CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN LUẬN VĂN 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI: Những năm gần đây, nhu cầu thông tin liên lạc của xã hội ngày càng tăng và sự xuất hiện ngày càng nhiều các thiết bị trao đổi dữ liệu di động như điện thoại thông minh, laptop,… đã dẫn đến yêu cầu kiểm soát nghẽn mạng và cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho người sử dụng càng trở nên cấp thiết. Thể hiện qua các số liệu khảo sát về nhu cầu trao đổi dữ liệu di động trong giai đoạn từ năm 2013 và dự kiến đến 2018 ở hình 1. Một trong những phương pháp truyền thống của việc giải quyết vấn đề nhiễu và lưu lượng nói trên là giảm thiểu khoảng cách giữa máy phát và máy thu hoặc triển khai thêm nhiều trạm gốc BS (Base Station) trong mạng. Tuy nhiên, đối với một hệ thống gồm các cell cỡ lớn như Macrocell, Picocell (bán kính phủ sóng đến vài kilomet) thì phương pháp này có thể không khả thi về mặt kinh tế và gây ra lãng phí công suất.1 : Nhu cầu trao đổi dữ liệu từ 2013 và dự kiến đến 2018 (Cisco VNI Mobile 2014) 1 Hình 1.2 : Lộ trình phát triển mạng thông tin di động từ 1G đến 4G (The Evolution of Mobile Technologies, www.2 thể hiện lộ trình phát triển mạng thông tin di động trải qua các thế hệ từ 1G đến 4G, cho thấy sự phát triển không ngừng của các công nghệ thông tin di động để đáp ứng các nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của xã hội.
Thế hệ di động 4G - LTE (Long Term Evolution) ra đời đã giúp giải quyết bài toán về dung lượng hệ thống so với các thế hệ trước. Sử dụng các kỹ thuật MIMO, OFDM, SC-FDM cùng với kiến trúc mạng mới đã giúp LTE có khả năng cung cấp dịch vụ tốt hơn, giảm chi phí và độ trễ, sử dụng linh hoạt các nguồn tài nguyên và băng thông. Tuy nhiên, lại đặt ra vấn đề mới về can nhiễu khi mà công suất can nhiễu vẫn không mất đi và cường độ can nhiễu lại tăng lên đáng kể ở máy thu. Bên cạnh đó, một thách thức lớn cho các hệ thống truyền thông không dây các thế hệ tiếp theo là cải thiện vùng phủ sóng trong nhà, các khu vực công cộng tập trung đông số lượng các UE (User Equipment) như sân bay, nhà ga, hoặc ở các vùng có đặc thù địa lý khó khăn như các tòa nhà cao tầng, tầng hầm,… 2 Để giải quyết những vấn đề nêu trên, các trạm femtocell được coi là một lựa chọn đầy hứa hẹn cho các nhà khai thác dịch vụ di động để cải thiện vùng phủ sóng mạng, đặc biệt là bên trong các tòa nhà và đảm bảo cung cấp kết nối tốc độ cao phổ biến cho người dùng.
Cải thiện tối đa lưu lượng và giải quyết gánh nặng về chi phí so với hệ thống các cell cỡ lớn. Do đó, việc nghiên cứu, đánh giá dung lượng và khả năng giảm can nhiễu giữa các ở femtocell trong hệ thống LTE là rất thiết thực và cần được quan tâm.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY Hệ thống LTE và LTE-Advanced sử dụng những công nghệ và kiến trúc mới đang phát triển mạnh mẽ, và dự kiến sẽ trở thành chuẩn truyền thông chủ đạo trong tương lai, nhưng bên cạnh đó cũng đặt ra nhiều vấn đề về kỹ thuật cần quan tâm. Trong đó việc nâng cao chất lượng mạng và giảm ảnh hưởng can nhiễu là một trong những vấn đề đặt ra hàng đầu trong việc triển khai hệ thống mạng mới, các phương pháp giải quyết dựa trên kỹ thuật beamforming đã được khảo sát trước đây như mô hình Maximum Ratio Transmission (MRT)[2][3], mô hình Zero-Forcing Beamforming (ZFBF)[2], mô hình Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio Maximizing Beamforming (SLNR)[2][4][6] đã mang lại những hiệu quả tích cực nhưng chưa giải quyết được hiệu quả công suất ở máy thu cũng như khảo sát triệt để các nguồn nhiễu. Luận văn đặt ra yêu cầu sử dụng kỹ thuật phối hợp đa điểm beamforming để giải quyết vấn đề tối ưu tỷ số SINR và dung lượng hệ thống.3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Luận văn tập trung vào khảo sát và phát triển kỹ thuật truyền phối hợp đa điểm beamforming giữa các femtocell để giảm nhiễu liên cell và nâng cao dung lượng kênh truyền.
Khái quát mạng thông tin di động vô tuyến trong giai đoạn hiện nay, đưa ra những giải pháp cải thiện dung lượng cho kênh đường xuống. 3 Đánh giá được ảnh hưởng của kỹ thuật beamforming đối với chất lượng hệ thống femtocell – LTE. Đánh giá các kỹ thuật beamforming và lựa chọn kỹ thuật phù hợp và đề ra các hướng phát triển khả thi trong tương lai. Hiệu suất của hệ thống femtocell chủ yếu được đánh giá thông qua các thông số về dung lượng hệ thống và tỉ số công suất tín hiệu can nhiễu và tạp âm (Signal to interference plus noise ratio – SINR).
Khi áp dụng kỹ thuật beamforming, các thông số trên sẽ phụ thuộc thêm vào các nhân tố điều hướng tín hiệu phát, thể hiện qua vector beamforming. Nhiệm vụ luận văn: tiến hành khảo sát và mô hình hóa vector beamforming này trong mối quan hệ giữa các femtocell để tối ưu các thông số về dung lượng và SINR nêu trên. Mô phỏng trạng thái kênh truyền và hệ thống để kiểm chứng tính chính xác và hiệu quả của các lý thuyết đã đề ra.4 PHẠM VI VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận văn sẽ tập trung khảo sát và mô phỏng kỹ thuật phối hợp truyền đa điểm trong quảng bá (broadcast) đến người sử dụng. Mô hình hóa kênh truyền, khảo sát dung lượng hệ thống để thiết lập các giải thuật tính toán dung lượng và công suất truyền.
Từ đó tối ưu các giải thuật này và mô phỏng hệ thống femtocell, kênh truyền bằng phần mềm MATLAB. Đối chiếu các kết quả thu được với lý thuyết, đánh giá và so sánh với các mô hình khác.5 NỘI DUNG LUẬN VĂN Chương 2. Cơ sở lý thuyết: Chương này trình bày những lý thuyết liên quan đến nội dung nghiên cứu luận văn, gồm các mảng chính: Lý thuyết về công nghệ mạng LTE. Lý thuyết về kỹ thuật phân tập antenna và hệ thống MIMO – OFDM.
Lý thuyết về femtocell. Nhiễu giữa các femtocell và kỹ thật truyền phối hợp đa điểm CoMP. Lý thuyết về mô hình kênh truyền Winner sử dụng trong luận văn. Xây dựng thuật toán tối ưu hóa dung lượng kênh truyền và giảm can nhiễu cho hệ thống MIMO femtocell trong mạng LTE bằng kỹ thuật truyền phối hợp đa điểm CoMP Beamforming và các thuật toán tối ưu.
Kết quả mô phỏng: Tiến hành mô phỏng dựa trên những kết quả được rút ra ở các phần trước. Thông qua các kết quả mô phỏng nhận được, so sánh và đánh giá để kiểm chứng lại các giả thuyết và các kết quả nghiên cứu. Kết luận: Đánh giá các kết quả đạt được và những vướng mắc tồn tại của luận văn, trên cơ sở đó đề xuất các hướng phát triển tiếp theo. 5 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để có cái nhìn chi tiết và tiếp cận sâu hơn với đề tài, chương này sẽ trình bày các mảng lý thuyết kỹ thuật có liên quan như các chuẩn và công nghệ truyền thông trong thông tin vô tuyến, kênh truyền và lý thuyết về phổi hợp truyền đa điểm (CoMP).
Những cơ sở lý thuyết này sẽ là tiền đề để phát triển những giải thuật ở các phần sau.1 CÔNG NGHỆ MẠNG LTE: Hệ thống LTE và LTE-Advanced là những hệ thống mạng mới đang phát triển mạnh mẽ, và dự kiến sẽ trở thành chuẩn truyền thông chủ đạo trong tương lai. Bên cạnh đó, những lý thuyết và quy chuẩn của kỹ thuật truyền phối hợp CoMP sẽ khảo sát trong đề tài cũng được định nghĩa để phục vụ cho hệ thống LTE. Phần này trình bày những kiến thức tổng quát và kiến trúc mạng của hệ thống LTE.1 Giới thiệu LTE: LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thứ 4 (hay còn gọi là 4G), hệ thống này được kỳ vọng có những tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3G trước đó[7]. Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai.
Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói, tính di động linh hoạt và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Các đặc điểm của hệ thống LTE: Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mb/s và 86Mb/s ở đường lên tới với cấu hình 4x4 MIMO ( multiple input multiple output ) trong vòng 20MHZ băng thông. 6 Dải tần linh hoạt: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ 1.5MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Điều này dẫn đến sự linh hoạt và sử dụng hiệu quả băng thông.
Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng. Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm đi một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào, hoặc có khả năng hỗ trợ lên đến 500km/h tùy thuộc vào băng tần. Giảm độ trễ trên mặt phẳng ngƣời sử dụng và mặt phẳng điều khiển : - Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển: Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối ( UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền. Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms.
- Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định. Giao diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ dưới 10ms cho việc truyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE. Sẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả sẽ dựa trên IP. Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa.
