mạng vô tuyến. Hoàn thiện hai chế độ truyền dữ liệu gói tốc
độ cao “đường xuống” và “đường lên” HSPA Evolution (HSPA+ - High
Speed Packet Access+). Áp dụng điều chế bậc cao hơn 64QAM (DL) và
16QAM (UL). Tăng hiệu quả sử dụng phổ tần trong mạng truy nhập vô tuyến
trên cơ sở sử dụng công nghệ MIMO. Tối ưu hóa khả năng MBMS nhờ sử
dụng các chức năng mạng đơn tần quảng bá/đa dịch vụ MBSFN
(Multicast/Broadcast Single Frequency Network).
• Release 8: Xác định tiếp đó phát triển giao diện vô tuyến HSPA+. Đặc
điểm cơ bản ở phiên bản là khả năng đồng thời sử dụng MIMO và điều chế
64QAM. Áp dụng vào Node В chế độ hai tần số sóng mang HSPA+/DC
(Dual Carrier), cho phép tăng gấp đôi dung lượng trạm gốc nhờ hợp nhất hai
kênh tần số liền kề. Áp dụng vào lõi gói phát triển ЕРС (Evoled Packet core)
và giao diện vô tuyến hệ thống LTE kỹ thuật đa truy nhập mới dựa trên phân
chia theo tần số trực giao OFDMA (DL) và SC-FDMA (UL).
• Release 9: xác định phát triển tiếp đó giao diện vô tuyến LTE và
HSPA+ trong đó đồng thời sử dụng MIMO và hai tần số sóng mang. Tính
năng Femto-cell (Home Node В). Áp dụng khả năng hai tần số sóng mang ở
đường xuống trong các băng tần khác nhau (không liền kề) HSPA+/DC/DB
(Dual Carrier/Dual Band) và trong hai tần số sóng liền kề ở đường lên. Tính


6

năng sử dụng kết hợp ở đường xuống hai tần số sóng mang và công nghệ

MIMO, trong đó một tần số sóng mang không sử dụng MIMO. Áp dụng việc
lưa chọn truyền một luồng dữ liệu ở MIMO trong chế độ Beamforming (“Một
luồng MIMO” hoặc “ MIMO với một luồng hạn chế ”) theo hướng phát triển
phiên bản Rel'7. Chế độ này có thể riêng biệt cho mỗi sóng mang và sử dụng
để truyền dữ liệu cho các thuê bao không MIMO.
• Release 10 : đang nằm giai đoạn kết thúc, thời hạn từ 2011-2012. Xác
định các tính năng của hệ thống hoàn thiện LTE (LTE-Advanced). Áp dụng
khả năng sử dụng một số (lớn hớn hai) tần số sóng mang HSPA+/MC (Multi

Hiệu quả phổ bit/s/Hz/setor

Carrier).

Hình 1.3. Hiệu quả phổ của các giao diện vô tuyến khác nhau.
• Release 11: bắt đầu tiến hành hướng đến phát triển giao diện vô tuyến
LTE-Advanced và HSPA+. Mỗi cấu hình đưa ra của giao diện vô tuyến đảm
bảo tính hiệu quả về phổ khác nhau, đạt được nhờ sử dụng các loại điều chế


7

khác nhau và cấu hình MIMO. Trên hình 1.3 [11] đưa ra tiến trình phát triển
hiệu quả phổ các giao diện vô tuyến UMTS/HSPA và LTE so sánh với Cdma
2000 và WiMAX.
Trong tất cả các giao diện vô tuyến triển vọng hơn cả là giao diện vô
tuyến LTE do xây dựng dựa trên đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
OFDMA. Các nguyên tắc xây dựng cho giao diện vô tuyến là cơ sở cho hệ
thống IMT thế hệ sau [5].
Các đặc điểm chính của giao diện:
• Dung lượng cao;

