TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
---------------------

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

KỸ THUẬT MIMO TRONG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 3G+

Người hướng dẫn

: ThS. ĐẶNG THÁI SƠN

Sinh viên thực hiện :
Lớp

:

BÙI QUANG DŨNG
47K-ĐTVT

Vinh, 5/2011


Mở đầu
Thông tin di động ra đời đã trở thành một bước ngoặt lớn trong tiến trình
phát triển của xã hội loài người, và nó đã nhanh chóng trở thành một nghành
công nghiệp tiềm năng, là lĩnh vực then chốt để loài người thu hẹp khoảng cách

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Ths. Đặng Thái Sơn đã nhiệt tình
hướng dẫn và các thầy cô trong khoa điện tử viễn thông đã tạo điều kiện tốt
giúp cho em hoàn thành đồ án này.
Sinh viên
BÙI QUANG DŨNG


Mục lục
DANH MỤC HÌNH VẼ 4
5
DANH MỤC BẢNG BIỂU 5
2.6. Tạo búp sóng phía phát 55
2.7. Ghép kênh không gian 58
2.7.1. Nguyên lý cơ bản 58
2.7.3. Xử lý bộ thu phi tuyến 64

2.8. Kết luận 65
3.1.1. Truyền dẫn HSDPA-MIMO 67
3.1.2. Điều khiển tốc độ cho HSDPA-MIMO 72
3.1.3. HARQ kết hợp mềm cho HSDPA-MIMO 72
3.1.4. Tín hiệu điều khiển cho HSDPA-MIMO 73
3.1.5. Hỗ trợ kênh điều khiển đường lên MIMO 75
3.1.6. Năng lực UE 81
3.2.1. Phân tập phát sử dụng mã hóa khối không gian- tần số hai anten
SFBC 83
3.2.2. Phân tập trễ vòng CDD 84
3.2.3. Tạo búp sóng 84
3.3. Tổng kết 86

DANH MỤC HÌNH VẼ

DPCCH
DRX
DTX
E-AGCH
E-DCH
EDGE

Tiếng Anh
Third Generaton partnership
project
Acknowledgement
Advanced Mobile Phone System
Association of Radio Industries
and Businesses
Automatic Repeat reQuest
Alliiance for Telecommunications
Industry Solutions
Additive White Gaussian Noise
Binary Phase-Shift Keying
China Communications Standards
Association
Cyclic Delay Diversity
Code Division Multiple Access
European Conference of Postal
and Telecommunications
Administations
Continuous Packet Connectivity
Common Pilot Channel
Channel Quality Indicator
Dedicated Physical Control

Trung Quốc
Phân tập trễ vòng
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Hội nghị Châu Âu về quản lý
Bưu chính Viễn thông
Kết nối gói liên túc
Kênh hoa tiêu chung
Chỉ thị chất lượng kênh
Kênh điều khiển vật lý riêng
Thu không liên tục
Discontinuous Transmission
Kênh cấp phát tuyệt đối EDCH
Kênh riêng nâng cao
Tốc độ số liệu tăng cường để
phát triển GPRS
Kênh cấp phát tương đối EDCH
Ghép song công phân chia theo
tần số
Ghép kênh phân chia theo tần


FDMA

Frequency Division Multiple
Access

GERAN

HSDPCCH


Internet Multimedia Subsystem
Japanese Total Access
Communication System
Long Term Evolution

GPRS
GSM
HARQ
HOM
HSDPA

J-TACS
LTE
MAC
MBMS
ML
MMSE
MRC
MUMIMO

Medium Access Control
Multimedia Broadcast/Multicast
Service
Maximum Likelihood

số
Đa truy nhập phân chia theo
tần số
Mạng truy nhập vô tuyến


Dịch vụ quảng bá /đa phương
Khả năng giống cực đại
Sai lỗi trung bình bình phương
cực tiểu
Kết hợp tỷ lệ lớn nhất

Multi User MIMO

MIMO đa người dùng


NACK
OFDM
PARC
PCI
P-CPICH
PDC
RAN
RLC
SAE
SC
S-CPICH
SDMA

Negative Acknowledgement
Orthogonal Frequency Division
Multiplex
Per-Antenna Rate Control
Precoding Control Indicator

Single User MIMO
Sigular Value Decomposition
Total Access Communication
System

TDD

Time Division Duplex

TDMA

Time Division Multiple Access
Telecommunication Technology
Association
Telecommunication Technology
Committee
Transmission Time Interval
Universal Mobile
Telecommunications System
Universal Terrestrial Radio

TTA
TTC
TTI
UMTS
UTRAN

Không xác nhận
Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao

Hệ thống viễn thông di dộng
toàn cầu
Mạng truy nhập vô tuyến mặt


Access Network
Wideband Code Division Multiple
WCDMA Access
WLAN
Wireless Local Area Network
ZF
Zero Forcing

đất toàn cầu
Đa truy nhập phân chia theo
mã băng rộng
Mạng cục bộ không dây
Cưỡng bức không

Chương 1. Tổng quan về thông tin di động 3G+
Cho đến nay, thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ
thế hệ thứ 1 đến thế hệ thứ 3 và hiện nay thế hệ thứ 4 đã và đang được triển khai
ở nhiều nước trên thế giới. Không giống như trước đây, nhu cầu của con người
chỉ là thoại. Ngày nay, xã hội loài người phát triển đòi hỏi những dịch vụ cao
hơn với chất lượng tốt hơn. Sự phát triển của các công nghệ di động chỉ mang
tính quốc gia hoặc khu vực thì nay đã trở thành nhiệm vụ thiết yếu do tổ chức
phát triển các chuẩn quốc tế đảm nhiệm như là 3GPP. Các công nghệ mà 3GPP
nghiên cứu đã được triển khai rộng rãi trên thế giới và đã phần nào đáp ứng
được nhu cầu ngày càng cao của khách hàng. Bước tiến mới nhất của 3GPP là
nghiên cứu phát triển các công nghệ sau 3G (3G+) như: HSPA+, LTE,SAE...

tương thích khác nhau như: GSM chủ yếu dùng ở châu âu, IS-54/IS-136 dựa
trên công nghệ TDMA và IS 95 dựa trên công nghệ CDMA sử dụng ở Mỹ và
PDC ở Nhật.


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.
Bước chuyển tiếp giữa 2G và 3G là 2,5G. Thế hệ 2,5G được phát triển
từ 2G với dịch vụ dữ liệu và các phương thức chuyển mạch gói nhằm tăng
dung lượng trên các kênh tần số vô tuyến của 2G và bước đầu đưa các dịch vụ
dữ liệu dung lượng cao hơn vào, có thể nâng tới 384 Kbps. Một khía cạnh rất
quan trọng của 2,5G là các kênh dữ liệu được tối ưu hóa cho dữ liệu gói truy
nhập vào internet từ các thiết bị di động như điện thoại, PDA hoặc máy tính
xách tay.
c. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3
Thông tin di động thế hệ thứ 3 được các nhà nghiên cứu định nghĩa
vào những năm 90, nó loại trừ được những sự không tương thích của các hệ
thống trước đây và thực sự trở thành hệ thống toàn cầu dưới sự quản lý của tổ
chức 3GPP. Hệ thống 3G có các kênh thoại chất lượng cao cũng như có khả
năng về dữ liệu băng rộng, có thể đạt tới 2Mbps.
Trước đây ở châu âu, 3G được đặt tên là UMTS và sử dụng công nghệ
WCDMA. WCDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song
công phân chia theo tân số (FDD) và ghép song công phân chia theo thời gian
(TDD). Chuẩn này đượ thực hiện song song trong ETSI và ARIB cho đến khi
3GPP ra đời cuối năm 1998 từ các tổ chức: ARIB (Nhật), CCSA (Trung quốc),

hợp một giao diện vô tuyến CDMA
Ban đầu gọi là phiên bản 2000-thêm đặc tính

Quý 1-2002
Quý 4-2004

bao gồm một mạng lõi toàn IP
Giới thiệu IMS và HSDPA
Tích hợp hoạt động với các mạng Wireless LAN
và thêm HSUPA, MBMS, tăng cường cho IMS

Release 7

Quý 4-2007

như bộ đàm qua mạng di động (POC), GAN
Tập trung vào việc giảm trễ, cải thiện QoS và
các ứng dụng thời gian thực như VoIP, chỉ tiêu

Release 8

Quý 4-2008

này cũng tập trung vào HSPA+, SIM
Phiên bản LTE đầu tiên. Mạng toàn IP (SAE).
Giao diện vô tuyến mới dựa trên OFDMA, FDE


và MIMO, không tương thích ngược với các
giao diện CDMA.

xuống tốc độ cao. Nó cho phép các mạng hoạt động trên hệ thống UMTS và có
khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao. Công nghệ HSDPA hiện nay cho
phép tốc độ download đạt đến 1.8, 3.6, 7.2, 14.4 Mbit/giây và sẽ được nâng lên
rất nhiều trong tương lai gần, khi đó các mạng có thể nâng cấp thành Evolved
HSPA cho phép tốc độ download đạt 42Mbit/giây. Việc làm tăng dữ liệu gói
đường xuống của HSDPA được hoàn chỉnh bởi những cải tiến đường lên
(Enhanced Uplink) được giới thiệu trong phát hành 6. HSDPA và Enhanced
Uplink còn được gọi là HSPA.
Yêu cầu quan trọng đối với 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 đã giới thiệu một số kỹ thuật nhằm bổ sung vào WCDMA như điều


chế bậc cao, chế độ lập lịch nhanh (phụ thuộc kênh) và điều khiển tốc độ, ARQ
lai nhanh và kết hợp mềm. HSPA có tốc độ truyền tải dữ liệu lên tối đa gấp 5
lần so với công nghệ WCDMA và nó có thể truyền tải bất cứ dạng dữ liệu nào.
b. Phương thức truyền tải
HSDPA được phát triển dựa trên công nghệ W-CDMA nhưng sử dụng
các phương thức chuyển đổi và mã hóa dữ liệu khác, nó tạo ra một kênh truyền
dữ liệu bên trong W-CDMA được gọi là HS-DSCH (High Speed Download
share channel) hay gọi là kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao. Kênh truyền tải
này hoạt động hoàn toàn khác biệt so với các kênh thông thường và cho phép
thực hiện download với tốc độ vượt trội và đây là kênh chuyên dụng cho việc
download. Điều đó có nghĩa là dữ liệu sẽ được truyền trực tiếp từ nguồn đến
điện thoại. Song quá trình ngược lại, tức là truyền dữ liệu từ điện thoại đến một
nguồn tin thì không thể thực hiện được khi sử dụng công nghệ HSDPA.. Công
nghệ này có thể được chia sẻ giữa tất cả các user có sử dụng sóng radio cho hiệu
quả download nhanh nhất. Ngoài HS-DSCH, còn có 3 kênh truyền tải dữ liệu
khác cũng được phát triển gồm có: HS-SCCH (High Speed Shared Control
Channel- Kênh điều khiển dùng chung tốc độ cao), HS-DPCCH (High Speed

3GPP phát hành 7 với những tính năng sau:
+ HSPA+ nhân đôi 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 qua VoiIP gấp 3 lần so với thoại
trong chuyển mạch kênh trong phát hành 99 với cùng chất lượng và mã hóa.
+ HSPA+ VoIP giúp tăng dung lượng dữ liệu trong mô hình hòa trộn VoIP
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 phát
hành 8) và đường lên 11 Mbps. HSPA + là 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. HSPA + cũng có
thể tương thích với cả công 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 giải 5 MHz và cùng số
anten.
d. Đặc tính của HSPA+

+ MIMO 2×2 đường xuống
HSPA+ hỗ trợ MIMO 2x2 đường xuống, sử dụng hai anten phát ở Node
B để truyền luồng dữ liệu trực giao tới hai anten thu ở phía UE, cộng thêm xử lý
tín hiệu số ở cả hai phía thu phát, MIMO có thể tăng dung lượng của hệ thống
và nhân đôi tốc độ dữ liệu mà không cần tăng công suất ở Node B hoặc băng
thông. Trong những điều kiện nhất định, dữ liệu trong hệ thống MIMO 2×2 có
thể được phát trên 2 luồng trực giao. Nhằm mang lại hiệu quả cao nhất, MIMO
cần SNR cao để đảm bảo cho UE có thể giải mã thành công tín hiệu đến trong
khi công suất được phân đều trên 2 anten, môi trường tán xạ lý tưởng đảm bảo

đường lên bao gồm cả kênh DPCCH và HS-DPCCH. Do đó mục đích của CPC
là giảm thông tin tiêu đề cho kênh điều khiển đường lên của cả DPCCH và HSDPCCH và kênh điều khiển đường xuống.
- Phát không liên tục đường lên DTX
DTX làm giảm tiêu đề kênh điều khiển đường lên, nó cho phép UE
ngừng phát trên kênh DPCCH đường lên trong khi không có hoạt động truyền
dẫn trên kênh E-DCH và HS-DPCCH. Do vậy, DTX tăng dung lượng đường lên
bằng cách giảm nhiễu đường lên ở Node B. Đồng thời DTX có thể làm tiết kiệm
công suất ở UE nên kéo dài tuổi thọ của pin.
Mặc dù kênh DPCCH đường lên không được phát liên tục, nhưng nó
vẫn được phát trong một vài thời điểm theo mẫu đã biết trước nhằm duy trì
đồng bộ và điều khiển công suất. Trường hợp E-DCH và HS-DPCCH sử dụng
thì DPCCH đường lên sẽ được phát song song.
Để linh hoạt hơn, hai mẫu hoạt động DPCCH đường lên được đưa ra với
mỗi UE:


UE DTX chu kỳ 1
UE DTX chu kỳ 2
UE DTX chu kỳ 2 được sử dụng khi không có họat động truyền dữ liệu,
còn UE DTX chu kỳ 1 ược sử dụng tạm thời phụ thuộc vào khoảng thời gian
không hoạt động của E-DCH. Sau quá trình truyền dẫn đường lên cuối cùng
trên kênh E-DCH, UE sẽ chờ trong một khoảng thời gian, được gọi là “ngưỡng
không họat động của UE DTX chu kỳ 2”, sau đó nó sẽ chuyển sang DTX chu
kỳ 1.
- Thu không liên tục đường xuống DRX
Trong HSPA phát hành 5, UE phải duy trì kênh HS-SCCH liên tục để
theo dõi dữ liệu đường xuống. Trong HSPA +, mạng có thể giới hạn phân khung
mà ở đó UE giám sát kênh HS-SCCH để làm giảm công suất tiêu tốn UE. Hoạt
động DRX được điều khiển bởi tham số chu kỳ UE_DRX, với các giá trị có thể
có là 4, 5, 8, 10, 16, hoặc 20 phân khung. Ví dụ, nếu chu kỳ UE_DRX là 5 phân

Để giảm bớt công suất tiêu tán cho UE, WCDMA cũng như các hệ thống
tế bào khác, có một số trạng thái: URA_PCH, CELL_PCH, CELL_FACH và
CELL_DCH. Công suất tiêu tán sẽ thấp nhất khi UE thuộc một trong hai trạng
thái đặc biệt, CELL_PCH và URA_PCH. Trong những trạng thái này, UE
“ngủ” và chỉ “thức dậy” để kiểm tra bản tin. Để trao đổi dữ liệu, UE cần chuyển
sang trạng thái CELL_FACH hoặc CELL_DCH.
Trong CELL_FACH, UE cần phát đi một khối dữ liệu như một phần
trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên. UE cũng giám sát các kênh đường xuống
chung và báo hiệu RRC. Trạng thái hoạt động truyền dẫn cao được gọi là
CELL_DCH. Trong trạng thái này, UE có thể sử dụng HS-DSCH và E_DCH để
trao đổi dữ liệu với mạng. Trạng thái này cho phép truyền một khối lượng lớn
dữ liệu người dùng với tốc độ cao, đồng thời nó lại tiêu tốn công suất UE lớn
nhất. Báo hiệu RRC được sử dụng để chuyển UE sang các trạng thái khác nhau.
Bảng 1.2: Một số đặc tính của HSPA+
Đặc tính HSPA+
MIMO 2x2 đường xuống
Điều chế bậc cao HOM
64QAM đường xuống, 16 QAM 50%
đường lên

