Đề tài Lớp vật lý của E-UTRAN

Nội dung của đề tài gồm 3 chương sau:Tổng quan về công nghệ LTE. Nhằm có được cái nhìn tổng quan về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP thông qua LTE cùng với các mục tiêu yêu cầu cả về giao diện vô tuyến cũng như kiến trúc mạng. Chương I cũng trình bày các đặc tính quan trọng của LTE để có cái nhìn chi tiết hơn về công nghệ 3GPP LTE.Lớp vật lý của EUTRAN. Trình bày chi tiết lớp vật lý của EUTRAN như kiến trúc của trạm gốc, các kỹ thuật được sử dụng cho đường lên và đường xuống như OFDM cho đường xuống và SCFDMA cho đường lên, MIMO, HARQ, thích ứng đường truyền.... và đồng thời cũng đưa ra các kênh vật lý cho đường lên và đường xuống.Mô phỏng điều chế SCFDMA cho đường lên. Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab để mô phỏng và so sánh SCFDMA ở đường lên với OFDMA để thấy rằng SCFDMA cải thiện đáng kể nhược điểm của OFDM cho đường lên đó là giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình. Ngoài ra chương trình mô phỏng còn đánh giá hiệu suất thông lượng LTE đường lên.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN

Giáo viên hướng dẫn : Gv Nguyễn Viết Đảm Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thành Tiến Lớp : D2005VT2

KHOA VIỄN THÔNG 1

Giáo viên hướng dẫn : Gv Nguyễn Viết Đảm

Lớp : D2005VT2

Điểm : (Bằng chữ : )

Ngày tháng năm 2009

Giáo viên hướng dẫn

Điểm : (Bằng chữ : )

Ngày tháng năm 20

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN iv

Giáo viên hướng dẫn iv

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN v

MỤC LỤC i

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

ix

ix

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT x

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT x

LỜI NÓI ĐẦU xii

LỜI NÓI ĐẦU xii

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1

1.1.Mở đầu 1

1.1.1 Quá trình chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP 1

1.1.2 Phát triển dài hạn LTE 2

1.2.Tổng quan công nghệ LTE 4

1.2.1 Các mục tiêu yêu cầu của LTE 5

1.2.1.1.Các khả năng của LTE 5

1.2.1.2.Hiệu năng hệ thống 6

1.2.1.3.Khía cạnh về việc triển khai 8

1.2.1.4.Quản lí tài nguyên vô tuyến 9

1.2.1.5.Vấn đề về mức độ phức tạp 10

1.2.2 Các tính năng then chốt của LTE 11

1.2.2.1.Sơ đồ truyền dẫn 11

1.2.2.2.Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ 12

1.2.2.3.Điều phối nhiễu giữa các ô 13

1.2.2.4.HARQ với kết hợp mềm 14

1.2.2.5.Hỗ trợ đa anten 14

1.2.2.6.Hỗ trợ quảng bá và đa phương 14

1.2.2.7.Linh hoạt phổ 15

1.3 Kiến trúc mô hình LTE 16

1.4.Tổng kết 18

CHƯƠNG 2 LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN 20

CHƯƠNG 2 LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN 20

2.1 Kiến trúc của trạm gốc 20

2.2 Sơ đồ đường xuống của E-UTRAN 22

2.2.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 22

2.2.1.1 Máy phát 23

2.2.1.2 Máy thu 28

2.2.2 Tín hiệu và kênh vật lý đường xuống 32

2.2.3 Kiến trúc máy phát tín hiệu vật lý 33

2.2.3.1 Ghép kênh dữ liệu đường xuống 34

2.2.3.2 Sơ đồ điều chế 38

2.2.3.3 Mã hóa kênh 39

2.2.3.4 Bộ tạo tín hiệu OFDM 39

2.2.4 Thích ứng đường truyền hướng xuống 40

2.2.5 HARQ 41

2.2.6 Bộ lập lịch gói đường xuống 42

2.3.Sơ đồ đường lên của E-UTRAN 44

2.3.1 Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 44

2.3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA 44

2.3.1.2 SC-FDMA với tạo dạng phổ 50

2.3.2 Sắp xếp các sóng mang 52

2.3.3 Biểu diễn tín hiệu SC-FDMA miền thời gian 54

2.3.3.1 IFDMA trong miền thời gian 54

2.3.3.2 LFDMA trong miền thời gian 56

2.3.3.3 DFDMA trong miền thời gian 57

2.3.4 Cấu trúc khung tổng thể miền thời gian 61

2.3.5 Các tín hiệu tham khảo 67

2.3.5.1 Nhiều tín hiệu tham khảo 70

2.3.5.2 Các tín hiệu tham khảo để thăm dò kênh 71

2.3.6 Xử lí kênh truyền tải đường lên 72

2.3.6.1 Chèn CRC 72

2.3.6.2 Mã hóa kênh 72

2.3.6.3 Chức năng HARQ của lớp vật lý 73

2.3.6.4 Ngẫu nhiên hóa mức bít 74

2.3.6.5 Điều chế số liệu 74

2.4 Tổng kết 76

76

76

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ SC-FDMA CHO ĐƯỜNG LÊN 77

3.1 Mở đầu 77

3.2 Phân tích các đặc tính PAPR của SC-FDMA và kết quả mô phỏng 79

3.2.1 Kết quả mô phỏng PAPR với cùng hệ số Rolloff 84

3.2.2 Kết quả mô phỏng PAPR với tạo dạng xung và không định dạng xung 86

3.2.3 Kết quả mô phỏng PAPR với hệ số Rolloff khác nhau 88

3.3 Thông lượng hệ thống SC-FDMA 90

3.4 SER hệ thống SC-FDMA 94

KẾT LUẬN 101

KẾT LUẬN 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tiến trình các phát hành trong 3GPP 1

Hình 1.2 Hội thảo nghiên cứu LTE 3

Hình 1.3 Tiến trình phát triển 3G lên 4G 4

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái trong LTE 5

Hình 1.5 Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE 6

Hình 1.7 Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi 10

Hình 1.8 Các trạng thái UE trong UMTS 10

Hình 1.9 Lập biểu đường lên và đường xuống 13

Hình 1.12 Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt 16

Hình 1.13 Kiến trúc mô hình LTE sau khi đã chuyển giao 17

Hình 1.14 Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822 18

Hình 2.1 Kiến trúc trạm gốc E-UTRAN 21

Hình 2.2 Ký hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM 23

Hình 2.3 Sơ đồ khối của một hệ thống OFDM 23

Hình 2.4 Trình bày OFDM (sau chèn CP) trong miền thời gian và tần số 25

Hình 2.5 Giải thích ý nghĩa chèn CP a) không chèn CP, b) chèn CP 26

Hình 2.6 Minh họa quá trình tích chập quay vòng giữa đáp ứng kênh xung kim h và xCP 29

Hình 2.7 Hệ thống thông tin OFDM băng gốc với các tín hiệu ở dạng vector 30

Hình 2.8 Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM trong không gian hai chiều (tần số - thời gian) 31

Hình 2.9 Các kênh vật lý đường xuống 33

Hình 2.10 Tổng quan về bộ tạo tín hiệu băng gốc đường xuống 34

Hình 2.11 Lưới tài nguyên thời gian-tần số đường xuống 35

Hình 2.12 Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống 37

Hình 2.13 Bộ tạo tín hiệu OQAM/OFDM 39

Hình 2.14 Cơ cấu bộ lập lịch gói 44

Hình 2.15 Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA và OFDMA 45

Hình 2.16 Minh họa việc chèn CP 47

Hình 2.17 Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA 48

Hình 2.18 PAPR của SC-FDMA và OFDMA 49

Hình 2.19 PAPR với các kiểu điều chế khác nhau 50

Hình 2.20 Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA 50

Hình 2.21 Phân bố PAPR với hệ số Rolloff 51

Hình 2.23 Sắp xếp các sóng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA 53

Hình 2.24 Hai phương pháp cấp phát cho các người dùng (3 người dùng, 12 sóng mang, 4 song mang/ người dùng) 53

Hình 2.26 Các kí hiệu truyền dẫn SC-FDMA trong miền thời gian 59

Hình 2.27 Biên độ các kí hiệu SC-FDMA 60

Hình 2.28 PAPR của các tín hiệu SC-FDMA 61

Hình 2.29 Cấu trúc khung trong miền thời gian 62

Hình 2.32 Ấn định tài nguyên đường lên LTE 65

Hình 2.33 Nhảy tần đường lên LTE 65

Hình 2.35 các tín hiệu tham khảo được chèn vào khối thứ tư từng khe đường lên 68

Hình 2.39 Bộ mã hóa Turbo 73

Hình 2.40 Chức năng HARQ của lớp vật lý 73

Hình 2.41 Khối xử lý DFT-OFDM của ký các kí hiệu 74

Hình 2.42 Xử lý kênh truyền tải đường lên LTE 75

78

Hình 3.1 Giao diện chương trình 78

80

Hình 3.2 Giao diện chính của chương trình mô phỏng PAPR 80

Hình 3.3 Thuật toán mô phỏng 83

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0.45, điều chế QPSK 84

84

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0.45, điều chế 16-QAM 84

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0.45, điều chế 64-QAM 85

Hình 3.7 Kết quả với định dạng xung và không định dạng xung với điều chế QPSK.86 Hình 3.8 Kết quả với định dạng xung và không định dạng xung với điều chế 32QAM .87

Hình 3.9 Kết quả với định dạng xung và không định dạng xung với điều chế 64QAM .87

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0,15, điều chế QPSK 88

89

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0,99, điều chế QPSK 89

91

Hình 3.12 Giao diện mô phỏng thông lượng SC-FDMA 91

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng thông lượng hệ thống SC-FDMA 93

Hình 3.14 Thông lượng hệ thống với kiểu điều chế 8-QAM 94

95

Hình 3.15 Giao diện chương trình so sánh SER 95

Hình 3.16 Sơ đồ thuật toán tính toán SER 96

Hình 3.17 SER hai hệ thống SC-FDMA và OFDMA với mô hình kênh cho người đi bộ di chuyển với vận tốc 3 Km/h 97

Hình 3.18 SER hai hệ thống SC-FDMA và OFDMA với mô hình kênh cho người đi bộ di chuyển với vận tốc 3 Km/h 98

Hình 3.19 SER trong hai điều kiện kênh khác nhau 99

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường

xuống và HSDPA 6

Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường lên và HSDPA 7

Bảng 1.3 Yêu cầu gián đoạn cho LTE 9

Bảng 2.1 Các thông số cho sơ đồ truyền dẫn đường xuống 31

Bảng 2.2 Các thông số khối tài nguyên 36

Bảng 2.3 Băng thông khối tài nguyên vật lý và số khối tài nguyên vật lý phụ thuộc vào băng thông 36

Bảng 2.4 Các thông số OFDM 40

Bảng 2.5 Các thông số khối tài nguyên đường lên LTE 66

Bảng 2.6 Các thông khả dụng đường lên LTE 67

Bảng 3.1 Các thông số giả thiết cho quá trình mô phỏng 78

Bảng 3.2 PAPR với các kiểu điều chế khác nhau với cùng hệ số Rolloff 85

Bảng 3.3 So sánh PAPR các lược đồ truyền dẫn với trường hợp định dạng xung và không định dạng xung 88

Bảng 3.4 PAPR với hệ số Rolloff khác nhau khi cùng kiểu điều chế QPSK 89

Bảng 3.5 Giá trị SNR tại các vị trí đỉnh 93

Bảng 3.6 SER của các tín hiệu với mô hình kênh cho người đi bộ 97

Bảng 3.7 SER của các tín hiệu với mô hình kênh cho phương tiện 98

CAZAC Constant Amplitude Zero

Auto-Correlation Tự tương quan bằng không biên độ không đổiCCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

CDS Channel Depend Schedule Lập lịch phụ thuộc kênh

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

C-RNTI Cell Radio Network Temporary

D

DS-CDMA Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã

chuỗi trực tiếp

E

phát triển

F

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần

sốFDMA Frequency Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

G

GERAN GSM EDGE Radio Access

GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đường hầm GPRS

H

HARQ Hybrid Automatic Repeat RequestYêu cầu phát lại tự động linh hoạtHSDPA High Speed Downlink packet

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSS Home Subcriber Server Server thuê bao nhà

HSUPA High Speed Uplink packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

I

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000 International Mobile

Telecommunication 2000 Thông tin di động quốc tế 2000ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí hiệu

L

MME Mobile management Entity Thực thể quản lí di động

MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình cực

tiểu

P

PAPR Peak to avegare Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

trung bìnhPCRF Policy and Charing Rules Fuction Chức năng quy tắc tinh cước và

chính sáchP-GW Packet Data Network – Gateway Cổng mạng dữ liệu gói

PSR Packet Success Ratio Tỷ lệ gói thành công

PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên vật lý

Q

QPSK Quatrature phase Shift Key Khóa chuyển pha vuông góc

R

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

S

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc mạng

SC/FDE Single Carrier/ Frequency

Domain Equalizer Đơn sóng mang/ bộ cân bằng miền tần sốSC-FDMA Single Carier – frequency

Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mangSC-CFDMA Single Carrier – Code FDMA Đa truy nhập phân chia tần số mã

đơn sóng mang

SGSN Serving GPRA Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

T

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời

gianTD-SCDMA Time Division-Synchronous Code

Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ-phân chia theo thời gianTTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát

U

UL-SCH Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

LỜI NÓI ĐẦU

Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra máyđiện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang được

thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷnguyên mới Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụmới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử dụng khoảngkhông gian thời gian và số lượng các thuê bao Các xu hướng này đang tiếp tục tăngtrong những năm tới Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiềuloại hình dịch vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi Các dịch vụ đượccung cấp cho thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao,video và multimeadia cũng như dịch vụ thoại Mạng thông tin di động 3G đã đượctriển khai rộng khắp ở nhiều nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam Ở nước ta hiệnnay các mạng di động lớn như Vinaphone, Viettel và Mobilphone đã và đang triểnkhai dịch vụ 3G một cách rộng khắp

Mặt khác, cùng với nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng

và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video,hình ảnh và dữ liệu Để đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó,các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các

tổ chức trên thế giới Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tấtyếu 3GPP LTE một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đường khác nhautiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giá thành dịch vụ cũngnhư thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụ hiện tại và tương lai Đồng thời

để làm cho công nghệ 3GPP UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh với các công nghệkhác như Wimax và công nghệ 3GPP2, 3GPP quyết định phát triển E-UTRA và E-UTRAN còn được gọi là siêu 3G hay LTE thực chất là giai đoạn đầu của 4G Theo đó,

em chọn đề tài nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: “Lớp vật lý của E-UTRAN“ Nộidung của đề tài gồm 3 chương sau:

Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE Nhằm có được cái nhìn tổng quan

về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP thông qua LTE cùng với các mục tiêu yêu cầu

cả về giao diện vô tuyến cũng như kiến trúc mạng Chương I cũng trình bày các đặctính quan trọng của LTE để có cái nhìn chi tiết hơn về công nghệ 3GPP LTE

Chương II: Lớp vật lý của UTRAN Trình bày chi tiết lớp vật lý của

E-UTRAN như kiến trúc của trạm gốc, các kỹ thuật được sử dụng cho đường lên vàđường xuống như OFDM cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên, MIMO,HARQ, thích ứng đường truyền và đồng thời cũng đưa ra các kênh vật lý cho đườnglên và đường xuống

Chương III: Mô phỏng điều chế SC-FDMA cho đường lên Sử dụng phần

để thấy rằng SC-FDMA cải thiện đáng kể nhược điểm của OFDM cho đường lên đó làgiảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Ngoài ra chương trình mô phỏngcòn đánh giá hiệu suất thông lượng LTE đường lên.

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chếnên không thể tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm Em rất mong nhận được sự phêbình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của Thầy Nguyễn Viết

Đảm cùng các Thầy cô trong khoa Điện tử-Viễn thông để em hoàn thành đề tài tốt

nghiệp này Rất mong được sự chỉ dẫn của các thầy cô cũng như ý kiến đóng góp củabạn bè

Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2009

Sinh viên:

Nguyễn Thành Tiến

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE

1.1 Mở đầu

1.1.1 Quá trình chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP

Từ khi ra đời cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trở thành một ngànhcông nghiệp viễn thông phát triển rất nhang chóng Không chỉ có dịch vụ thoại đượctriển khai trên hạ tầng mạng viễn thông di động mà cùng với nó là các loại hình dịch

vụ khác như hình ảnh, dữ liệu đang gia tăng cả về số lượng lẫn chất lượng Để đápứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin diđộng không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới

Tổ chức 3GPP là một tổ chức được giao trách nhiệm phát triển và hài hòa tiêuchuẩn HSPA Trước đó tổ chức này đã được giao nhiệm vụ tiêu chuẩn hóa choWCDMA - Một chuẩn cho hệ thống 3G đã được ITU chấp nhận và đưa vào hoạt động

Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008 được tổngkết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình vẽ sau

Hình 1.1 Tiến trình các phát hành trong 3GPP

Mốc đầu tiên cho WCDMA đã đạt được vào cuối năm 1999 khi phát hành R3được công bố chứa toàn bộ các đặc tả WCDMA Phát hànhh R4 được đưa ra sau đóvào cuối năm 2001 Tiếp theo là phát hành R5 được đưa ra vào năm 2002 và R6 đượcđưa ra vào năm 2004 Phát hành R7 được đưa ra vào nửa cuối năm 2007

Truy nhập gói tốc độ cao HSPA

Ở phiên bản đầu tiên R99, dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu được cảithiện đáng kể Luồng tốc số liệu có thể đạt đến tốc độ 2 Mbps ở những điểm nóng.Nhưng khi các dịch vụ số liệu được đưa vào triển khai trên các mạng thương mại thìdung lượng, tốc độ vẫn là những đòi hỏi cần phải được giải quyết Do đó, bước cải tiếnđầu tiên đối với WCDMA được đánh dấu bởi sự ra đời của kênh truyền tải mới HS-DSCH ở R5 được hoàn thành vào đầu năm 2002 Những cải tiến trong R5 này thườngđược nhắc đến với một tên gọi HSDPA Sự ra đời của HSDPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽcác dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn như các dịch vụ tương tác, dịch vụnền, dịch vụ streaming Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14,4 Mbps

Qua thực tế triển khai các mạng di động 3G cho thấy có rất nhiều dịch vụ sốliệu phổ biến yêu cầu tốc độ truyền dẫn trên hai hướng từ MS đến NodeB và ngược lại

có tốc độ tương đương nhau như các dịch vụ real-time gaming và các dịch vụ trên nềnTCP/IP Trong khi đó, R5 mới chỉ đưa ra giải pháp để hỗ trợ mạnh mẽ việc truyền dẫnbất đối xứng với tốc độ truyền dẫn trên kênh đường xuống cao hơn rất nhiều so vớikênh đường lên Nhược điểm này của R5 được khắc phục trong R6 được hoàn thànhvào đầu năm 2005 với tên gọi HSUPA, cải tiến kênh đường lên và là bước cải tiến thứhai đối với chuẩn mạng truy nhập vô tuyến WCDMA Những cải tiến trong R6 đãnâng tốc độ truyền dẫn trên kênh đường lên đạt đến tốc độ 5.4 Mbps dung lượng kênhtăng lên gấp hai lần so với kênh truyền tải đường lên trong R99

Cả hai mạng HSDPA và HSUPA được gọi với cái tên chung là HSPA Cácmạng HSDPA đầu tiên được thương mại hóa vào năm 2005 và HSUPA được đưa vàothương mại năm 2007

1.1.2 Phát triển dài hạn LTE

Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới 3GPP đã tiến hành nghiêncứu để cải thiện hiệu năng của UMTS bằng việc đưa ra các phát hành R5 và R6 vớicác tính năng như HSDPA, HSUPA và MBMS Với tốc độ tối đa là 14,4 Mbps đối vớiđường xuống và phát hành R7 HSPA+ (HSPA Evolution) với tốc độ tối đa là 42Mbps.Các phiên bản trên mặc dù đươc cải tiến khá nhiều song tốc độ thực sự chưa cao để cóthể đáp ứng tốt hơn cho các dịch vụ hiện tại và trong tương lai Hơn nữa cùng với sựxuất hiện công nghệ WiMAX 802.16 đã được IEEE chuẩn hóa với tốc độ lên tới hàngtrăm Mbps Đứng trước tình hình đó 3GPP đã nghiên cứu và đưa ra công nghệ LTE

hay gọi là Super 3G Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004 đầu năm 2005, nhằm đảmbảo tính cạnh tranh của mạng 3G trong vòng 10 năm tới.

Hình 1.2 Hội thảo nghiên cứu LTE

Super 3G đang được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, các thông số kỹ thuật cốt lõicủa Super 3G đã được phê chuẩn Super 3G với ưu điểm truyền dữ liệu có độ trễ thấp

và nâng cao hiệu qủa sử dụng phổ tần số, là một bước tiến dài so với chuẩn HSPA củamạng W-CDMA, công nghệ nguyên thủy của truyền dữ liệu gói 3G Super 3G đượcđánh giá đã đạt đến 3,9G, đã tiến đến rất gần trên con đường phát triển mạng băngthông rộng di động tốc độ cao tiên tiến thế hệ thứ tư, thế hệ 4G

LTE là một trong số các con đường tiến lên 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạnđầu của 4G, tiếp theo đó là IMT Advance 4G LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3GUMTS sang giai đoạn đầu 4G sau đó sẽ là IMT Advance Ngoài LTE của 3GPP thì3GPP2 cũng đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2đưa ra là UMB Chương trình khung của kế hoách này bắt đầu từ năm 2000 Ngoài raWiMAX cũng có kế hoạch lên 4G

Hình 1.3 Tiến trình phát triển 3G lên 4G

Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 4G được gọi là LTE cho phần vôtuyến và SAE cho phần mạng

1.2 Tổng quan công nghệ LTE

Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để

có thể triển khai vào năm 2010 Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, nângcao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm độ phứctạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệuquả để dễ ràng triển khai và khai thác hệ thống

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ, mục tiêu nghiên của LTE và SAE như sau:

1 Về phần vô tuyến (LTE):

• Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, giảm độ trễ

• Đơn giản hóa mạng vô tuyến

• Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS

2 Về phần mạng (SAE):

• Đơn giản mạng lõi

• Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ

• Đơn giản hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ không phải 3GPP

1.2.1 Các mục tiêu yêu cầu của LTE

Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cảđường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với cácmạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác Các mục tiêu LTE được thể hiệndưới các khía cạnh sau

1.2.1.1 Các khả năng của LTE

a Tốc độ số liệu đỉnh

Mục tiêu LTE cho các yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến100Mbps khi băng thông đựơc cấp phát là 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnh đường lênlên đến 50 Mbps khi băng thông được cấp phát là 20MHz (2,5bps/Hz) Các mục tiêu

về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm: (1) khả năng

đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả năng đường lên với một anten tại UE

b Trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng

Các mục tiêu giảm trễ được chia thành các yêu cầu cho trễ mặt phẳng điềukhiển (mặt phẳng C) và trễ mặt phẳng người sử dụng (mặt phẳng U)

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái trong LTE

LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong chế dộrỗi – Idle của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell_DCH) Nó cũng cần đảmbảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ (như trong R6 Cell_PCH)sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH)

Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng đảm bảo trễ nhỏ hơn 10ms Trễ mặtphẳng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong UE (hoặc Nodebiên của UTRAN) đến lớp IP trong Node biên của UTRAN (hoặc UE), Node biên củaUTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩn đảm bảo trễ măt phẳng U của LTE

nhỏ hơn 5ms trong điều kiện không tải (nghĩa là một người sử dụng với một luồng sốliệu đối với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề )

Hình 1.5 Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE

Bảng 1.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường

Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường

c Vùng phủ

Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính ô) tức là khoảngcách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô Hiệu suất, phổ tần và thông lượngyêu cầu cho các ô bán kính 5km với các ô bán kính tới 30 km cho phép giảm nhẹthông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song vẫn đáp ứngtính di động

d MBMS tăng cường

MBMS lần đầu được đưa vào trong R6 Trong mạng quảng bá, tài nguyên vôtuyến được thiết lập trong từng ô nằm trong vùng quảng bá MBMS và tất cả các đầucuối khi đăng kí với dịch vụ đều thu được cùng môt tín hiệu được phát này Mạngkhông cần theo dõi chuyển động đầu cuối và đầu cuối khi đăng kí có thể thu nội dung

mà không cần thông báo cho mạng Như vậy một trong các lợi ích của dịch vụ MBMS

là tiết kiệm được tài nguyên trong mạng vì một luồng dữ liệu có thể cung cấp chonhiều người sử dụng

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cấp tới chế độ quảng bá và chế độ phát đơnphương LTE phải đảm bảo các dịch vụ tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp Yêu cầucho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương ứng với 16

kênh TV trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz Tất nhiên LTEđảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộn lẫn với nhau.

1.2.1.3 Khía cạnh về việc triển khai

Các yêu cầu liên quan tới triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linhhoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các mạng tồn tạikhác của 3GPP như GSM, WCDMA/HSPA

a Triển khai phổ tần

Yêu cầu LTE làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau đây:

• Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm vớiGERAN/UTRAN trên các kênh lân cận

• E-UTRA phải có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mangkhác)

• Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyêntắc băng tần độc lập

LTE hỗ trợ cả ghép song công phân chia theo tần số FDD và ghép song côngphân chia theo thời gian TDD Các hệ thống FDD được triển khai trong các ấn địnhkép với một băng cho tryền dẫn đường xuống và một băng khác của truyền dẫn đườnglên Các hệ thống TDD được triển khai trong các ấn định băn tần đơn Hỗ trợ cả phổđơn và phổ kép đã có trong đặc tả của 3GPP ngay từ phát hành R3, mặc dù hiện naymới triển khai FDD cho WCDMA và HSPA

LTE có khả năng định lại cỡ trong miền tần số và hoạt động trong các băng tầnkhác nhau, yêu cầu tính linh hoạt đưa ra các danh sách ấn định phổ của LTE(1,25MHz; 1,6MHz; 2,5MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz và 20MHz)

Hình 1.6 Băng tần hoạt độngcủa LTE

b Vấn đề tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT

LTE phải hỗ trợ tương tác với các hệ thống 3G hiện có và với các hệ thốngkhông theo chuẩn 3GPP Tất cả các đầu cuối LTE hỗ trợ khai thác UTRAN/GERANphải có khả năng hỗ trợ đo, chuyển giao đến/từ cả hai hệ thống UTRAN và GERAN.Ngoài ra LTE cần phải hỗ trợ đo giữa các RAT chẳng hạn bằng cách cung cấp cho các

UE các cơ hội đo trên đường lên và đường xuống thông qua lập biểu Bảng sau mô tảgián đoạn giữa các công nghệ khác nhau với các dịch vụ

Bảng 1.3 Yêu cầu gián đoạn cho LTE

Phi thời gian thực (ms) Thời gian thực (ms)

Các yêu cầu trên được đặt ra cho các trường hợp với các mạng UTRAN và hoặcGERAN cung cấp hỗ trợ các chuyển giao LTE Thời gian chuyển giao nói trên đựơccoi là giá trị các tối thiểu, các giá trị này có thể thay đổi khi kiến trúc tổng thể và lớpvật lý được định nghĩa chi tiết

1.2.1.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến

Các yêu cầu quản lí tài nguyên vô tuyến được chia thành

Hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối: Yêu cầu một ‘dịch vụ phối hợp

cải tiến’ và các yêu cầu về giao thức (bao hàm cả lớp báo hiệu cao hơn) cho các tàinguyên vô tuyến RAN và các đặc tính RAN

Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn: Yêu cầu rằng LTE RAN phải

cung cấp các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơntrên giao diện vô tuyến, chẳng hạn như nén tiêu đề IP

Hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí tài chính sách trên các công nghệ truy nhập vôtuyến khác nhau: Yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hướng dẫn các đầu cuối

di động chuyển tới các công nghê truy nhập vô tuyến tương ứng trong quá trìnhchuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến

Hình 1.7 Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi

Hình 1.8 Các trạng thái UE trong UMTS

LTE_IDLE là trạng thái tích cực thấp trong đó đầu cuối di động ngủ hầu hếtthời gian để giảm tiêu thụ acqui Đồng bộ đường lên không được duy trì Trên đườngxuống, đầu cuối di động có thể định kì tỉnh giấc để nghe tìm gọi cho các cuộc gọi Đầucuối di động dữ các địa chỉ IP và các thông tin nội bộ khác để có thể chuyển nhanh vàotrạng thái LTE-ACTIVE khi cần Mạng chỉ biết một phần vị trí của đầu cuối di động,chẳng hạn biết nhóm các ô trong đó thực hiện tìm gọi đầu cuối di động.

LTE-ACTIVE là trạng thái được sử dụng khi đầu cuối tích cực phát số liệu vàthu số liệu Trong trường hợp này đầu cuối được nối tới một ô trong mạng Một địa chỉ

IP được gán cho đầu cuối di động cùng với một số nhận dạng C-RNTI được sử dụngcho các mục đích báo hiệu đầu cuối và mạng

Khi bật nguồn đầu cuối di động nhập vào trạng thái LTE-DETECTED Trongtrạng thái này mạng không biết đầu cuối Trước khi có thể thực hiện bất kì một cuộctruyền tin nào giũa đầu cuối di động và mạng Đầu cuối di động phải đăng kí với mạngbằng cách sử dụng thủ tục truy nhập ngẫu nhiên để vào trạng thái LTE-ACTIVE

1.2.2 Các tính năng then chốt của LTE

1.2.2.1 Sơ đồ truyền dẫn

Sơ dồ truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM OFDM làmột sơ đồ truyền dẫn hấp dẫn vì một số lý do, do thời gian ký hiệu OFDM kết hợp vớichu trình tiền tố khá dài, OFDM đảm bảo độ bền chắc chống lại chọn lọc tần số củakênh vô tuyến cao hơn Khả năng đề kháng chống pha đinh chọn lọc sẵn có là một giảipháp lý tưởng cho đường xuống đặc biệt được kết hợp với ghép kênh không gian

Một số lợi ích OFDM:

• OFDM cung cấp tới truy nhập miền tần số, vì thế cho phép mở rộng mức

độ tự do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA

• OFDM dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt (ít nhất từ quan điểmbăng gốc) bằng cách thay đối số lượng các sóng mang con sử dụng chotruyền dẫn

• OFDM cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá/đa phươngtrong đó cùng một thông tin được phát đi từ nhiều trạm gốc

Đối với đường lên LTE, truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên OFDM trải phổđược sử dụng (DFTs-OFDM) Sử dụng điều chế đơn sóng mang cho phép giảm PAPR

so với truyền dẫn đa sóng mang như OFDM PAPR càng nhỏ thì công suất phát trung

bình càng cao đối với một bộ khuếch đại công suất cho trước Vì thế truyền dẫn đơnsóng mang cho phép đạt được hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công suất cao hơn vàđiều này dẫn tới tăng vùng phủ Điều này thực sự quan trọng đối với đầu cuối di động

có công suất hạn chế Đồng thời vấn đề xử lý méo tín hiệu đơn sóng mang do pha đinhchọn lọc tần số gây ra trên đường lên lên cũng không phải là quan trọng vì nó đượcthực hiện tại trạm gốc nơi có khả năng xử lý tín hiệu mạnh hơn

1.2.2.2 Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ

LTE sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên tần số-thời gian đượcchia sẻ giữa các người sử dụng Việc sử dụng tài nguyên kênh chia sẻ là hoàn toàn phùhợp với các yêu cầu tài nguyên thay đổi rất nhanh chóng do truyền dẫn gói gây ra

Đối với từng thời điểm, bộ lập biểu điều khiển việc người sử dụng nào được ấnđịnh tài nguyên chia sẻ, nó cũng quyết định tốc độ số liệu sẽ được sử dụng cho từngliên kết và thích ứng đường truyền cũng có thể được coi là một bộ phận của bộ lậpbiểu Cả đường xuống và đường lên đều chịu sự điều khiển chặt chẽ của bộ lập biểu.Lập biểu phụ thuộc kênh là đưa ra quyết định dựa trên điều kiện kênh Ngoài miềnthời gian, LTE cũng có thể truy nhập tới miền tần số nhờ sử dụng công nghệ OFDMAcho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên Vì thế đối với từng miền tần số bộ lậpbiểu có thể chọn người sử dụng có điều kiện kênh tốt nhất

Khả năng lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số đặc biệt có ích tại tốc độ sốliệu thấp nói một cách khác khi kênh thay đổi chậm theo thời gian Đối với các dịch vụnhạy cảm trễ bộ lập biểu chỉ cho miền thời gian có thể bị buộc lập biểu cho một người

sử dụng cho dù chất lượng kênh của người này không tốt lắm Trong trường hợp này,việc khai thác cả thay đổi chất lượng kênh trong miền tần số sẽ hỗ trợ cải thiện tổnghiệu năng của hệ thống Đối với LTE, các quyết định lập biểu được thực hiện một lầntrong 1ms Và tính hạt trong miền tần số là 180 Khz Điều này cho phép bộ lập biểubám theo điều kiện kênh thay đổi khá nhanh

Hình 1.9 Lập biểu đường lên và đường xuống

1.2.2.3 Điều phối nhiễu giữa các ô

LTE đảm bảo tính trực giao cho các người sử dụng trong một ô trên cả đườnglên và đường xuống Vì thế có thể nói rằng hiệu năng liên quan tới hiệu suất sử dụngphổ của LTE bị giới hạn nhiều hơn bởi các nhiễu đến từ các ô khác (nhiễu giữa các ô)

so với WCDMA/HSPA Vì thế phương tiện để giảm nhiễu hay để điều khiển nhiễugiữa các ô sẽ đem lại lợi ích rất to lớn cho hiệu năng LTE (chẳng hạn như tốc độ sốliệu) nhất là đối với người sử dụng tại biên ô

Điều phối nhiêu giữa các ô là một chiến lược vô cùng quan trọng trong đó tốc

độ số liệu tại biên ô được tăng nhờ xét tới nhiễu giữa các người sử dụng Về cơ bảnđiều phối nhiễu giữa các ô có nghĩa là đưa ra các hạn chế nhất định (miền thời gian)cho các bộ lập biểu đường lên và đường xuống để điều khiển nhiễu giữa các ô Bằngcách hạn chế công suất của một số bộ phận phổ trong một ô, nhiễu trong các ô lân cậntrong phần phổ này sẽ giảm Phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ sốliệu cao hơn cho các người sử dụng trong các ô lân cận Về thực chất hệ số tái sử dụngtần số trong các phần tử khác nhau của ô sẽ khác nhau

Hình 1.10 Điều phối nhiễu giữa các ô

Điều phối nhiễu giữa các ô chủ yếu là một chiến lược lập biểu với xét tới cáctình trạng trong các ô lân cận Như vậy điều phối nhiễu các ô lân cận là một vấn đề củathực hiện và có lẽ khó đưa vào đặc tả Điều này cũng có nghĩa là điều phối nhiễu giữacác ô có thể được áp dụng chỉ cho một tập các ô được chọn phụ thuộc vào các yêu cầucủa một triển khai cụ thể

1.2.2.4 HARQ với kết hợp mềm

Cũng giống như HSPA, HARQ nhanh kết hợp vơi mềm được sử dụng để đầucuối có thể yêu cầu phát lại nhanh các khối truyền tải bị mắc lỗi và để cung cấp mộtcông cụ cho thích ứng số liệu ẩn tàng Các giao thức ở đây cũng giống như giao thứcđược áp dụng cho HSPA: Nhiều xử lý HARQ dừng và đợi Để giảm thiểu ảnh hưởnglên hiệu năng của người sử dụng đầu cuối, các phát lại được yêu cầu nhanh sau mỗilần phát gói Tăng phần dư được sử dụng như một chiến lược kết hợp mềm và máy thunhớ đệm các bít mềm để có thể thực hiện kết hợp mềm giữa các lần phát

1.2.2.5 Hỗ trợ đa anten

LTE hỗ trợ đa anten tại cả trạm gốc và đầu cuối Đây là một bộ phận của cácđặc tả trong chuẩn Xét về nhiều khía cạnh công nghệ đa anten là một công nghệ thenchốt để đạt được các mục tiêu tăng tốc hiệu năng của LTE Hiện tại, chuẩn hỗ trợ cấuhình đa anten 2x2 trên đường xuống và 1x2 trên đường lên

1.2.2.6 Hỗ trợ quảng bá và đa phương

LTE cải tiến thêm dịch vụ MBMS để cung cấp quảng bá đa phương hiệu quảcao bằng cách không chỉ phát các tín hiệu giống nhau tại nhiều ô (với mã hóa và điềuchế như nhau) mà còn đồng bộ thời gian giữa các ô, tín hiệu tại đầu cuối sẽ thể hiện

hệt như tín hiệu được phát đi từ một ô Do OFDM có khả năng chống pha đinh đađường tốt, phát đa ô cũng còn được gọi là phát của mạng đa phương quảng bá mạngđơn sóng mang MBSFN Cách này không chỉ cải thiện được cường độ tín hiệu thu màcòn hạn chế được nhiễu giữa các ô Như vậy đối với OFDM thông lượng quảng bá/đaphương đa ô chỉ có thể bị giới hạn bởi tạp âm gây ra và vì thế trong trường hợp các ônhỏ có thể đạt được thông lượng này rất cao.

Việc sử dụng phát MBSFN cho quảng bá/đa phương đa ô đòi hỏi sự đồng bộchặt chẽ và đồng chỉnh thời gian cho các tín hiệu được phát đi từ các trạm ô khácnhau

1.2.2.7 Linh hoạt phổ

Linh hoạt trong sắp xếp song công

LTE có thể triển khai cả phổ đơn và phổ kép, hỗ trợ cả TDD và FDD TrongFDD truyền dẫn đường lên và đường xuống được thực hiện trong các băng khác nhau.Trong TDD truyền dẫn đường lên và đường xuống xảy ra trên cùng một băng tầnnhưng luân phiên theo thời gian

DL: Đường xuống

UL: Đường lên

Hình 1.11 Ghép song công theo thời gian và tần số

Linh hoạt trong khai thác băng tần

LTE được thiết kế trong đo phổ hoạt động được ấn định mới cho thông tin diđộng hay từ phổ hiện đang sử dụng cho các công nghệ di động khác nhau Chẳng hạnnhư hệ thống GSM hay thậm chí là không phải các công nghệ di động Vì thế truynhập vô tuyến LTE phải hoạt động trong phổ tần rộng từ 460MHz tới ít nhất là

Linh hoạt băng thông

LTE hỗ trợ một dải rộng các băng tần hoạt động ấn định Để hỗ trợ hiệu quả cáctốc độ số liệu cao khi có phổ khả dụng cần có băng thông truyền dẫn rộng trong dải từ1MHz tới 20GHz với bước nhảy là 180 MHz

1.3 Kiến trúc mô hình LTE

Các kiến trúc mô hình được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3GPPP) đề xuấtcho kiến trúc LTE được cho trong các hình sau

Trên mô hình kiến trúc hình 1.14 các kí hiệu được sử dụng như sau: R1, R2 vàR3 là tên của các điểm tham khảo Gx+ kí hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng PCRF1(PCRF: Policy and charging Rules Function: Chức năng các quy tắc tính cước vàchính sách) thể hiện chức năng các quy tắc tính cước và chính sách phát triển Cácđường nối và các vòng tròn không liên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mớicủa kiến trúc LTE

Hình 1.12 Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng

chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt.

Hình 1.13 Kiến trúc mô hình LTE sau khi đã chuyển giao

Hình 1.14 Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822

Trên mô hình 1.12 các ký hiệu được sử dụng như sau: Rh thể hiện chức năngchuẩn bị chuyển giao để giảm bớt thời gian ngắt Dự kiến giao diện này sẽ tương đốitổng quát để đảm bảo các tổ hợp khác nhau của RAT Gx+ thể hiện Gx có thêm hỗ trợ

di động giữa các hệ thống truy nhập (Inter AS) Wx+ kí hiệu cho Wx có thêm hỗ trợ diđộng giữa các hệ thống Inter AS MM (Inter Access System Mobility Management) kýhiệu cho quản lý di động giữa các hệ thống PCRF2 thể hiện chức năng quy tắc tínhcước và chính sách, trên hình vẽ này được thể hiện hai lần chỉ để thể hiện cấu hình.Các đường tròn và các đường nối không liên tục thể hiện các phần tử/giao diện mớicủa kiến trúc E-UTRAN

1.4 Tổng kết

Chương I trình bày tổng quan quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3GHSPA (3G+) và LTE (E3G/4G) Có thể nói HSPA là hậu 3G và LTE là tiền 4G vớicông nghệ LTE sẽ đem lại cho viễn thông di động thế giới tiền gần đến 4G hơn Tiếptheo đó là các mục tiêu yêu cầu của LTE, các mục tiêu yêu cầu của LTE đều nhằm cảithiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành so với các công nghệ trước đó Để đạtđược các mục tiêu đó LTE với các tính năng quan trọng như sử dụng truyền dẫnOFDM cùng với các công nghệ khác như: thích ứng đường truyền và lập biểu, các kỹthuật đa anten và HARQ Các công nghệ mới này được áp dụng cho truy nhập vôtuyến cho phép tăng hiệu năng truyền dẫn vô tuyến của LTE đặc biệt là dung lượng hệthống một cách đáng kể

CHƯƠNG 2 LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN

3GPP phát triển dài hạn (LTE) biểu diễn một ưu điểm chính trong công nghệ tếbào LTE được thiết kế để mang đến tốc độ dữ liệu cao và truyền tải đa phương tiệnnhư hỗ trợ thoại chất lượng cao trong thập kỷ tiếp theo Nó bao gồm tốc độ số liệucao, các dịch vụ đơn hướng đa phương tiện, và các dịch vụ quảng bá đa phương tiện

LTE sử dụng OFDM cho truyền dẫn dữ liệu đường xuống và SC-FDMA chotruyền dẫn đường lên OFDM được như biết như kỹ thuật điều chế Khi mà thông tinđược phát qua kênh vô tuyến, tín hiệu có thể bị suy giảm bởi đa đường, trong đó cómột đường nhìn thẳng giữa máy thu và máy phát và các đường khác được tạo ra dophản xạ từ các tòa nhà cao tầng, đồi núi, các công trình xây dựng… Tín hiệu sẽ dichuyển dọc theo các đường này và hướng đến máy thu, nhưng chúng bị dịch mộtkhoảng thời gian khác nhau tương ứng với khoảng cách dọc theo mỗi đường

2.1 Kiến trúc của trạm gốc

Hình 2.1 biểu diễn một trạm gốc E-UTRAN, nó có thể hỗ trợ một lượng lớnngười sử dụng Trạm gốc được kết nối tới mạng đường trục bằng các giao diện vật lýnhư sợi quang với tốc độ số liệu STM1 hoặc các kết nối chuẩn E1/T1 Nó nhận thôngtin số liệu của người sử dụng từ cổng phục vụ qua giao diện S1 dựa trên giao thứctruyền tải gói IP

Trong đó, modul TRM và phần RF được vẽ trong hình 2.1 là phần vật lý đượcđặt gọn bên ngoài gọi là phần đầu vô tuyến từ xa RRH, và được kết nối tới modul lõibằng một sợi quang, hoặc kết nối vô tuyến (đường nét đứt trên hình vẽ)

Giao diện vô tuyến công khai cung CPRITM được tạo ra năm 2003, là một sựhợp tác công nghiệp nhằm định nghĩa một tiêu chuẩn khả dụng công cộng cho giaodiện bên trong của của trạm gốc vô tuyến giữa modul lõi và phần đầu vô tuyến từ xaRRH Giao diện vô tuyến công khai chung định nghĩa lớp 1-lớp vật lý và lớp 2-lớptruyền tải nhưng lưu giữ thuộc tính bản tin lớp 3 Tốc độ số liệu trên giao diện trênmột sợi quang là 1.2 Gb/s, cho phép mạng báo hiệu Ethernet hoặc HDLC, vận hànhbảo dưỡng… Modul lõi có thể gồm nhiều sợi quang Thiết bị RRH có thể kết nối mócxích tối ưu cài đặt cho vùng phủ tốt nhất của vùng địa lý

Hình 2.1 Kiến trúc trạm gốc E-UTRAN

Đường xuống

Thông tin đường xuống đến từ cổng phục vụ MME tới node B đến một moduleđịnh tuyến được gọi là module điều khiển lõi CCM Sau đó, mỗi gói sẽ được địnhtuyến tới một modem-module phần tử kênh CEM-chúng có thể hỗ trợ tất cả các loại

mã hóa vật lý cho tất cả các kênh vật lý có thể: kênh hoa tiêu, các kênh chung, cáckênh riêng, vv…

Module này có thể xử lý N kênh song song, thực hiện cho mỗi loại mã hóakênh, biến đổi vô tuyến của tín hiệu: Điều chế OFDM, chèn tiền tố chu trình,… Xừ lýtất cả các tín hiệu riêng đối với một sector có thể diễn ra trong module kênh Mỗimodule kênh đánh địa chỉ các tín hiệu liên quan tới một sector để hướng đến moduleđịnh tuyến, đẩu ra của module vô tuyến thu phát (TRM) kết nối vật lý với các sectorthích hợp Tùy theo kiến trúc được lựa chọn, module vận hành vô tuyến đánh địa chỉcủa một sector tại một tần số hoặc vài sector tại các tần số khác nhau

Đường lên

Trên đường lên, mỗi modul thu phát vô tuyến nhận tín hiệu từ một hoặc nhiểusector của anten Có thể kết hợp modul thu phát với một dải tần số Tín hiệu nhậnđược trên một sector thường đến từ các anten phân tập hoặc từ MIMO hoặc anten dãybúp sóng Sau đó chúng được khuyếch đại, lọc và biến đổi số bằng bộ biến đổi analogthành số Chúng được truyền tải đến modul điều khiển lõi và được định tuyến tớimodul phần tử kênh, chúng bao gồm các modem tương thích thực hiện giải điều chếtín hiệu thích hợp (bỏ tiền tố chu trình, FFT,…) Sau đó tín hiệu đã giải điều chế bởimodul kênh được truyền lại tới mạng IP sau khi giải điều chế bởi modul định tuyếnvới cùng giao thức truyền tải

2.2 Sơ đồ đường xuống của E-UTRAN

2.2.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

Truyền dẫn OFDM là một kiểu truyền dẫn đa sóng mang Sau đây là một sốđặc trưng quan trọng của OFDM:

 Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp Chẳng hạn nếu một hệ thống WCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20 Mhz sử dụng 4 sóng mang vớimỗi sóng mang có băng tần là 5 Mhz, thì với băng thông như vậy OFDM có thể sửdụng 2048 sóng mang với băng thông sóng mang con 15 Mhz

MC- Các sóng mang con trực giao với nhau và khoảng cách giữa hai sóng mang conliền kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang con (hình2.1) Vì thế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDMA a) Ký hiệu điều chế b) Sắp xếp các sóng mang con