• Trễ thời gian trong mạng vô tuyến giảm;
• Đảm bảo tính di động đầy đủ trong mạng vô tuyến;
• Kiến trúc cơ sở - IP;
• Băng tần kênh thay đổi mềm;
• Tương thích với các hệ thống các phiên bản trước đó;
• Tương thích với các hệ thống không phải 3 GPP;
• Chất lượng dịch vụ tốt hơn.
1.1.2. Chuẩn hóa các hệ thống IMT-Advanced
Ngoài các tài liệu của liên minh viễn thông quốc tế được kể trên, hướng
phát triển hệ thống IMT-2000 được đưa ra trong khuyến nghị ITU-R M.1645,
ở đây xem xét các khả năng thiết lập giao diện vô tuyến IMT-Advanced, cách
thức đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu trên 500 Mb/s cho các thuê bao với tính di
động cao và 1 Ggb/s cho các thuê bao với tính di động ít. Trên cơ sở giao
diện vô tuyến như vậy đưa ra các nguyên tắc hướng đến nâng cao hiệu quả hệ
thống và trước tiên là nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên có hạn,
dung lựong mạng và chất lượng các dịch vụ đưa ra [3].
Hiện nay các giao diện vô tuyến LTE-Advanced (3GPP) và Wireless
MAN-Advanced (IEEE 802.16m) đáp ứng cho các chuẩn đưa ra theo chọn lựa
giao diện vô tuyến cho hệ thống IMT-Advanced. Các yêu cầu cơ bản đối với
giao diện vô tuyến LTE-Advanced được trình bày trong các báo cáo kỹ thuật


8

3GPPTR 36.912 và TR 36.913, cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật 3GPP
(Rel'10).
Tương quan các tham số cơ bản giao diện vô tuyến LTE-Advanced và
các yêu cầu đối với giao diện vô tuyến IMT-Advanced nêu trong bảng 1.1 [3].
Bảng 1.1. Các tham số cơ bản giao diện vô tuyến IMT-Adv và LTE-Adv.
Các tham số

IMT-Advanced

LTE-Advanced

Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (DL)

1 Ggh/s

Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất (UL)

500 Mb/s

Độ rộng phổ yêu cầu (kênh)

Đến 40 Mhz

Đến 100 Mhz

Độ trễ thời gian trong mạng

10 ms

10 ms

Hiệu quả phổ lớn nhất (DL)

15 bit/s/hz

30 bit/s/hz

Hiệu quả phổ lớn nhất (UL)

6,75 bit/s/hz

15 bit/s/hz

Hiệu quả phổ trung bình (DL)

2,2 bit/s/hz

2,6 bit/s/hz

Hiệu quả phổ trung bình (UL)

1,4 bit/s/hz

2 bit/s/hz

1.2. Cấu trúc hệ thống LTE
1.2.1. Các đặc tính tổng quát của LTE
Các thuộc tính cơ bản khác biệt ở LTE là [3]:
• Phát triển kiến trúc mạng SAE (System Architecture Evolution);
• Công nghệ truy nhập mới, dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing);
• Công nghệ hệ thống đa anten MIMO (Multi-Input Multi-Output).
1.2.2. Kiến trúc mạng LTE
Kiến trúc mạng SAE đảm bảo:
• Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn;
• Trễ thời gian so sánh nhỏ hơn;

• Đa năng trong kết nối với các hệ thống đa truy nhập khác nhau và
hướng hoàn toàn vào truyền dữ liệu, trong đó có thoại, theo giao thức IP.


9

Kiến trúc mạng được phân biệt ở số ít các phần tử mạng, dẫn đến giảm
đáng kể thời gian trễ gói trong mạng. Về sau SAE được gọi là hệ thống gói
phát triển EPS (Evolved Packet System) [3].
Các thành phần cấu trúc của EPS là:
• Mạng truy nhập vô tuyến đã hoàn thiện E-UTRAN (Evolved Universal
Terrestrial Radio Access).
• Mạng lõi IP (Evolved Packet Core).
Mạng lõi EPC đảm bảo việc truy nhập mềm (được chỉ ra trên hình 1.4)
với:
• Các mạng vô tuyến khác nhau chuẩn 3GPP(UMTS/HSPA, Femtocell,
LTE, WLAN 3GPP);
• Cũng như các chuẩn khác không phải 3GPP(non-3GPP);
• Qua các giao diện tương ứng.

