Quản lý tài nguyên vô tuyến động trong LTE

Đề tài nghiên cứu về: “Quản lý tài nguyên vô tuyến động trong LTE” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Nội dung của đồ án gồm 3 phần: • Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE • Chương II: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE • Chương III: Các thuật toán quản lý tài nguyên

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

LỜI MỞ ĐẦU ix

CHƯƠNG I: 2

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 2

1.1 Định nghĩa 2

1.2 Mục tiêu thiết kế LTE 3

1.2.1 Tiềm năng hệ thống 3

1.2.2 Hiệu suất hệ thống 3

1.2.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai 5

1.2.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển 7

1.2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến 8

1.3 Kiến trúc mô hình LTE 8

1.4 Tổng kết chương 10

CHƯƠNG II: 11

CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE 11

2.1 Kỹ thuật đa truy nhập 11

2.1.1 Đường xuống OFDMA 11

2.1.2 Đường lên – SC-FDMA 13

2.1.3 Lập biểu phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ 15

2.2 Lớp vật lý 17

2.2.1 Cấu trúc khung 17

2.2.2 Tài nguyên vật lý đường xuống 19

2.2.3 Tài nguyên vật lý đường lên 23

2.3 Lớp 2 (MAC, RLC, PDCP) 26

2.3.1 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) 26

2.3.2 MAC: điều khiển truy nhập môi trường 27

2.3.3 ARO/HARQ 33

2.4 Tổng kết chương 35

CHƯƠNG III: 36

CÁC THUẬT TOÁN QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN 36

3.1 Các thuật toán lập biểu tài nguyên 36

3.1.1 Kế hoạch phân bổ tỉ lệ nguồn lực cân bằng 36

3.1.2 Thuật toán lập biểu tài nguyên và tái sử dụng tần số 36

3.1.3 Kế hoạch lập biểu quay vòng 37

3.1.4 Kế hoạch lập biểu tài nguyên dựa trên nhiễu tối đa 37

3.1.5 Thuật toán lập biểu tài nguyên dựa trên phân bổ động 37

3.2 Các thuật toán triển khai 38

3.2.1 Phương trình xác suất 38

3.2.2 Xác suất của xung đột 38

3.2.3 Xác suất ổn định trạng thái 40

3.2.4 Quản lý công suất đường lên 43

3.2.5 Thực hiện 44

3.3 Phân tích hiệu suất 44

3.3.1 Quản lý nhiễu tĩnh tái sử dụng tần số hệ số 1 và tái sử dụng tần số hệ số 3 45

3.3.2 Phương án quản lý nhiễu động 46

3.3.3 Cơ chế phân lập từng phần 48

3.4 Tổng kết chương 49

TỔNG KẾT 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH V

Hình 1.1: Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000 6

Hình 1.2: Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của một hệ thống GSM đã được triển khai 7

Hình 1.3: Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng 9

Hình 1.4: Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó R h đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt 10

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống DFTS-FDMA 14

Hình 2.2: Lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số 16

Hình 2.3: Mạng lưới thời gian – tần số trong LTE 18

Hình 2.4: Ví dụ về ấn định khung con đường lên/đường xuống trong TDD và FDD 19

Hình 2.5: Tài nguyên vật lý đường xuống LTE 20

Hình 2.6: Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE 21

Hình 2.7: Cấu trúc khung con và khe thời gian đường xuống LTE 21

Hình 2.8: Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường 23

Hình 2.9: Kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM 23

Hình 2.10: Cấu trúc miền tần số của đường lên LTE 24

Hình 2.11: Khung con đường lên LTE và cấu trúc khe 25

Hình 2.12: Ấn định tài nguyên đường lên LTE 25

Hình 2.13: Nhảy tần đường lên LTE 26

Hình 2.14: Phân đoạn và hợp đoạn RLC 27

Hình 2.15: Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền dẫn 29

Hình 2.16: Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải) 32

Hình 2.17: Giao thức HARQ đồng bộ và không đồng bộ 33

Hình 2.18: Nhiều tiến trình HARQ song song 34

Hình 3.1: Cấu trúc mạng lưới của các ô 39

Hình 3.2: Các đường cong mô phỏng mức độ liên kết 41

Hình 3.3: Thông lượng ô 45

Hình 3.4:Thông lượng ô tại biên 46

Hình 3.5: Triển khai mạng cho cơ chế ICIC động 47

Hình 3.6: Thông lượng ô của hai cơ chế tĩnh và động 48

Hình 3.7: Tỉ lệ tắc nghẽn cho các cơ chế phân bổ tài nguyên tần số khác nhau 49

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng 4Bảng 1.2: Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA 5

AMC Adaptive Modulation And Coding Mã hóa và điều chế thích ứng

ARQ Automatic Repeat-request Yêu cầu phát lại tự động

AWGN Additive Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BM-SC Broadcast/Multicast Service Center Trung tâm dịch vụ quảng bá/đa

phươngBPSK Binary Phase ShiftKeying Khóa chuyển pha hai trạng thái

BSC Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

D

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêngDPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

E

E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh dành riêng tăng cường

F

FCC Federal Communications

Commission

Ủy ban thông tin liên bang

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần sốFDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần sốFDMA Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần số

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier nhanh

G

GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global Sytem For Mobile

Communications

Hệ thống truyền thông di động toàncầu

H

HSDPA High Speed Downlink

Packet Access

Truy nhập gói đường xuống tốc độcao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

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

I

IMT-2000 International Mobile

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trựcgiaoOFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần sốtrực giao

P

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên trung bìnhPCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi

PDCCH Physical Downlink Control Channel

Packet Data Convergence

Kênh điều khiển vật lý đường xuống

PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ vật lý đường xuống

SSC-FDMA Single Carrier FDMA FDMA đơn sóng mang

TTD-CDMA Time Dvision-Code Division

U

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn

Network cầu

LỜI MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, trên thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ về nhu cầu truyềnthông không dây cả về số lượng, chất lượng và các loại hình dịch vụ Tuy nhiên, theođánh giá thì công nghệ truyền thông không dây hiện thời vẫn còn quá chậm và khôngđáp ứng được các yêu cầu về dịch vụ mới đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu đaphương tiện Điều này đòi hỏi các nhà khai thác phải có được công nghệ truyền thôngkhông dây nhanh hơn và tốt hơn Để đáp ứng yêu cầu đó, khi mà công nghệ mạngthông tin di động thế hệ thứ ba (3G) chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế củamình trên toàn cầu thì người ta đã tiến hành nghiên cứu, lập biểu hệ thống thông tin diđộng thế hệ tư (4G) Một trong số các chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng

đã được các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu triển khai thử nghiệm

và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long TermEvolution)

Các cuộc thử nghiệm đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khảnăng thương mại hóa LTE đã đến rất gần Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phảicần có một đường dây cố định để kết nối Trong tương lai không xa với LTE, bạn cóthể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chấtlượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữliệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc” 4G LTE cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cốđịnh, đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng được Tuyvẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ranhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay

Hiện nay, ở nhiều quốc gia trên thế giới đã triển khai 4G LTE và thu được nhữngkết quả đáng ngạc nhiên Ví dụ ở châu Âu, 4G được xem như là khả năng đảm bảocung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với khả năng kết nối với nhiều loạihình mạng truy nhập vô tuyến khác nhau và khả năng chọn lựa mạng vô tuyến thíchhợp nhất để truyền tải dịch vụ đến người dùng một cách tối ưu nhất Quan điểm nàyđược xem như là “quan điểm liên đới” Do đó, khái niệm “ABC-Always BestConnected” (luôn được kết nối tốt nhất) luôn được xem là một đặc tính hàng đầu củamạng thông tin di động 4G Định nghĩa này được nhiều công ty viễn thông lớn vànhiều nhà nghiên cứu, nhà tư vấn viễn thông chấp nhận nhất hiện nay Dù theo quanđiểm nào, tất cả đều kỳ vọng là mạng thông tin di động thế hệ thứ tư 4G sẽ nổi lên vàokhoảng 2010-2015 như là một mạng vô tuyến băng rộng tốc độ siêu cao Ở Việt Nam ,một số các nhà mạng lớn như VNPT, Viettel, Công ty Cổ phần Viễn thông FPT (FPTTelecom), Tập đoàn Công nghệ CMC và Tổng công ty Truyền thông Đa phương tiện

(VTC) đã và đang tiến hành thử nghiệm 4G LTE, dự báo việc tiến lên 4G không còn

xa nữa

Từ những vấn đề trên ta thấy được việc nghiên cứu về kiến trúc mạng LTE và các

kỹ thuật sử dụng trong LTE là một điều tất yếu Xuất phát từ ý tưởng đó, em chọn đềtài nghiên cứu về: “Quản lý tài nguyên vô tuyến động trong LTE” cho đồ án tốt nghiệpcủa mình

Nội dung của đồ án gồm 3 phần:

Trong suốt quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy cô

và bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phạm Thị Thúy Hiền, người đãtrực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án Đồng thời cũng xin cảm ơn tất

cả các thầy cô trong khoa Viễn thông đã nhiệt tình chỉ bảo em trong quá trình học tập

Các mục tiêu của công nghệ này là:

- Tăng tốc độ truyền dữ liệu: trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữliệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mbps

- Dải tần co giãn được: có khả năng mở rộng từ 1,4MHz; 3MHz; 5 MHz; 10 MHz;15MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụngđược hiệu quả băng thông Mức công suất cao hơn

- Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặcthậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần

- Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng: giảm thời gian để một thiết bị chuyển

từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng và bắt đầu truyền thông tin trên một kênhtruyền Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

- Sẽ không còn chuyển mạch kênh: tất cả sẽ dựa trên IP Chúng cho phép cung cấpcác dịch vụ linh hoạt hơn và đơn giản với các mạng di động

- Độ phủ sóng từ 5-100km: trong vòng bán kính 5-100km LTE cung cấp tối ưu vềlưu lượng người dùng

- Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng LTEvẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điều này hết sứcquan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở

hạ tầng mạng đã có

- Giảm chi phí: là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng

- Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: LTE phải cùng tồn tại và có thểphối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác Người sử dụng LTE sẽ có thể thựchiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trongvùng phủ sóng của LTE

1.2 Mục tiêu thiết kế LTE

1.2.1 Tiềm năng hệ thống

Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống 100 Mbit/s vàđường lên 50 Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 MHz Khi phân bố phổ hẹphơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ thuận theo Do đó, điều kiện đặt ra là có thểbiểu diễn được 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 Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên vàđường xuống, theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời Do đó mà yêu cầu tốc độ

dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời Mặt khác, đối với trường hợp FDD,đặc tính của LTE cho phép quá trình phát và thu đồng thời đạt được tốc độ dữ liệuđỉnh theo phần lý thuyết ở trên

LTE phải có thời gian chuyển đổi trạng thái nhỏ hơn 100ms vào trạng thái tíchcực Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ vàotrạng thái tích cực Cần đảm bảo trễ trong mặt phẳng U nhỏ hơn 10ms Trễ mặt phẳng

U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói lóp IP trong UE (hoặc nút biên củaUTRAN) đến lớp IP trong nút biên của UTRAN (hoặc UE) Nút biên của UTRAN lànút giao diện UTRAN với mạng lõi Cần phải đảm bảo trễ mặt phẳng U của LTE nhỏhơn với 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) Rõ ràng rằng cácchế độ ấn định băng thông của LTE có thể ảnh hưởng đáng kể lên trễ

Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất

200 thiết bị đầu cuối di động ở trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần 5MHz.Trong mỗi phân bố rộng hơn 5MHz thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ Sốlượng thiết bị đầu cuối không tích cực trong ô không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể

áp dụng trong hệ thống chuẩn

Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố ngườidùng trung bình và tại sự phân bố người dùng phân vị thứ 5 (khi mà 95% người dùng

có được chất lượng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ, và trong thuộctính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo ô tính theo bit/s/MHz/ô Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong Bảng 1.1.

Bảng 1.1: Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

Phương pháp đo hiệu suất Mục tiêu đường xuống

Hiệu suất phổ (bit/s/Hz/ô) 3 – 4 lần 2 – 3 lần

Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết bịđầu cuối di động Tại tốc độ thấp, 0-15 km/h thì hiệu suất đạt được là tối đa, và chophép giảm đi một ít đối với tốc độ cao hơn Tại vận tốc lên đến 120 km/h, LTE vẫncung cấp hiệu suất cao và đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống phải duy trì đượckết nối trên toàn mạng ô Tốc độ tối đa có thể quản lý đối với một hệ thống LTE có thểđược thiết lập đến 350 km/h (hoặc thậm chí đến 500 km/h tùy thuộc vào băng tần).Một yếu tố quan trong đặc biệt là dịch vụ thoại được cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằngvới chất lượng mà WCDMA/HSPA hỗ trợ

Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi ô (bán kính), nghĩa làkhoảng cách tối đa từ tâm ô đến thiết bị đầu cuối di động trong ô Đối với phạm vi ôlên đến 5 km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linhđộng vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những

ô có bán kính lên đến 30 km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng

và hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được.Tuy nhiên, yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng Khi mà phạm vi ô lên đến 100

km thì không thấy có đặc tính kỹ thuật về yêu cầu hiệu suất nào được nói rõ trongtrường hợp này

Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: quảng bá và đơn hướng.Nhìn chung, LTE sẽ cung cấp những dịch vụ tốt hơn so với những gì có thể trongphiên bản 6 Yêu cầu đối với trường hợp quảng bá là hiệu suất phổ 1 bit/s/Hz, tươngứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300 kbit/s trong mỗiphân bố phổ tần 5MHz Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ một dịch

vụ trên một sóng mang, cũng như là kết hợp với các dịch vụ non-MBMS khác Và nhưvậy thì đương nhiên đặc tính kỹ thuật của LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch

vụ thoại và dịch vụ MBMS

1.2.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

hoạt phổ, trải phổ, sự cùng tồn tại và làm việc với nhau giữa LTE với các công nghệtruy cập vô tuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/HSPA Những yêu cầu vềkịch bản triển khai bao gồm: trường hợp mà hệ thống LTE được triển khai như là một

hệ thống độc lập và trường hợp mà LTE được triển khai đồng thời vớiWCDMA/HSPA hoặc GSM Do đó mà yêu cầu này sẽ không làm giới hạn các tiêuchuẩn thiết kế

Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các hệ thống 3GPP khác vànhững yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh động giữa LTE

và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di động hỗ trợ nhữngcông nghệ này Bảng 1.2 liệt kê những yêu cầu về sự gián đoạn, đó là, thời gian giánđoạn dài nhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển giữa các công nghệ truy cập

vô tuyến khác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Có mộtđiều đáng chú ý là những yêu cầu này không được chặt chẽ cho lắm đối với vấn đềgián đoạn trong chuyển giao và hy vọng khi mà triển khai thực tế thì sẽ đạt đượcnhững giá trị tốt hơn đáng kể

Bảng 1.2: Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA

Yêu cầu về việc cùng tồn tại và có thể làm việc với nhau cũng xác định việcchuyển đổi lưu lượng đa phương từ phương pháp quảng bá trong LTE thành phươngpháp đơn hướng trong cả GSM hoặc WCDMA, mặc dù không có số lượng cho trước

Độ linh hoạt phổ và việc triển khai

Nền tảng cho những yêu cầu về độ linh hoạt phổ là những điều kiện để LTE có thểđược triển khai trên những băng tần IMT-2000 hiện hành, nghĩa là khả năng cùng tồntại với các hệ thống đã được triển khai trên những băng tần này, bao gồmWCDMA/HSPA và GSM Một phần liên quan đến những yêu cầu LTE về mặt độ linhhoạt phổ là khả năng triển khai việc truy nhập vô tuyến dựa trên LTE cho dù phân bốphổ là theo cặp hay đơn lẻ, như vậy LTE có thể hỗ trợ cả song công phân chia theo tần

số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD)

Sơ đồ song công hay việc quy hoạch song công là một thuộc tính của công nghệtruy cập vô tuyến Tuy vậy, một phân bố phổ cho trước thì cũng được liên kết với mộtquy hoạch song công cụ thể Hệ thống FDD được triển khai theo một cặp phân bố phổ,với một dải tần cho truyền dẫn đường xuống và một dải tần khác dành cho đường lên.Còn hệ thống TDD thì được triển khai trong các phân bố phổ đơn lẻ

