Giải pháp tăng tốc độ Data trên đường lên Upload trong 4G.

Mặc dù trong toàn bộ di động 4G lưu lượng Data đường Upload thấp hơn nhiều so với đường Download, nó ít được chú ý hơn. Nhưng với nhiều trường hợp và nhu cầu dịch vu như các điểm lễ hội, người tham gia sử dụng nhiều dịch vụ LiveStream thì nhu cầu Upload trở nên đặc biệt lớn, nó tương đương với nhu cầu Download. Thì việc nghiên cứu nhằm cải thiện tốc độ truyền dữ liệu trên đường Upload trong 4G là cần thiết. Công nghệ được giới thiệu ở đây là UL MIMO- Uplink Multi Input Multi Output.

Có 2 kỹ thuật để thực hiện UL MIMO trong 4G là kỹ thuật phân tập thu Receive Diversity MIMO, và kỹ thuật Multi User MIMO.

I. Kỹ thuật Receive Diversity MIMO.

Đây là kỹ thuật mà UE sẽ sử dụng một anten của nó để truyền tín hiệu đi tới eNodeB. eNodeB sử dụng nhiều anten để thu rồi tổng hợp tín hiệu này.

Hình:  Kỹ thuật Receive Diversity MIMO

UE gửi tín hiệu thông qua các kênh truyền khác nhau để tới các anten r₁ tới r_{m ­} của eNodeB. eNodeB đánh trọng số của từng tín hiệu nhận được w_i* sau đó tổng hợp lại để có tín hiệu mong muốn là y. Phương trình toán học được biểu thị như sau: 

y = W^H (Hx + N)

- W = (w₁*… w_m*)^H là một vector trọng số cho từng tín hiệu nhận được ở các antenna.

- H = (h1 … hm)^H là ma trận đường truyền; hi là hệ số kênh của đường truyền. Một tín hiệu bị thay đổi về cường độ và pha khi đi qua đường truyền, bằng việc nhân hệ số kênh của đường truyền cho phép ta miêu tả được sự thay đổi đấy. 

- x là tin hiệu TX, tín hiệu được gửi từ máy di động UE tới trạm gốc eNodeB.

- N = (n1 … nm)^H là vector nhiễu trên từng anten thành phần nhận được.

          Bằng việc tính toán trọng số tùy thuộc vào điệu kiện truyền cho phép ta nhận được tín hiệu tốt nhất.

          Trong môi trường truyền ít nhiễu thi trọng số được tính toán để nhận được tín hiệu cường độ tốt nhất, thuật toán này gọi là MRC(Maximum Ratio Combination), khi nhiễu cao thì thuật toán sử dụng là IRC(Interference Rejection Combining) để tránh những kênh bị nhiễu cao. Trên eNodeB ta có thể cấu hình lựa chọn MRC, hoặc IRC hoặc để cho hệ thống tự động lựa chọn giữa MRC, IRC tùy vào điều kiện vô tuyến. Thuật toán này được gọi là MRC/IRC Adaptive

          Kỹ thuật Receive Diversity giúp cải thiện SINR khoảng 3dB. Từ đó làm tăng được tốc độ Data. Như mối quan hệ giữa tốc độ Data với chỉ số SINR đã chỉ ra:

Hình: Mối quan hệ giữa tốc độ với cường độ tín hiệu trên nhiễu.

II. Kỹ thuật Multi User MIMO.

Đây là kỹ thuật nhiều UE sử dụng cùng miền thời gian và tài nguyên miền tần số để truyền dữ liệu tới eNodeB. Theo lý thuyết thì số lượng UE truyền đồng thời không vượt quá số lượng anten thu của eNodeB.

Hình: Kỹ thuật Multi User MIMO

Trên hình là UE1 và UE2 sử dụng cùng miền tần số và miền thời gian để truyền dữ liệu x₁ và x₂ thông qua các kênh truyền vô tuyến của nó tới các Anten 1 và 2 của eNodeB. Bằng kỹ thuật MIMO, với kỹ thuật Receive Diversity, ta sẽ thu được tín hiệu là y₁ và y₂,

Trong điều kiện thực tế thì điều kiện vô tuyến tại UE rất khác nhau, như mức độ nhiễu kênh, cường độ tín hiệu liên quan tới khoảng cách từ UE tới trạm gốc eNodeB. Chính vì thế việc lựa chọn những UE nào để cho phép chúng được truyền đồng thời trên miền thời gian và tần số là việc làm có tính chất quyết định. Nếu việc lựa chọn không phù hợp thì chúng sẽ là nguồn nhiễu của nhau, làm giảm dung lượng của hệ thống.

Hình: Lưu đồ và nguyên lý ghép cặp UE.

          Trên là lưu đồ để lựa chọn những cặp UE phù hợp. Công việc được thực hiện tại eNodeB. Nó sẽ đo đạc, lựa chọn, ghép cặp và lập lịch cho MU- MIMO trong từng TTI.

- Xác định SINR của từng UE: eNodeB đo đạc SINR trung bình của UE trong toàn bộ băng thông mà UE có thể sử dụng.

- Chọn các UE phù hợp: Việc lựa chọn UE nào là phù hợp được xác định thông qua ngưỡng SINR. SINR của UE được lựa chọn phải lớn hơn ngưỡng này. Hình trên minh họa UE0, 1, 3 và UE5 được xác định là các UE phù hợp.

- Ghép cặp UE: eNodeB lựa chọn 2 UE để ghép cặp, nếu việc ghép cặp này giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số và hiệu năng lớn hơn ngưỡng tương ứng thì quá trình ghép cặp này thành công. Còn nếu không mang lại hiệu quả như mong đợi thì quá trình ghép cặp này bị hủy bỏ. Hình trên chỉ ra có 2 cặp đang sử dụng cùng tài nguyên thời gian và tần số để truyền là cặp UE0- UE1, và cặp UE3-UE5.

- Xếp hàng đợi tới lượt truyền: Sau khi các UE được chọn bắt cặp, thì chúng được lập lịch vào cùng miền thời gian và tần số để truyền dữ liệu.

Hiện tại kỹ thuật Receive Diversity MIMO đang được ứng dụng trong mạng lưới Viettel để tăng tốc độ cho đường Upload. Kỹ thuật Multi User MIMO được các Vendor thiết kế cho phân tập TDD, vì thế chưa được áp dụng trong mạng lưới của chúng ta. Với đặc thù mạng lưới có người dùng lớn, tăng trưởng cao, đặc biệt là những khu công nghiệp, sự kiện đông người thì vẫn cần thêm kỹ thuật Multi User MIMO này để phục vụ cho những mục tiêu cá thể đó.