Kiến trúc UMTS và LTE
Mạng lõi
chuyển mạch
kênh

f
lu

Giao

diện

s
lu - c
MSC

RNC2
Giao diện lub

Node B

Mạng lõi
chuyển mạch
gói

Giao diên lu - ps

RNC1
SGSN

X2

LTE

eNode B
Mạng lõi
chuyển mạch
gói tiên tiến
Giao diện S1

eNode B

Hình 1.4. Kiến trúc mạng LTE.


10

Mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN gồm các phần tử mới:
• Ở mặt phẳng người sử dụng (User Plane) là trạm gốc eNodeB (Evolved
Node В - eNB) và nút cổng dịch vụ SGW (Serving Gateway);
• Ở mặt phẳng điều khiển (Control Plane) là thực thể quản lý di động
ММЕ (Mobility Management Entity).
Các trạm gốc liên hệ với nhau trong mạng vô tuyến bằng giao diện Х2.
Như đã chỉ ra trên hình 1.5 thì nút ММЕ thực hiện chức năng quản lý, được
tách từ nút SGW bằng giao diện mạng dạng mở S11. Kiến trúc này cho phép
tiến hành chọn tỷ lệ độc lập ở mặt phẳng người sử dụng và điều khiển khi tối
ưu hóa mạng [10].

S5
S4
Parket GW

EPC

SGSN

S5/S8

RNC

S10 MME
S12

S11
MME
Serving GW

S1-MME
S1-MME

S1-U
S1-U

X2

eNodeB

X2

UMTS/GPRS

eNodeB
E-UTRAN

X2

Rel’8 và sau đó

Rel’7 và trước đó

eNodeB

Hình 1.5. Kiến trúc E-UTRAN.


11

Các chức năng của các phần tử E-UTRAN được chỉ ra trên hình 1.6.
MME

eNB
Lập biểu động tài nguyên
mạng vô tuyến

Phân phối các bản tin ngắn
giữa các eNB

Đo liên quan đến chuyển giao,
đưa ra dạng tính toán cấu trúc
mạng vô tuyến

Quản lý đảm bảo an toàn, bảo mật
và bảo vệ các lệnh báo hiệu
Nhận thực

Chọn MME vào kết nối
Nén tiêu đề gói IP và bảo mật

S1

Quản lý di động :chọn MME cho
chuyển giao,chọn SGSN cho
chuyển giao mạng ở 2G và 3G
(3GPP)

Định tuyến dữ liệu
người sử dụng
Lập biểu và quảng bá
các bản tin ngắn

Giám sát quyền truy
nhập vào mạng
AGW
Xác định điểm truy
nhập đến ЕРС
Tạo đệm gói dữ liệu
người sử dụng
Định tuyến và
gửi lại gói dữ liệu.

Hình 1.6. Các chức năng của các phần tử E-UTRAN.
1.1.3. Tự động tự cấu hình và tự tối ưu mạng SON
Sau đặc tính cho kiến trúc mạng LTE, tiếp theo là các chức năng tự cấu
hình tự động và tự tối ưu mạng SON (Self-Optimizing Networks) [5].
Các chức năng này ra đời như một yêu cầu then chốt đối với đa công
nghệ mạng phức tạp, đưa ra tích hợp giữa 2G, 3G, 4G, WiMAX và sử dụng
trong phân cấp như các ô pico và Femto.
Các chức năng SON đã được chuẩn hóa trong khuôn khổ 3GPP, bắt đầu
với Rel'8 là phát triển tự nhiên các thuật toán điều khiển tương thích đã sử
dụng trong hệ thống IMT-2000 (điều khiển động công suất phát, lập biểu các

tài nguyên mạng vô tuyến RRC…) và mở rộng phạm vi tự động hóa quá trình
quản lý tổng thể mạng.
Có thể chia ra hai lý do chính tính cần thiết của việc tự động hóa này: