MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU x

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G+ 1

1.1. Mở đầu 1

1.2. Sự phát triển của thông tin di động 1

1.3. Tổng quan HSPA+ 4

1.3.1. Khả năng của HSPA+ 5

1.3.2. Đặc tính của HSPA+ 5

1.3.2.1. MIMO 6

1.3.1.2. Điều chế bậc cao HOM 6

1.3.1.3. Kết nối gói liên tục CPC 7

1.4. Tổng quan công nghệ LTE 9

1.4.1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE 10

1.4.1.1. Các khả năng của LTE 10

1.4.1.2. Hiệu năng hệ thống 11

1.4.1.3. Các khía cạnh liên quan tới triển khai 13

1.4.1.4. Quản lí tài nguyên vô tuyến 15

1.4.1.5. Các vấn đề về mức độ phức tạp 15

1.5. Tổng kết 16

CHƯƠNG 2 17

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐA ANTEN 17

2.1. Mở đầu 17

2.2. Cấu hình đa anten 17

2.3. Lợi ích của kỹ thuật đa anten 18

2.4. Mô hình MIMO tổng quát 18

2.5. Kênh SVD MIMO 20

2.5.1. Mô hình kênh SVD MIMO 20

2.5.2. Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu 24

2.6. Đa anten thu 25

2.6.1. Mô hình kênh phân tập anten thu 25

2.6.2. Sơ đồ kết hợp chọn lọc SC 26

2.6.3. Sơ đồ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC 27

2.6.4. Kết hợp loại bỏ nhiễu IRC 29

2.7. Đa anten phát 32

2.7.1. Phân tập phát 33

2.7.1.1. Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thu 33

2.7.1.2. Sơ đồ Alamouti hai anten phát và Nr anten thu 37

2.7.1.1. Phân tập trễ 40

2.7.1.2. Phân tập trễ vòng CDD 41

2.7.1.3. Phân tập bằng mã hóa không gian thời gian 42

2.7.1.4. Phân tập dựa trên mã hóa không gian-tần số 43

2.7.2. Tạo búp sóng phía phát 44

2.8. Ghép kênh không gian 47

2.8.1. Nguyên lý cơ bản 47

2.8.2. Ghép kênh dựa trên tiền mã hóa 51

2.8.3. Xử lý bộ thu phi tuyến 53

2.9. Tổng kết 54

CHƯƠNG 3 55

KỸ THUẬT ĐA ANTEN TRONG HSPA+ VÀ LTE 55

3.1. Mở đầu 55

3.2. Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ 55

3.1.1. Truyền dẫn HSDPA-MIMO 56

3.1.2. Điều khiển tốc độ cho HSDPA-MIMO 60

3.1.3. HARQ kết hợp mềm cho HSDPA-MIMO 61

3.1.4. Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO 61

3.1.5. Hỗ trợ kênh điều khiển đường lên MIMO 64

3.1.6. Năng lực UE 69

3.3. Kỹ thuật đa anten trong LTE 71

3.3.1.Phân tập phát sử dụng mã hóa khối không gian- tần số hai anten SFBC 72

3.3.2. Phân tập trễ vòng CDD 73

3.3.2. Tạo búp sóng 73

3.3.3. Ghép kênh không gian 74

3.3.4. Tín hiệu hoa tiêu truyền dẫn đa anten đường xuống 76

3.4. Tổng kết 77

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI NÓI ĐẦU

Trong tiến trình phát triển của xã hội loài người, sự ra đời của thông tin di động là một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển, là lĩnh vực tiên phong, điều kiện kiên quyết cũng như cơ hội để mỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát triển, tránh nguy cơ lạc hậu, tăng cường năng lực cạnh tranh. Cho đến nay, thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin di động tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA). Thông tin di động thế hệ hai sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và theo mã (CDMA). Ngày nay, công nghệ thông tin di động 3G đã được đưa vào thương mại hóa, nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng như tốc độ dữ liệu vẫn ngày càng tăng. Do đó, sự phát triển sau 3G đang được các tổ chức đặc biệt là 3GPP nghiên cứu triển khai. Tiểu biểu cho công nghệ thông tin di động sau 3G là HSPA phát hành 7 (HSPA+) và LTE. Để đáp ứng nhu cầu về chất lượng dịch vụ và tốc độ dữ liệu, các công nghệ này đã được bổ sung thêm nhiều đặc tính mới và tiến bộ, một trong số đó là kỹ thuật đa anten MIMO.

Những năm gần đây các hệ thống đa anten MIMO đã trở thành các chủ đề thu hút nhiều tổ chức nghiên cứu trên toàn cầu. Hệ thống MIMO rất có triển vọng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau bởi lẽ nó không chỉ cho phép đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn nữa mà còn có tính khả thi về phần cứng cũng như phần mềm do sự tiến bộ của các công nghệ xử lý tín hiệu số DSP và biến đổi tương tự số tốc ADC độ cao.

Với mục đích tìm hiểu sâu về kỹ thuật MIMO và ứng dụng thực tiễn của nó cũng như xu hướng phát triển của thông tin di động, em đã chọn đề tài “Kỹ thuật đa anten trong công nghệ thông tin di động 3G+”

Nội dung tìm hiểu của đồ án gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đề sau:

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

Chương 1 của đồ án sẽ giới thiệu một cách khái quát về sự phát triển của hệ thống thông tin di động đồng thời trình bày những nét cơ bản nhất của hai công nghệ HSPA+ và LTE.

Chương 2:Tổng quan về kỹ thuật đa anten

Trong chương này, đồ án sẽ trình bày một số kỹ thuật đa anten cơ bản nhất cũng như các kỹ thuật đa anten được sử dụng trong hệ thống thông tin di động sau 3G.

Chương 3:Kỹ thuật đa anten trong HSPA+ và LTE

Chương 3 của đồ án trình bàykỹ thuật đa anten sử dụng trong HSPA+ và LTE và một số các vấn đề liên quan.

Do nhiều mặt còn hạn chế đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mang nhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏi những sai sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn.

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Tiến sỹ Nguyễn Phạm Anh Dũng và các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến đã tạo điều kiện tốt trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án. Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã dành cho tôi sự quan tâm, giúp đỡ trong thời gian vừa qua và mong muốn tiếp tục nhận được những tình cảm quý báu đó trong cuộc sống và trong công tác.

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008

Sinh viên

Bùi Thị Thùy Dương

1.1. Mở đầu

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 thông di động toàn 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 công nghệ tế bào mà 3GPP nghiên cứu được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới, với số lượng người sử dụng trên 2 tỷ trong năm 2006. Bước tiến mới nhất của 3GPP là nghiên cứu phát triển 3G lên LTE và SAE. Đi ngược lại thời gian, đồ án sẽ trình bày lịch sử phát triển của hệ thống tế bào khi mới bắt đầu hình thành, ngoài ra đồ án sẽ trình bày tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến của 3G+, đó là HSPA+ và LTE.

1.2. Sự phát triển của thông tin di động

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

Công nghệ thông 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.

Thông thường các công nghệ 1G được triển khai tại một số nước hoặc nhóm các nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế và không có ý định sử dụng cho quốc tế.

Công nghệ thông tin di động 2G

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 vô tuyến. Tính năng cuối cùng chính là yêu 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 toán 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 nhăn 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 thông 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.

Công nghệ thông tin di động 3G

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 thì 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 đã trình bày sự phát triển của thông tin di động và xu hướng tiến vào 4G.

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

Sự phát triển từ WCDMA lên HSPA và LTE diễn ra theo từng giai đoạn, được gọi là phát hành 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 phát hành của 3GPP được trình bày trong hình 1.2

Phát hành 99: (Đã hoàn chỉnh ). 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 phát hành 99. Phiên bản này hỗ trợ cho mạng truy nhập vô tuyến GSM/ EDGE/ GPRS/ WCDMA.

Phát hành 4: (Đã hoàn chỉnh) . Phát hành này hỗ trợ tin nhắn đa phương tiện, kết nối hiệu quả với cơ sở hạ tầng mạng lõi thông qua mạng đường trục IP.

Phát hành 5: (Đã hoàn chỉnh): Bổ sung chính vào phát hành 5 là HSDPA và pha đầu tiên của IMS.

Phát hành 6 : (Đã hoàn chỉnh) . 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.

Phát hành 7:(Chưa hoàn chỉnh). Cung cấp các chức năng dữ liêu GSM nâng cao, đồng thời bao gồm các 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 phát hành 7, HSPA+ còn hỗ trợ dịch vụ VoIP.

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 SAE. Đến năm 2009-2010, LTE và SAE được hy vọng sẽ triển khai.