Kết nối gói lên tục CPC

Lợi ích
Nhân đôi tốc độ dữ liệu đỉnh
Tăng dung lượng đường xuống
Tốc độ dữ liệu đường xuống tăng
Nhân đôi tốc độ dữ liệu đường

lên
Tăng dung lượng đường lên và


3GPP LTE là một trong số 5 chuẩn không dây trong 3G+, các chuẩn còn
lại gồm:
+ 3GPP HSPA+
+ 3GPP EDGE Evolution
+ 3GPP2 UMB
+ Mobile WiMAX (IEEE 802.16m)
Tất cả chúng đều có chung mục đích về mặt cải thiện hiệu quả sử dụng
phổ tần với hệ thống có độ rộng băng lớn nhất, cung cấp tốc độ cao nhất thông
qua việc sử dụng các sơ đồ điều chế bậc cao và công nghệ đa anten từ phân tập
thu và phát cơ bản đến phân tập không gian MIMO.
b. Các tính năng của LTE
Từ quan điểm kỹ thuật, mục đích cơ bản của LTE là cung cấp các tốc
độ số liệu cao hơn cho cả truyền dẫn đường lên và đường xuống. Ngoài việc
tăng tốc độ số liệu thực, LTE còn giảm trễ gói, giới hạn xác định tình trạng phản
ứng lại của trò chơi điện tử, VoIP, thoại video và các dịch vụ thời gian thực.
Từ khía cạnh nhà khai thác, độ rộng băng tần kênh linh hoạt và chế độ
hòa hợp FDD/TDD của LTE cho phép sử dụng sóng mang hiện tại và nguồn
phổ tần trong tương lai một cách hiệu quả hơn. LTE cung cấp một nền tảng
mạnh mẽ hơn cho các nhà khai thác để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng hấp
dẫn trong miền di động.
c. Các đặc điểm quan trọng của LTE
+ Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu: LTE
được xây dựng trên một mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên công
nghệ OFDM. Được chỉ rõ trong 3GPP Release 8, giao diện không gian LTE kết
hợp đa truy nhập và điều chế dựa trên OFDMA cho đường xuống cùng với SCFDMA cho đường lên. OFDM chia phổ tần khả dụng thành hàng nghìn sóng
mang con cực hẹp, mỗi sóng mang sẽ mang một phần của tín hiệu. Ở LTE, hiệu
quả sử dụng phổ tần của OFDM được tăng cường lên nhờ các sơ đồ diều chế
bậc cao hơn như là 64QAM, FEC tinh vi như là bit đuôi, mã hóa xoắn, mã hóa



+ Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Người sử dụng LTE sẽ có
thể thực hiện cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và phải truy nhập đến các
dịch vụ số liệu cơ sở, thậm chí khi họ nằm trong vùng không phủ sóng LTE. Do
đó cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, liền, trôi chảy trong khu vực
phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE. Hơn thế nữa,
LTE/SAE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn
chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.
+ Khả năng giảm chi phí: LTE đưa ra những tính năng như RAN đa nhà
cung cấp hoặc mạng tự tối ưu SON sẽ giúp giảm OPEX và cung cấp tiềm năng
giảm chi phí trên mỗi bit thấp hơn.
d. Băng tần triển khai LTE
Công nghệ LTE phù hợp triển khai trên độ rộng băng tần trong phạm vi từ
1.25 MHz đến 20 MHz. Hơn thế nữa, nó có thể hoạt động trong tất cả các băng
tần 3GPP theo cặp phổ tần hoặc không theo cặp phổ tần.
Như vậy, mạng LTE có thể triển khai trên bất cứ băng tần nào được sử
dụng bởi các hệ thống 3GPP, bao gồm các băng tần lõi IMI-2000 (1.9-2 GHz)
và các băng mở rộng (2.5 GHz) cũng như là 850-900 MHz, 1800 MHz, 1.7-2.1
GHz và băng UHF gần đây được xem xét ở Hội nghị thông tin vô tuyến thế giới
(World Radiocommunication Conference- WRC- 07) cho các dịch vụ di động ở
một số nước trên thế giới.

Hình 1.4: Băng tần hoạt động của LTE


Ngoài các vị trí hiện tại, một số lượng ứng cử viên băng tần dưới 5 GHz
cũng được ITU công nhận như là sự phù hợp tiềm năng của các dịch vụ IMT
như LTE. Trong khi khai thác các băng tần cao hơn 5 GHz cho việc cung cấp
tốc độ số liệu cực cao thông qua triển khai mạng LTE là khả thi, thách thức đặt
ra liên quan đến việc cung cấp các vùng phủ sóng quốc gia /diện rộng ở chi phí