TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE
Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE (Long Term Evolution) là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển, nhằm cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, linh hoạt sử dụng các băng tần hiện có và mới Công nghệ LTE đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm tiêu thụ năng lượng của thiết bị đầu cuối Các mục tiêu chính của LTE bao gồm nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, cắt giảm chi phí vận hành, tối ưu hóa khả năng sử dụng băng tần và tiết kiệm năng lượng cho thiết bị người dùng.
- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:
+ Tải xuống: 150 Mbps; Tải lên: 50 Mbps
- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel 6:
+ Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần
Hoạt động tối ưu của hệ thống diễn ra khi tốc độ di chuyển của thuê bao từ 0 đến 15 km/h, đảm bảo hoạt động ổn định trong phạm vi này Hệ thống vẫn duy trì hoạt động tốt khi thuê bao di chuyển ở tốc độ từ 15 đến 120 km/h, phù hợp cho nhiều hoạt động hàng ngày Ngoài ra, dịch vụ còn được duy trì khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 đến 350 km/h, thậm chí có thể hoạt động hiệu quả ở tốc độ lên đến 500 km/h tùy vào băng tần sử dụng, đảm bảo phạm vi ứng dụng rộng rãi cho các phương tiện di chuyển nhanh.
- Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30 – 100 km thì không hạn chế
Thiết bị đầu cuối đa dạng ngày càng phổ biến, không chỉ gồm điện thoại di động, mà còn bao gồm máy tính, laptop, máy chơi game và máy ảnh Các thiết bị này đang được tích hợp modul LTE để đảm bảo kết nối mạng luôn sẵn sàng và ổn định, nâng cao trải nghiệm người dùng trong mọi tình huống Việc nhúng modul LTE vào các thiết bị đa dạng giúp mở rộng khả năng liên lạc không gián đoạn, phù hợp với xu hướng IoT và ứng dụng di động hiện nay.
Hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được nâng cao đáng kể nhờ ứng dụng kỹ thuật điều chế cao cấp 64 QAM, giúp tăng tốc truyền tải dữ liệu Việc kết hợp mã hóa turbo và mã hóa xoắn cùng các kỹ thuật vô tuyến bổ sung như MIMO đã góp phần tăng gấp 5 lần thông lượng trung bình so với công nghệ HSPA, nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu không dây.
Hệ thống cung cấp độ dài băng thông linh hoạt, có thể hoạt động với các băng tần 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Nó hỗ trợ các trường hợp băng thông lên và xuống có độ dài bằng nhau hoặc không, giúp tối ưu hóa khả năng truyền dữ liệu Để đạt được điều này, hệ thống áp dụng các kỹ thuật mới như kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao) và kỹ thuật anten MIMO (đa nhập đa xuất), tăng cường khả năng truyền dẫn và mở rộng băng thông Ngoài ra, hệ thống hoạt động hoàn toàn trên nền mạng IP (all-IP network) và hỗ trợ cả hai chế độ FDD và TDD, đảm bảo tính linh hoạt và mở rộng cao trong các môi trường mạng khác nhau.
Hình 1.1 Kiến trúc của mạng LTE
Hệ thống LTE được chia làm hai phần chính: Phần truy nhập vô tuyến mặt đất và hệ thống mạng lõi
Truy nhập vô tuyến mặt đất E – UTRAN:
Bao gồm các eNB sử dụng E– UTRA và giao thức điều khiển mặt phẳng giao tiếp đối với UE
- Hoàn toàn phân phối kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến eNB có thể được kết nối với nhau bằng các phương tiện của giao diện X2
- X2 hỗ trợ di động tăng cường, quản lý nhiễu giữa các tế bào
eNodeB (Evoled Node B) là trạm gốc tăng cường mới, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống mạng LTE Nó kết nối bằng phương tiện của giao diện S1 với Evoled Packet Core, đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả và ổn định Với khả năng cung cấp giao diện không gian LTE, eNodeB thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến để tối ưu hóa hiệu suất truy cập mạng Đây là thành phần chủ chốt trong hệ thống truy cập tiên tiến, nâng cao chất lượng dịch vụ và trải nghiệm người dùng.
- Quản lý tài nguyên vô tuyến;
- Nén IP header và mã hóa dòng dữ liệu người sử dụng;
- Định tuyến dữ liệu mặt phẳng người dung hướng tới cổng dịch vụ Serving Gateway;
- Lập lịch và truyền dẫn những thông báo tìm gọi
- Lập lịch và truyền bá những thông tin quảng bá;
- Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập;
- Bảo đảm chất lượng dịch vụ
- Thực hiện các cuộc chuyển giao với các UE;
Trong công nghệ LTE, các eNB sử dụng chung băng tần giống như trong hệ thống CDMA Để phân biệt các eNB với nhau, hệ thống dùng tín hiệu Cell ID, được truyền tải qua RS (Reference Signal) Tín hiệu Cell ID giúp xác định vị trí của từng eNB trong mạng lưới LTE, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra chính xác và hiệu quả RS đóng vai trò quan trọng trong việc mang tín hiệu Cell ID, hỗ trợ quá trình định vị và tối ưu hóa mạng.
Hệ thống mạng lõi (EPC)
Hệ thống mạng lõi của LTE đã được cải tiến và phát triển dựa trên phương thức chuyển mạch gói duy nhất, giúp truyền dữ liệu và xác định vị trí thuê bao thông qua định tuyến IP trên toàn bộ hệ thống Kiến trúc mạng LTE được tối giản so với mạng 3G, góp phần giảm chi phí triển khai và vận hành mạng Mạng lõi LTE bao gồm các thành phần chính như các khối chức năng đặc trưng giúp nâng cao hiệu quả và khả năng mở rộng của hệ thống mạng di động.
PDN Gateway (Packet Data Network Gateway) là thành phần cung cấp kết nối cho User Equipment (UE) tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểm vào ra của lưu lượng Một UE có thể kết nối cùng lúc với nhiều hơn một PDN Gateway để truy cập đa dạng các mạng PDN khác nhau Các chức năng chính của PDN Gateway bao gồm quản lý kết nối, định tuyến dữ liệu IP, và đảm bảo an toàn thông qua các cơ chế bảo mật tối ưu Việc hiểu rõ vai trò của PDN Gateway là rất cần thiết cho các giải pháp mạng 4G và 5G hiện đại, góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng và tối ưu hóa hiệu năng mạng.
- Quản lý một quỹ địa chỉ IP và cấp phát các địa chỉ IP cho các UE;
- Thực hiện sự cưỡng bức chính sách (Policy enforcement);
- Lọc gói cho mỗi user;
- Định vị địa chỉ UE IP;
- Chức năng DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
Serving Gateway (Cổng phục vụ): Là một node kết thúc trong giao diện hướng tới
EUTRAN Chức năng của nó bao gồm:
- Truyền tải dữ liệu người dùng giữa mạng vô tuyến và mạng lõi thông qua giao thức GTP;
- SWG định tuyến và hướng các gói dữ liệu người sử dụng;
- Khi các UE ở trạng thái rỗi, SGW kết thúc đường dữ liệu Downlink và kích hoạt tìm gọi khi dữ liệu downlink chuyển tới UE;
- Thực hiện sao chép của lưu lượng người sử dụng trong trường hợp ngăn chặn hợp pháp;
MME (Thực thể quản lý di động): Quản lý tính lưu động, xác nhận UE và những tham số bảo mật Chức năng của MME bao gồm:
The NAS (Non-Access Stratum) completion signal is sent to the MME, indicating the successful establishment of the NAS protocol layer Additionally, the MME is responsible for generating and assigning temporary identifiers (GUTIs) to user equipment (UE), which are essential for device identification and security during wireless communication.
- MME cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính lưu động giữa LTE và mạng truy nhập 2G, 3G;
- Trạng thái UE rỗi – Idle theo dõi và khả năng liên lạc (bao gồm điều khiển và thực hiện tìm các chuyển tiếp tìm gọi):
- Theo dõi quản lý danh sách vùng;
- Kiểm tra tính xác thực của UE đến trạm trên dich vụ của nhà cung cấp PLMN và giám sát việc thi hành sự giới hạn Roaming cho UE;
- Lựa chọn MME cho chuyển giao khi thay đổi MME;
MME (Mobility Management Entity) là điểm cuối cùng trong mạng di động chịu trách nhiệm dịch mật mã, đảm bảo bảo vệ toàn diện cho các báo hiệu NAS Ngoài ra, MME còn vận hành quản lý khóa bảo mật, giúp duy trì an ninh và bảo mật dữ liệu trong hệ thống mạng di động Điều này giúp tăng cường khả năng bảo vệ thông tin người dùng và nâng cao hiệu quả vận hành của mạng.
So sánh công nghệ LTE với công nghệ WIMAX và những triển vọng của công nghệ LTE
LTE và WiMax có điểm giống nhau về việc đều dựa trên nền tảng IP và sử dụng kỹ thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền nhận tín hiệu, cùng với công nghệ OFDM hỗ trợ truyền tải đa phương tiện và video Chuẩn WiMax (802.16e) hiện tại có tốc độ tải xuống tối đa 70Mbps, trong khi LTE dự kiến đạt đến 300Mbps, và khả năng nâng cấp của WiMax lên chuẩn 802.16m (WiMax 2.0) cũng mang lại tốc độ cao hơn hoặc tương đương Đặc điểm khác biệt chính nằm ở đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát, khi WiMax sử dụng OFDMA còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA, trong đó SC-FDMA hoạt động hiệu quả hơn về mặt năng lượng tiêu thụ của các thiết bị đầu cuối.
1.2 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác
LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex) Ngược lại,
WiMax hiện chỉ tương thích với công nghệ TDD, sử dụng phương thức truyền dữ liệu lên xuống qua cùng một kênh tần số dựa trên phân chia thời gian Trong khi đó, công nghệ FDD cho phép truyền dữ liệu qua hai kênh tần số riêng biệt cho dữ liệu tải xuống và tải lên Điều này đồng nghĩa với việc LTE có nhiều phổ tần số hơn WiMax để khai thác Tuy nhiên, sự khác biệt về công nghệ không phải yếu tố quyết định trong cuộc cạnh tranh giữa WiMax và LTE Một điểm quan trọng là LTE có khả năng tận dụng hạ tầng GSM đã có sẵn, trong khi WiMax phải xây dựng hệ thống mới từ đầu.
Bảng 1.1 LTE và WIMAX
Tính năng 3GPP LTE RAN 1 802.16e/Mobile
Ghép kênh TDD, FDD TDD TDD, FDD
Băng tần dự kiến 700MHZ –
Tốc độ tối đa (Download/Upload )
Di động 350km/h 120km/h 350km/h
Phạm vi phủ sóng 5/30/100km 1/5/30km 1/5/30km
Số người dùng VoIp đồng thời
Thời điềm hoàn tất chuẩn
Triển khai ra thị trường
Dịch vụ LTE cung cấp cho người sử dụng
LTE, với kết nối đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu suất sử dụng phổ cao và giảm thiểu độ trễ, hứa hẹn cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng hơn cho người dùng Khách hàng sẽ có thể truy cập các ứng dụng liên quan đến dữ liệu lớn, tải xuống và chia sẻ video, nhạc cùng nội dung đa phương tiện chất lượng cao, đòi hỏi lưu lượng lớn để đảm bảo dịch vụ ổn định và chất lượng cao, đặc biệt là các dịch vụ truyền hình độ nét cao Đối với doanh nghiệp, LTE hỗ trợ truyền tập tin lớn với tốc độ nhanh và hội nghị video chất lượng, mang đặc tính của Web 2.0 vào không gian di động lần đầu tiên Ngoài ra, LTE còn mở ra khả năng ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi và chia sẻ tập tin, góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng và thúc đẩy các dịch vụ di động mới.
Bảng 1.2 So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE
Dịch vụ Môi trường 3G Môi trường 4G
Thoại (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất lượng cao Tin nhắn P2F
SMS, MMS, các mail ưu tiên thấp
Các tin nhắn, IM, email di động và tin nhắn video giúp người dùng dễ dàng truyền tải thông tin mọi lúc mọi nơi Người dùng có thể lướt web trực tuyến, truy cập các dịch vụ online qua trình duyệt WAP, nhờ vào công nghệ GPRS và mạng 3G tiên tiến, mang lại trải nghiệm truy cập internet nhanh chóng, tiện lợi và ổn định.
Người dùng trả qua hoặc trên mạng tính cước chuẩn Chính yếu là dựa trên thông tin văn bản
Tạp chí trực tuyến, dòng âm thanh chất lượng cao
Riêng tư chủ yếu liên quan đến âm thanh chuông (ringtone), gồm cả âm thanh thực (thu âm gốc từ nghệ sĩ) từ các trang web Các nội dung này bao gồm màn hình chờ và nhạc chờ cá nhân, tạo không gian nghe nhạc riêng tư và phù hợp với sở thích cá nhân của người dùng.
Game Tải về và chơi game trực tuyến
Kinh nghiệm game trực tuyến vững chắc qua cả mạng cố định và di động Video/TV theo yêu cầu
Các dịch vụ quảng bá truyền hình cung cấp các dòng video chất lượng cao đáp ứng đúng yêu cầu của khách hàng, giúp chạy và tải video dễ dàng Ngoài ra, nền tảng còn cung cấp dịch vụ tải nhạc đầy đủ các track và các dịch vụ âm thanh chuyên nghiệp, đảm bảo trải nghiệm âm thanh tốt nhất cho người dùng.
Lưu trữ và tải nhạc chất lượng cao
Nội dung tin nhắn Tin nhắn đồng cấp sử dụng ba thành phần cũng như tương tác với các media
Phân phối tỷ lệ rộng của các video clip, dịch vụ karaoke, video cơ bản quảng cáo di động
Thương mại qua điện thoại
Thực hiện các giao dịch và thanh toán qua mạng di động trở nên dễ dàng hơn nhờ vào điện thoại cầm tay như một thiết bị thanh toán hiện đại Các phương thức thanh toán trực tuyến này sử dụng kết nối tốc độ cao, giúp các giao dịch diễn ra nhanh chóng và an toàn hơn Với công nghệ mạng di động tiên tiến, người dùng có thể thực hiện các giao dịch tài chính mọi lúc, mọi nơi một cách thuận tiện và hiệu quả.
Mạng dữ liệu di động
Truy cập đến các mạng nội bộ và cơ sở dữ liệu cũng như cách sử dụng ứng dụng của các ứng dụng như CRM
Chuyển đổi file P2P, các ứng dụng kinh doanh, ứng dụng chia sẻ, thông tin M2M, di động intranet/extranet
VNPT đã hợp tác cùng tập đoàn viễn thông Altech Telecom (Nga) để thành lập liên doanh RusViet Telecom, nhằm cung cấp dịch vụ dựa trên công nghệ di động thế hệ tiền 4G LTE tại Việt Nam.
Ngay sau khi Bộ Thông tin và Truyền thông cấp phép thử nghiệm dịch vụ 4G, VNPT đã nhanh chóng triển khai và lắp đặt thành công trạm BTS LTE đầu tiên tại Việt Nam vào ngày 10/10/2010, đánh dấu bước ngoặt trong việc ứng dụng công nghệ 4G tại quốc gia Đây không chỉ là trạm BTS LTE đầu tiên ở Việt Nam mà còn là của cả khu vực Đông Nam Á, mở ra cơ hội nâng cao chất lượng mạng di động và dịch vụ viễn thông.
Trạm BTS công nghệ LTE nằm tại nhà Internet, lô 2A, làng Quốc tế Thăng Long, Cầu Giấy, Hà Nội, trụ sở của Công ty Điện toán và truyền số liệu VDC Với tốc độ truy cập Internet lên đến 60Mb/s, dịch vụ LTE vô tuyến cung cấp khả năng truy cập nhanh, ổn định Dịch vụ này hứa hẹn mang đến trải nghiệm tốt cho khách hàng với các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn như xem video, HDTV, giải trí trực tuyến, nâng cao chất lượng cuộc sống số.
Mục tiêu thiết kế LTE
Trong năm 2005, 3GPP đã triển khai các hoạt động nhằm cải tiến mạng 3G, xác định rõ đối tượng, yêu cầu và mục tiêu cho công nghệ LTE Các hoạt động này bao gồm phân tích các thành phần cần thiết, thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng tới nâng cao hiệu suất mạng di động Việc này nhằm đảm bảo LTE đáp ứng tốt các tiêu chuẩn về tốc độ, độ trễ và khả năng mở rộng để phù hợp với các nhu cầu phát triển của ngành viễn thông Các dự án của 3GPP trong giai đoạn này được phân thành 07 phần chính, giúp xây dựng nền tảng vững chắc cho sự phát triển của mạng LTE trong tương lai.
Các vấn đề liên quan đến việc triển khai
Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)
Quản lý tài nguyên vô tuyến
Tiềm năng và dung lượng
Trong yêu cầu đặt ra, tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100 Mbit/s và cho đường lên là 50 Mbit/s trong phạm vi phổ 20 MHz, với tốc độ này tỷ lệ theo phạm vi phổ hẹp hơn, đạt khoảng 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5 bit/s/Hz cho đường lên LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD; đặc biệt, trong chế độ TDD, truyền dẫn đường lên và xuống không thể xảy ra đồng thời, do đó tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể đồng bộ Ngược lại, trong chế độ FDD, LTE cho phép truyền đồng thời hai chiều với tốc độ dữ liệu đỉnh theo lý thuyết đã đề cập, giúp tối ưu hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Yêu cầu về độ trễ được chia thành hai loại chính là độ trễ mặt phẳng điều khiển (control-plane latency) và độ trễ mặt phẳng người dùng (user-plane latency) Trong đó, yêu cầu độ trễ control-plane xác định thời gian cần thiết để chuyển thiết bị đầu cuối từ trạng thái không tích cực sang trạng thái tích cực, cho phép gửi và nhận dữ liệu Có hai phương pháp xác định độ trễ này, trong đó phương pháp đầu tiên dựa trên thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (camped state), như trạng thái Idle Mode của chuẩn Release 6, sau đó là thủ tục chiếm quyền truyền dẫn.
Thời gian chuyển đổi từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt động trong mạng 4G chỉ mất khoảng 100 ms, với khoảng 50 ms dành cho thủ tục chiếm quyền trong trạng thái Release 6 Cell_PCH Trong quá trình này, độ trễ chế độ ngủ và báo hiệu non-RAN đều được loại trừ để đảm bảo đo lường chính xác Chế độ Release 6 idle là trạng thái khi thiết bị đầu cuối không được nhận diện bởi mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là không có tài nguyên vô tuyến nào được cấp phát cho thiết bị Trong trạng thái Release 6 Cell_PCH, thiết bị đầu cuối không còn được nhận biết bởi mạng truy nhập vô tuyến dù mạng biết thiết bị nằm trong vùng tế bào nào, nhưng không cấp phát tài nguyên vô tuyến, cho phép thiết bị này có thể ở trong chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng.
Yêu cầu về độ trễ mặt phẳng người dùng thể hiện thời gian truyền một gói IP nhỏ từ thiết bị đầu cuối đến nút biên RAN hoặc ngược lại, được đo từ lớp IP Thời gian truyền theo một hướng không vượt quá 5 ms trong mạng không tải, nghĩa là không có thiết bị đầu cuối nào khác trong tế bào, đảm bảo hiệu suất và chất lượng dịch vụ cao.
Kết luận
Chương 1 đã cung cấp cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về công nghệ LTE, đồng thời nêu lên nhưng ưu nhược điểm của nó Từ đó giúp chúng ta hiểu được tại sao công nghệ này lại được đầu tư phát triển mạnh mẽ như vậy Tại Việt Nam năm nay là năm thí nghiệm của mạng di động 4G LTE công nghệ tăng tốc truy cập dữ liệu thông qua những mang 3G Dù mới chỉ là thử nghiệm, song với kết quả công nghệ di động
LTE đạt tốc độ tải xuống lên tới 80 Mbps và tải lên 20 Mbps, mở ra một “xa lộ” viễn thông hiện đại cho ngành viễn thông Việt Nam Tốc độ này cho phép khách hàng trải nghiệm các dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn như video, HDTV và giải trí trực tuyến Tuy nhiên, vấn đề then chốt là làm thế nào để phát triển và khai thác hiệu quả “xa lộ” này, đó là nhiệm vụ của các kỹ sư ngành viễn thông đóng vai trò then chốt trong việc đưa công nghệ LTE trở thành nền tảng vững chắc cho sự phát triển trong tương lai.
TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE
Hệ thống truyền dẫn của LTE
Công nghệ LTE hỗ trợ truy cập đường lên và đường xuống theo hai phương thức khác nhau:
Đường xuống sử dụng phương thức đa truy nhập sóng mang OFDMA
Khái quát về công nghệ OFDM
Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE sử dụng công nghệ OFDM, một dạng đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang Công nghệ này cho phép các sóng mang phụ trực giao nhau, giúp mở rộng phổ tín hiệu và tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu Nhờ đặc điểm này, các sóng mang phụ có thể chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo phía thu có khả năng khôi phục tín hiệu ban đầu một cách chính xác.
Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau khi chúng độc lập, giúp truyền nhiều tín hiệu cùng lúc trên một kênh truyền thông mà không gặp phải nhiễu xuyên thời gian Tính trực giao là đặc tính quan trọng đảm bảo các tín hiệu không gây nhiễu lẫn nhau, từ đó duy trì chất lượng truyền tải thông tin Khi mất tính trực giao giữa các tín hiệu, sẽ gây ra sự rối loạn và giảm hiệu quả trong việc truyền dữ liệu.
OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng mang trực giao, trong đó tần số gốc của từng sóng mang con bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại của symbol Nhờ đó, trong thời gian tồn tại của symbol, mỗi sóng mang có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau, tạo ra các tần số khác nhau Mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau, nhưng nhờ tính chất trực giao, các sóng mang này vẫn không gây nhiễu cho nhau, đảm bảo hiệu quả truyền dẫn cao của hệ thống OFDM.
Kỹ thuật OFDM phân chia dải tần cho phép thành nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền dữ liệu tốc độ thấp Tập hợp các dòng dữ liệu thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải, giúp tối ưu hoá hiệu suất truyền dẫn Sự chồng lấn phổ tín hiệu trong OFDM giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông, làm cho hệ thống này có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế truyền thống.
OFDM là hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn nhờ khả năng chống lại sự lựa chọn tần số của kênh truyền Nhờ thời gian ký tự dài và việc kết hợp với tiền tố chu trình, OFDM cung cấp độ mạnh cần thiết để giảm tác động của fading lựa chọn tần số Mặc dù kỹ thuật cân bằng tại phía thu có thể kiểm soát tín hiệu sai lệch do kênh chọn lọc tần số, nhưng độ phức tạp của phương pháp này trở nên khó triển khai trên thiết bị di động băng thông lớn trên 5 MHz Chính vì vậy, OFDM trở thành lựa chọn phổ biến cho đường xuống, đặc biệt khi kết hợp với kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing).
Một số lợi ích khác của kỹ thuật OFDM bao gồm:
OFDM cung cấp khả năng truy cập vào miền tần số với độ tự do bổ sung, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu trong các hệ thống không dây Điều này cho phép khối hoạch định phụ thuộc kênh truyền (channel-dependent scheduler) hoạt động hiệu quả hơn so với công nghệ HSPA Nhờ vào khả năng phân chia tần số linh hoạt của OFDM, hệ thống mạng không dây có thể cải thiện tốc độ truyền tải và độ ổn định kết nối, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của người dùng hiện nay.
OFDM dễ dàng hỗ trợ phân bố băng thông linh hoạt bằng cách chuyển đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang phụ để truyền tải dữ liệu Tuy nhiên, để hỗ trợ nhiều phân bố phổ, cần sử dụng bộ lọc RF linh hoạt, điều này gây ảnh hưởng đến độ chính xác của sơ đồ truyền dẫn Mặc dù vậy, việc duy trì cấu trúc xử lý băng tần cơ sở giống nhau, không phụ thuộc vào băng thông, giúp đơn giản hóa triển khai hệ thống cuối, nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng của mạng.
- Hỗ trợ dễ dàng cho việc truyền dẫn broadcast/mulitcast, khi mà những thông tin giống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc
Hệ thống OFDM có khả năng loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) khi độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) được thiết lập lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh Điều này giúp cải thiện hiệu suất truyền dữ liệu và giảm thiểu lỗi trong các hệ thống truyền thông không dây Việc tối ưu hóa độ dài của chuỗi bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng kết nối ổn định và tăng khả năng chống nhiễu của hệ thống OFDM.
Hệ thống truyền dẫn băng rộng phù hợp để thiết kế, vì ảnh hưởng của sự phân tần về tần số đã giảm đáng kể so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang, giúp nâng cao chất lượng truyền tải và hiệu quả hoạt động của hệ thống.
- Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản
- Hiệu quả sử dụng phổ rất cao
- Khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây)
- Dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng)
- Tốc độ truyền tải lên và tải xuống có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng
- Sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài
Việc duy trì cấu trúc xử lý băng tần cơ sở giống nhau, không phụ thuộc vào băng thông, giúp nới lỏng quy trình triển khai hệ thống đầu cuối Điều này tạo ra sự linh hoạt trong thiết kế và giảm thiểu phức tạp khi triển khai các giải pháp viễn thông mới Việc chuẩn hóa cấu trúc xử lý cơ sở đảm bảo tính đồng nhất và dễ dàng mở rộng, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống.
- Hỗ trợ dễ dàng cho việc truyền dẫn broadcast/mulitcast, khi mà những thông tin giống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc
- Ngoài ra OFDM có thể được sử dụng trong cả hai định dạng FDD và TDD đây là một lợi thế trong việc triển khai mạng sau này
Trong đường lên LTE, kỹ thuật truyền dẫn sử dụng phương thức đa truy nhập sóng đơn SC-FDMA dựa trên kỹ thuật DFT-spread OFDM giúp giảm tỷ lệ đỉnh trên trung bình của tín hiệu, nâng cao hiệu quả sử dụng công suất của bộ khuếch đại Việc này đồng thời làm tăng vùng phủ sóng, đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị đầu cuối có giới hạn về năng lượng Hơn nữa, kỹ thuật truyền dẫn đơn sóng mang giúp kiểm soát lỗi do fading tần số, dễ dàng hơn so với kỹ thuật đa sóng mang như OFDM, do ít giới hạn trong nguồn tạo tín hiệu tại trạm gốc hơn so với thiết bị di động, góp phần nâng cao hiệu suất mạng LTE.
Trong khi đường lên WCDMA/HSPA dựa trên truyền dẫn đơn sóng mang và không trực giao, thì đường lên LTE sử dụng kỹ thuật phân tách trực giao giữa các người dùng trong miền thời gian và tần số Kỹ thuật này cho phép phân chia tài nguyên truyền dẫn theo nhiều phương pháp, giúp tránh nhiễu trong tế bào Tuy nhiên, việc phân bố toàn bộ băng thông cho một người dùng không hiệu quả trong các tình huống tốc độ dữ liệu bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn Thay vào đó, LTE chia sẻ băng thông giữa nhiều thiết bị, mỗi thiết bị chỉ sử dụng một phần của tổng băng thông, và các thiết bị còn lại truyền trên phần phổ còn lại Điều này dẫn đến việc đường lên LTE tích hợp thành phần đa truy nhập miền tần số (frequency domain multiple access), và hệ thống truyền dẫn đường lên LTE thường được xem là hệ thống Single Carrier FDMA (SC-FDMA).
Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ
Trung tâm của hệ thống truyền dẫn LTE là việc sử dụng kỹ thuật truyền dẫn chia sẻ kênh truyền (shared channel transmission), giúp tự động chia sẻ tài nguyên miền tần số - thời gian giữa các người dùng Phương pháp này phù hợp với yêu cầu của dữ liệu gói, nhờ khả năng thay đổi tài nguyên nhanh chóng, đồng thời cho phép tích hợp nhiều công nghệ quan trọng khác của LTE.
Khối hoạch định (scheduler) đóng vai trò quan trọng trong việc điều phối phân bổ tài nguyên chia sẻ cho người dùng tại mỗi thời điểm, quyết định tốc độ dữ liệu phù hợp theo nguyên tắc thích ứng tốc độ, là phần quan trọng của bộ scheduler nhằm tối ưu hóa hiệu suất mạng Scheduler là thành phần quyết định mang tính quyết định lớn đối với hiệu suất toàn bộ đường truyền, đặc biệt trong mạng tải trọng cao, nơi cần hoạch định chặt chẽ cả đường xuống và đường lên Khả năng hệ thống đạt được hiệu quả cao hơn khi đặc tính kênh truyền được xem xét trong quá trình phân bố tài nguyên, gọi là hoạch định phụ thuộc kênh truyền Ngoài miền thời gian, LTE còn truy cập vào miền tần số nhờ vào công nghệ OFDM cho đường xuống và DFTS-OFDM cho đường lên, cho phép bộ scheduler lựa chọn kênh truyền tốt nhất cho người dùng trên từng phần của miền tần số Thêm vào đó, việc hoạch định trong LTE còn có thể quan tâm đến sự biến đổi của kênh truyền không chỉ trong miền thời gian như HSPA mà còn trong miền tần số, giúp tối ưu hóa các nguồn tài nguyên mạng một cách hiệu quả hơn.
Kỹ thuật hoạch định phụ thuộc kênh truyền dựa trên sự thay đổi chất lượng kênh giữa các người dùng để nâng cao hiệu suất hệ thống, đặc biệt hữu ích khi tốc độ thiết bị đầu cuối thấp và kênh truyền thay đổi chậm theo thời gian Trong các dịch vụ nhạy cảm với độ trễ, scheduler miền thời gian có thể ưu tiên cho người dùng riêng biệt, ngay cả khi chất lượng kênh chưa đạt giá trị tối ưu, nhằm tối đa hóa hiệu suất toàn hệ thống Việc khai thác sự thay đổi chất lượng kênh trong miền tần số giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn, đặc biệt trong LTE, quyết định phân bố có thể được thực hiện sau mỗi 1ms với độ phân giải 180 KHz, cho phép theo dõi các thay đổi kênh truyền tương đối nhanh bởi bộ scheduler.
Trong quá trình truyền xuống, các thiết bị đầu cuối liên tục gửi đánh giá về chất lượng kênh truyền tới trạm gốc dựa trên đo lường tín hiệu tham khảo từ trạm Những đánh giá này không chỉ giúp xác định chất lượng kênh hiện tại mà còn được sử dụng để tối ưu hóa quá trình giải điều chế tín hiệu Dựa trên thông tin về chất lượng kênh truyền, bộ lập lịch phân bổ tài nguyên xuống có thể điều chỉnh lượng tài nguyên cấp phát cho từng người dùng, đảm bảo chất lượng dịch vụ Mỗi thiết bị đầu cuối có thể được phân bổ một tổ hợp các khối tài nguyên rộng 180 KHz trong mỗi khoảng thời gian 1ms (chu kỳ scheduling 1ms), giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng kênh truyền.
Hình 2.1 Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số
Quy hoạch đường lên LTE dựa trên sự phân cách trực giao giữa các người dùng, giúp tối ưu hóa việc phân phối tài nguyên không gian, thời gian và tần số Nhiệm vụ của scheduler đường lên là phân phát tài nguyên theo cơ chế phối hợp TDMA/FDMA, đảm bảo mỗi người dùng nhận được tài nguyên phù hợp để truyền dữ liệu Các quyết định phân bổ tài nguyên được thực hiện mỗi millisecond, bao gồm việc xác định thiết bị đầu cuối nào được phép truyền dữ liệu trong phạm vi một cell, và lựa chọn tần số cùng tốc độ dữ liệu phù hợp để đảm bảo hiệu quả truyền thông tối ưu.
Trạng thái kênh truyền là yếu tố quan trọng cần được quan tâm trong quá trình hoạch định đường lên, tương tự như quy trình hoạch định đường xuống Việc thu thập thông tin về trạng thái kênh truyền đường lên không phải là nhiệm vụ dễ dàng, do đó, các phương pháp khác để phân tập đường lên trở nên cần thiết như các giải pháp bổ sung trong những tình huống mà kỹ thuật hoạch định dựa trên trạng thái kênh truyền không khả thi.
Hình 2.2 Một ví dụ về điều phối nhiễu liên tế bào, nơi mà các phần phổ bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn
Điều phối nhiễu liên tế bào
LTE cung cấp sự trực giao giữa người dùng trong cùng một tế bào ở cả đường lên và đường xuống, nhưng hiệu suất phổ và tốc độ dữ liệu khả dụng bị hạn chế do nhiễu từ các tế bào lân cận (inter-cell interference) so với WCDMA/HSPA Để cải thiện hiệu suất hệ thống, các phương pháp giảm và kiểm soát nhiễu liên tế bào, như điều phối nhiễu liên tế bào, đóng vai trò then chốt, giúp nâng cao tốc độ dữ liệu tại biên tế bào bằng cách giám sát và hạn chế công suất phát trong các phần của phổ Việc này giúp giảm nhiễu trong các tế bào lân cận và tạo điều kiện cho tốc độ dữ liệu cao hơn cho người dùng trong các tế bào này Tuy nhiên, điều phối nhiễu liên tế bào là chiến lược phức tạp, đòi hỏi phải xem xét vị trí của các tế bào lân cận, và chỉ có thể áp dụng trong các nhóm tế bào được lựa chọn dựa trên yêu cầu kỹ thuật cụ thể.
ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft combining)
Kỹ thuật ARQ hỗn hợp nhanh kết hợp mềm (Fast hybrid ARQ with soft combining) được sử dụng trong LTE để cho phép thiết bị đầu cuối yêu cầu truyền lại các khối dữ liệu lỗi một cách nhanh chóng, nâng cao hiệu quả truyền dẫn Giao thức này dựa trên phương pháp stop and wait ARQ hỗn hợp song song nhiều luồng, giúp giảm thiểu tác động của các gói tin lỗi đến trải nghiệm người dùng cuối Ngoài ra, kỹ thuật này còn hỗ trợ việc thích ứng tốc độ truyền tự động (implicit rate adaptation), tối ưu hóa hiệu suất mạng LTE Cơ chế truyền lại dữ liệu diễn ra sau mỗi gói truyền, đảm bảo hoạt động liên tục và giảm thiểu gián đoạn trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support)
Để đạt được tốc độ truyền và nhận dữ liệu cao như vậy thì công nghệ LTE cũng yêu cầu những cải tiến trong phần anten
Nhiều anten thu có thể được sử dụng để thu phân tập (receive diversity), giúp chống fading và giảm nhiễu hiệu quả Kỹ thuật này đã được áp dụng trong truyền dẫn đường lên của các hệ thống tế bào từ nhiều năm trước, nhưng khi cấu hình hai anten thu trở thành tiêu chuẩn cho tất cả các thiết bị LTE, hiệu suất đường lên đã được nâng cao rõ rệt Phương pháp đơn giản nhất để tận dụng đa anten là kỹ thuật phân tập thu, không những giúp khử fading mà còn giới hạn nhiễu, nhờ vào khả năng sử dụng các anten không chỉ để chống nhiễu mà còn để triệt nhiễu hiệu quả hơn.
Nhiều anten phát tại trạm gốc có thể được sử dụng cho phân tập phát và các dạng tạo chùm tia (beamforming), nhằm mục tiêu chính là cải thiện tỷ số SNR hoặc SIR thu được Công nghệ này giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, nâng cao năng suất và mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng viễn thông.
Ghép kênh không gian, còn được xem như là MIMO, là công nghệ sử dụng nhiều anten cho cả máy phát và máy thu, được hỗ trợ bởi LTE Công nghệ này giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các tình huống hạn chế băng thông bằng cách tạo ra nhiều kênh song song, nâng cao hiệu suất mạng không dây.
Hỗ trợ multicast và broadcast
Phát quảng bá nhiều tế bào (multi-cell broadcast) là kỹ thuật truyền tải đồng bộ các thông tin giống nhau từ nhiều vùng tế bào Việc áp dụng công nghệ này tại thiết bị đầu cuối giúp tối ưu hóa năng lượng tín hiệu từ nhiều vùng tế bào và nâng cao vùng phủ sóng Kỹ thuật này đã được triển khai trong các hệ thống broadcast/multicast nhiều tế bào của WCDMA, cho phép thiết bị đầu cuối nhận và kết hợp mềm các tín hiệu từ nhiều tế bào, từ đó cải thiện chất lượng kết nối và mở rộng phạm vi phát sóng.
LTE mở rộng khả năng broadcast nhiều tế bào bằng cách truyền đi đồng bộ các tín hiệu từ nhiều site tế bào với chế độ điều chế và mã hóa giống nhau, đồng thời đồng bộ thời gian truyền dẫn để tái tạo chính xác tín hiệu gốc tại thiết bị đầu cuối, giảm thiểu hiện tượng truyền đa đường Nhờ khả năng chống nhiễu của OFDM, phương pháp truyền dẫn nhiều tế bào (multi cell transmission) còn được gọi là Mạng đơn tần số Multicast-Broadcast (MBSFN), giúp cải thiện cường độ tín hiệu nhận được và loại bỏ nhiễu liên tế bào Với OFDM, lưu lượng broadcast/multicast không bị giới hạn bởi nhiễu tạp âm và có thể đạt đến mức cao trong các mạng tế bào nhỏ.
Việc sử dụng truyền dẫn MBSFN cho broadcast/multicast nhiều tế bào yêu cầu đảm bảo sự liên kết thời gian và đồng bộ chính xác giữa các tín hiệu phát từ các site tế bào khác nhau Điều này là rất quan trọng để duy trì chất lượng dịch vụ và tránh nhiễu giữa các phần tử trong mạng Chú ý đến vấn đề đồng bộ và liên kết thời gian giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn MBSFN trong mạng di động 4G/5G.
Tính linh hoạt phổ tần số
Mức độ linh hoạt phổ cao là một đặc tính then chốt của công nghệ truy cập vô tuyến LTE, giúp triển khai linh hoạt trong nhiều phổ tần khác nhau Tính linh hoạt này cho phép LTE hoạt động trong các băng tần đa dạng, bao gồm các cấu hình sắp xếp song công (duplex arrangements), băng tần hoạt động, và kích thước của phổ tần khả dụng Nhờ đó, công nghệ LTE có thể thích nghi với các yêu cầu mạng và điều kiện địa lý khác nhau một cách hiệu quả.
Hình 2.3 FDD vs TDD FDD: Frequency Division Duplex; TDD: Time Divison
Duplex; DL:Downlink; UL: Uplink
Tính linh hoạt trong sắp xếp song công
Một yếu tố thiết yếu trong yêu cầu của LTE về tính linh hoạt phổ là khả năng triển khai truy nhập vô tuyến dựa trên LTE trong cả phổ tần theo cặp hoặc không theo cặp, giúp LTE hỗ trợ sắp xếp phân chia truy cập song công theo cả thời gian và tần số Trong đó, FDD (Full Duplex Division) chia băng tần riêng biệt cho đường lên và đường xuống, như minh họa trong hình 2.3a, còn TDD (Time Division Duplex) sử dụng các khe thời gian không trùng nhau để truyền dẫn đường lên và đường xuống, như trong hình 2.3b Điều này cho phép TDD hoạt động trên phổ không theo cặp (unpaired spectrum), trong khi FDD yêu cầu phổ theo cặp (paired spectrum), tạo ra sự linh hoạt trong triển khai mạng LTE.
Tính linh hoạt trong băng tần hoạt động
LTE được triển khai dựa trên nhu cầu, có thể tạo ra phổ tần khả dụng bằng cách cấp phát mới hoặc dịch chuyển phổ tần hiện có cho thông tin di động, ví dụ như băng tần 2.6 GHz hoặc chuyển đổi từ hệ thống GSM thế hệ thứ hai Ngoài ra, LTE còn có khả năng hoạt động trên nhiều dải tần khác nhau, từ tần số thấp như 450 MHz đến tần số cao như 2.6 GHz, giúp tối ưu hóa khả năng truy cập vô tuyến trong nhiều môi trường khác nhau.
Khả năng vận hành một công nghệ truy cập vô tuyến trên nhiều băng tần khác nhau không phải là điều mới mẻ, ví dụ như thiết bị đầu cuối 3 băng tần phổ biến hoạt động trên các băng tần 900, 1800 và 1900 MHz Trong góc nhìn về chức năng truy cập vô tuyến, LTE không giới hạn hoặc đặc biệt hóa cho bất kỳ băng tần nào, nhưng đặc điểm kỹ thuật giữa các băng tần chủ yếu liên quan đến yêu cầu về RF như công suất phát tối đa và hạn chế phát xạ ngoài băng Các khác biệt này phần lớn xuất phát từ các quy định của các cơ quan quản lý, có thể khác nhau giữa các băng tần, đặt ra các giới hạn kỹ thuật để đảm bảo tuân thủ pháp luật.
Tính linh hoạt về băng thông
Khả năng triển khai truy cập vô tuyến LTE trên nhiều băng tần khác nhau cho phép vận hành LTE với các băng thông truyền dẫn đa dạng ở cả đường xuống và đường lên, phù hợp với sự khác biệt về phổ tần có sẵn của từng nhà mạng Việc này dựa trên thực tế về tình trạng phổ tần và sự phân bổ của các băng tần dành cho LTE, giúp tối ưu hoá hiệu suất mạng và tận dụng tốt các tài nguyên phổ tần Ngoài ra, khả năng vận hành trên nhiều phân bố phổ tần khác nhau còn giúp thúc đẩy quá trình chuyển đổi dần dần từ các công nghệ truy nhập vô tuyến cũ sang LTE, đảm bảo tính liên tục và linh hoạt trong triển khai mạng di động.
LTE hoạt động linh hoạt trong dải phổ tần rộng nhờ đặc tính kỹ thuật cho phép sử dụng băng thông truyền dẫn đa dạng từ 1 MHz đến hơn 20 MHz theo từng bước 180 KHz Để đạt tốc độ dữ liệu cao, LTE yêu cầu một băng thông truyền dẫn rộng, nhưng trong thực tế, vì hạn chế về phổ tần hoặc chuyển đổi công nghệ, LTE vẫn có thể hoạt động với băng thông hẹp hơn, dẫn đến giảm tốc độ dữ liệu tối đa Đặc điểm kỹ thuật lớp vật lý của LTE không quy định rõ ràng về băng thông, chỉ đưa ra mức tối thiểu và hỗ trợ các băng thông dựa trên các dự báo về phân bố phổ và các kịch bản di chuyển của người dùng Tuy nhiên, các băng thông truyền dẫn bổ sung có thể dễ dàng được cập nhật thông qua việc sửa đổi tiêu chuẩn RF, giúp mở rộng khả năng hỗ trợ băng thông phù hợp với nhu cầu thực tế.
Các thủ tục truy nhập trong LTE
Trong các chương trước, chúng ta đã tìm hiểu về sơ đồ truyền dẫn đường lên (uplink) và đường xuống (downlink) của LTE Tuy nhiên, trước khi dữ liệu được truyền, các thiết bị di động cần thiết lập kết nối với mạng Phần này sẽ trình bày các thủ tục cần thiết để đầu cuối di động có thể truy cập vào mạng dựa trên công nghệ LTE, đảm bảo kết nối ổn định và hiệu quả.
Dò tìm tế bào (cell search)
Dò tìm cell là thủ tục giúp đầu cuối xác định cell có khả năng kết nối đến hệ thống, đồng thời nhận dạng và đánh giá thời khung của cell được phát hiện Quá trình này còn cung cấp các thông số cần thiết để tiếp nhận thông tin qua kênh quảng bá, bao gồm các tham số truy cập hệ thống Để giảm độ phức tạp, dò tìm cell trong LTE thường được thực hiện qua nhiều bước, tương tự thủ tục của WCDMA LTE hỗ trợ bằng cách phát ra tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp trên đường xuống, là các dãy số đặc biệt chèn vào cuối của hai ký tự OFDM trong khung phụ đầu tiên của các subframe 0 và 5 Ngoài ra, các tín hiệu tham khảo cũng có thể được khai thác như một phần của quy trình dò tìm nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Thủ tục dò tìm cell (cell search)
Trong bước đầu tiên của quá trình dò tìm cell, thiết bị đầu cuối di động sử dụng tín hiệu đồng bộ sơ cấp để thực hiện định thời trong khoảng 5 ms Tín hiệu đồng bộ sơ cấp được phát hai lần trên mỗi khung nhằm đơn giản hóa quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến như GSM và LTE Vì vậy, tín hiệu đồng bộ sơ cấp chỉ cung cấp khả năng định thời khung với độ chính xác khoảng 5 ms, mặc dù không rõ ràng tuyệt đối.
Việc thực thi của thuật toán đánh giá là đặc trưng của nhà khai thác, giúp thực hiện lọc thích ứng giữa tín hiệu thu được và các chuỗi tín hiệu đa dạng Khi đầu ra của bộ lọc thích ứng đạt đến giá trị tối đa, hệ thống có thể xác định định thời trên cơ sở 5 ms, nâng cao hiệu quả xử lý tín hiệu Bước đầu tiên của quá trình này còn có thể chặn tần số của bộ dao động cục bộ trên đầu cuối di động, giúp giảm nhiễu và cải thiện chất lượng liên lạc Việc chặn tần số dao động cục bộ đến tần số trạm gốc không chỉ giảm bớt yêu cầu chính xác của bộ dao động trong thiết bị đầu cuối mà còn giúp giảm chi phí sản xuất và bảo trì.
Có ba chuỗi khác nhau có thể được sử dụng như tín hiệu đồng bộ sơ cấp, mỗi chuỗi có phép ánh xạ một-để-một với nhận dạng tế bào trong cùng một nhóm Nhờ đó, sau bước đầu tiên, đầu cuối đã xác định được nhận dạng trong nhóm nhận dạng tế bào, giúp dễ dàng phân biệt các phần của tín hiệu tham khảo Tuy nhiên, thiết bị đầu cuối vẫn chưa xác định được chính xác nhóm nhận dạng tế bào sau quá trình này, đòi hỏi các bước tiếp theo để hoàn thiện nhận diện.
Trong bước tiếp theo, hệ thống xác định nhóm nhận dạng cell và thiết lập khung thời gian bằng cách theo dõi các cặp khe thời gian, nơi các tín hiệu đồng bộ thứ cấp được phát Việc này giúp xác định các cặp chuỗi hợp lệ (s1, s2), trong đó s1 và s2 tương ứng với tín hiệu đồng bộ thứ cấp trong các khung phụ khác nhau, đảm bảo quá trình đồng bộ chính xác và hiệu quả trong hệ thống truyền thông.
Trong bài viết này, chúng tôi nhấn mạnh rằng cặp ngược lại (s2, s1) không phải là một cặp chuỗi có giá trị Bằng cách tận dụng đặc tính này, đầu cuối có thể phân giải định thời 5 ms từ bước đầu tiên của thủ tục dò tìm cell và xác định khung thời gian Hơn nữa, khi các cặp (s1, s2) đại diện cho nhóm nhận dạng cell, nhóm này được xác định từ bước thứ hai của quá trình dò tìm cell Từ nhóm nhận dạng cell, hệ thống còn thu thập thông tin về chuỗi giả-ngẫu nhiên sử dụng để tạo tín hiệu tham chiếu trong cell, giúp nâng cao hiệu quả nhận diện và phân tích tín hiệu.
Sau khi thủ tục dò tìm cell hoàn tất, hệ thống sẽ phát quảng bá thông tin tới đầu cuối nhận để lấy các thông số còn lại Các dữ liệu này bao gồm các thông tin quan trọng như băng thông truyền dẫn trong cell, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và đảm bảo kết nối ổn định Quá trình này là bước cần thiết để thiết lập và duy trì kết nối viễn thông hiệu quả, phù hợp với các quy chuẩn và chuẩn SEO về mạng di động.
Hình 2.4 Tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp
Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ
Cấu trúc thời gian và tần số tổng quát đã được mô tả và minh họa trong hình 2.4, thể hiện quá trình phát các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp qua hai ký tự OFDM Thiết kế này nhằm cho phép xử lý kết hợp tín hiệu đồng bộ thứ cấp tại thiết bị đầu cuối, giúp nâng cao hiệu suất hệ thống Sau bước đầu, tín hiệu đồng bộ sơ cấp được nhận diện để phục vụ quá trình đánh giá kênh, từ đó cải thiện xử lý tín hiệu trong bước tiếp theo Tuy nhiên, việc sắp xếp các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp gần nhau đòi hỏi đầu cuối phải ước lượng độ dài tiền tố chu trình, dù có thể không chính xác, nhưng hoạt động này có độ phức tạp thấp, giúp tối ưu hiệu quả hệ thống.
Trong nhiều trường hợp, các cell được đồng bộ thời gian để bắt đầu khung cùng nhau, nhằm hỗ trợ hoạt động MBSFN Điều này có nghĩa là truyền dẫn tín hiệu đồng bộ sơ cấp cùng lúc trong các cell, giúp phản ánh chính xác kênh ghép từ các cell đó Tuy nhiên, việc giải điều chế tín hiệu đồng bộ thứ cấp phải phù hợp với từng cell riêng lẻ, không thể tổng hợp từ tất cả các cell cùng lúc Do đó, LTE hỗ trợ nhiều chuỗi cho tín hiệu đồng bộ sơ cấp để tối ưu hóa đánh giá kênh trong các cell đồng bộ về thời gian Ngoài ra, tín hiệu đồng bộ sơ cấp còn mang theo phần nhận dạng cell, giúp xác định chính xác nguồn phát.
Hình 2.5 Việc phát tín hiệu đồng bộ trong miền tần số
Từ góc độ TDD (TDD perspective), việc đặt tín hiệu đồng bộ ở cuối của khe thời gian đầu tiên trong khung phụ mang lại lợi ích vì ít hạn chế hơn trong việc tạo ra thời gian bảo vệ giữa đường lên và đường xuống Đặt tín hiệu đồng bộ trong khe cuối cùng của khung phụ giúp tránh các hạn chế liên quan đến thời gian bảo vệ cho TDD do loại bỏ ký tự OFDM đường xuống Ngoài ra, trong hoạt động TDD, các khung phụ 0 và 5 thường luôn được xác định là các khung phụ cho đường xuống, phù hợp với chiến lược định vị tín hiệu đồng bộ hợp lý để tối ưu hiệu suất mạng.
Khi bắt đầu thủ tục dò tìm cell, băng thông truyền dẫn không cần thiết được nhận biết, giúp quá trình xác định cell trở nên đơn giản hơn Thủ tục dò tìm băng thông truyền dẫn thường đã được tích hợp vào quá trình dò tìm cell, nhưng việc này có thể làm phức tạp toàn bộ quy trình, do đó tránh điều này giúp duy trì hệ thống đồng bộ dễ dàng hơn Để giữ cấu trúc miền tần số nhất quán cho các tín hiệu đồng bộ, các tín hiệu này luôn được phát bằng cách sử dụng 72 sóng mang phụ trung tâm, tương ứng với khoảng 1 MHz băng thông Hình 2.5 minh họa quá trình phát sinh tín hiệu đồng bộ, trong đó 36 sóng mang phụ nằm ở hai phía của sóng mang phụ DC trong miền tần số dành riêng cho tín hiệu đồng bộ Bằng cách sử dụng phép biến đổi IFFT, ta có thể tạo ra tín hiệu miền thời gian tương ứng, với độ lớn và số sóng mang phụ tùy thuộc vào băng thông hệ thống Những sóng mang phụ không dùng cho tín hiệu đồng bộ có thể được tận dụng để truyền dữ liệu, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng tài nguyên.
Dò tìm cell ban đầu và kế cận
Trong quá trình tìm kiếm một cell để kết nối sau khi đầu cuối bật nguồn, khả năng nhận dạng các cell phù hợp để chuyển giao qua lại là yếu tố quan trọng để hỗ trợ tính di động Các tình huống này bao gồm việc dò tìm cell ban đầu khi đầu cuối chưa biết tần số sóng mang của các cell, cũng như dò tìm cell kế cận để duy trì kết nối liên tục Đối với dò tìm cell ban đầu, đầu cuối cần lặp lại quá trình dò trên các tần số khả thi do bộ quét tần số cung cấp, nhằm xác định tần số phù hợp Các phương pháp tối ưu có thể được áp dụng để giảm thời gian tìm kiếm, chẳng hạn như bắt đầu dò tìm từ tần số mà cuối lần kết nối trước đó để nâng cao hiệu quả và giảm thiểu thời gian kết nối.
Dò tìm cell lân cận đòi hỏi thời gian thực hiện khắt khe hơn, vì quá trình dò tìm chậm sẽ khiến thiết bị đầu cuối mất nhiều thời gian hơn để chuyển sang cell có chất lượng vô tuyến tốt hơn Điều này dẫn đến giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả hoạt động của mạng di động.
Trong quá trình chuyển giao tần số bên trong (intra-frequency handover), đầu cuối không cần tìm kiếm tần số sóng mang ở các cell lân cận, giúp giảm thời gian và tài nguyên tiêu thụ Việc dò tìm cell lân cận ở tần số bên trong có thể thực hiện bằng các thủ tục tương tự như quá trình dò tìm cell ban đầu, đảm bảo hiệu quả và linh hoạt trong quản lý mạng.
Kết luận
Chương 2 đã giúp chúng ta tìm hiểu được các phương thức truy nhập vô tuyến của mạng Công nghệ LTE hỗ trợ truy nhập đường lên và đường xuống theo hai phương thức khác nhau: Đường lên sử dụng phương thức đa truy nhập sóng đơn SC – FDMA; Đường xuống sử dụng phương thức đa truy nhập sóng mang OFDMA
Phía thu và phía phát đều sử dụng công nghệ MIMO để nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu trong mạng LTE Công nghệ MIMO giúp cải thiện tốc độ và độ tin cậy của kết nối, đồng thời tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu giữa thiết bị và trạm phát sóng Quá trình kết nối của một thuê bao vào mạng LTE bắt đầu từ việc thiết bị thiết lập liên lạc với trạm phát sóng và thực hiện các bước xác thực, qua đó đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của kết nối mạng di động LTE.