Hình 1.1: Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000

Lấy một ví dụ là phổ của 2000 tại tần số 2 GHz, gọi là băng tần lõi

IMT-2000 Như trình bày trong Hình 1.1, nó bao gồm cặp băng tần 1920-1980 MHz và2110-2170 MHz dành cho truy cập vô tuyến dựa trên FDD, và hai băng tần là 1910-

1920 MHz và 2010-2025 MHz dành cho truy cập vô tuyến dựa trên TDD Chú ý là cóthể vì những qui định của địa phương và vùng mà việc sử dụng phổ của IMT-2000 cóthể khác so với những gì được trình bày ở đây

Cặp phân bố cho FDD trong hình 1.2 là 2 x 60 MHz, nhưng phổ khả dụng cho mộtnhà khai thác mạng đơn lẻ có thể chỉ là 2 x 20 MHz hoặc thậm chí là 2 x 10 MHz.Trong những băng tần khác phổ khả dụng có thể còn ít hơn nữa Ngoài ra, sự dịchchuyển của phổ đang được sử dụng cho những công nghệ truy cập vô tuyến khác cầnphải diễn ra một cách từ từ để chắc chắn rằng lượng phổ còn lại phải đủ để hỗ trợ chonhững người dùng hiện tại Vì vậy, lượng phổ ban đầu được dịch chuyển tới LTE cóthể tương đối nhỏ, nhưng sau đó có thể tăng lên từ từ, được thể hiện trong hình 1.2 Sựkhác nhau của những diễn tiến phổ có thể xảy ra sẽ dẫn đến một yêu cầu về độ linhhoạt phổ cho LTE dưới dạng băng thông truyền dẫn được hỗ trợ

Yêu cầu về độ linh hoạt phổ đòi hỏi LTE phải có khả năng mở rộng trong miền tần

số và có thể hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau Yêu cầu về độ linh hoạt đượcliệt kê thành danh sách các dải phổ của LTE (1,25; 1,6; 2,5; 5; 10; 15 và 20 MHz).Ngoài ra, LTE còn có khả năng hoạt động theo cặp phổ cũng như là đơn lẻ LTE cũng

có thể triển khai trong nhiều băng tần khác nhau Những băng tần được hỗ trợ được chỉ

rõ dựa vào “độc lập phiên bản”, nghĩa là phiên bản đầu tiên của LTE không phải hỗ trợtất cả các băng tần ngay từ đầu

Hơn nữa, LTE sẽ cùng tồn tại và lắp đặt chung với GSM và WCDMA trên nhữngtần số lân cận, cũng như là sự cùng tồn tại giữa những nhà khai thác và hệ thống mạnglân cận trên những quốc gia khác nhau nhưng sử dụng phổ chồng nhau Ở đây cũng cómột điều kiện là không có hệ thống nào khác được yêu cầu hợp lệ khi một thiết bị đầucuối truy cập vào LTE, nghĩa là LTE cần phải có tất cả tín hiệu điều khiều cần thiếtđược yêu cầu cho việc kích hoạt truy nhập

Hình 1.2: Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của

một hệ thống GSM đã được triển khai Triển khai phổ tần

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

- Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm với GERAN/UTRAN trên cáckênh lân cận

- Đồng tồn tại trên các kênh lân cận hoặc chồng lấn tại biên giới các nước

- LTE phải có khả năng hoạt động đọc lập (không cần sóng mang con khác)

- Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyên tắc băngtần độc lập

Cần lưu ý rằng trong trường hợp các yêu cầu điều phối biên giới, các vấn đề khácnhư các giải pháp lập biểu cần được xem xét cùng với các hoạt động khác của lớp vậtlý

1.2.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển

Một vài nguyên tắc chỉ đạo cho việc thiết kế kiến trúc LTE RAN được đưa ra bởi3GPP:

- Một kiến trúc đơn LTE RAN được chấp nhận

- Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói, tuy vậy lưu lượng lớp thoại và thời gian thựcvẫn được hỗ trợ

- Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hiện diện của “những hư hỏng cục bộ”

mà không cần tăng chi phí cho đường truyền

- Kiến trúc LTE RAN có thể đơn giản hóa và tối thiểu hóa số lượng giao tiếp đã đượcgiới thiệu

- Tương tác lớp mạng vô tuyến và lớp mạng truyền tải có thể được loại trừ nếu chỉ cần

quan tâm đến vấn đề cải thiện hiệu suất hệ thống.

- Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS từ đầu cuối đến đầu cuối TNL có thể cungcấp QoS thích hợp khi được yêu cầu bởi RNL

- Các cơ cấu QoS có thể tính toán đến các dạng lưu lượng đang tồn tại khác nhau đểmang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao: lưu lượng mặt phẳng điều khiển, lưu lượngmặt phẳng người dùng , lưu lượng O&M, v.v…

- LTE RAN có thể được thiết kế để làm giảm thiểu các thay đổi trễ cho thông tin góiTCP/IP

1.2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nângcao cho QoS end to end, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ choviệc chia sẻ tải cũng như là quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vôtuyến khác nhau

Việc hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end yêu cầu cải thiện sự giữa thích ứng giữadịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) vớitài nguyên RAN và các đặc tính vô tuyến

Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khảnăng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giaothức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu đề IP (IPheader)

Hình 1.3: Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển

mạng

Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vôtuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để định hướngcác thiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập vô tuyến thích hợp đãđược nói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình chuyển giao giữa cáccông nghệ truy cập vô tuyến.

1.3 Kiến trúc mô hình LTE

Hai kiến trúc mô hình được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3GPP) đề xuất cho

kiến trúc LTE được cho trên các hình 1.3 và hình 1.4

Trên mô hình kiến trúc hình 1.3 các ký hiệu được sử dụng như sau R1, R2 và R3

là tên các điểm tham khảo Gx+ ký hiệu cho Gx mở rộng PCRF1 thể hiện chức năngcác quy tắc tính cước và chính sách phát triển Các đường nối và các vòng tròn khôngliên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mới của kiến trúc LTE

chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt

Trên mô hình kiến trúc hình 1.4 các ký hiệu được sử dụng như sau Rh thể hiệnchức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Dự kiến giao diện này sẽtương đối tổng quát để đảm bảo các tổ hợp khác nhau của RAT Gx+ thể hiện Gx cóthêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống truy nhập Wx+ ký hiệu cho Wx có thêm hỗ trợ

di động giữa các hệ thống Inter-AS MM ký hiệu cho quản lý di động giữa các hệ

thống truy nhập PCRF2 thể hiện chức năng quy tắc tính cước và chính sách Cácđường nối và các vòng tròn không liên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mớicủa kiến trúc LTE.

1.4 Tổng kết chương

Chương này đã trình bày các nội dung tổng quan về LTE Mục tiêu chính của côngnghệ LTE đều nhằm cải thiện hiệu năng và giảm giá thành so với các công nghệ trướcnó:

- Tăng tốc độ số liệu đỉnh

- Tăng tốc độ bít tại biên ô

- Cải thiện hiệu năng sử dụng phổ tần

- Giảm trễ vòng

- Sử dụng băng thông linh hoạt

- Giảm chi phí đầu tư mạng

- Giảm mức độ phức tạp, giá thành cũng như công suất tiêu thụ của thiết bị đầucuối

- Tương thích với các công nghệ vô tuyến khác

- Tối ưu hóa cho tốc độ đi động thấp đồng thời hỗ trợ tốc độ di động cao

CHƯƠNG II:

CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE 2.1 Kỹ thuật đa truy nhập

2.1.1 Đường xuống OFDMA

OFDM đã được sử dụng bởi các mạng di động và không di động không dây truyền

như WiMAX di động và WLAN và nó được lựa chọn là phương pháp ghép kênh cho3GPP LTE

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng

dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vìkhoảng thời gian ký tự tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, chonên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tựISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệtrong mỗi ký tự OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi ký tự OFDM được bảo vệtheo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Người dùng đầu tiên được chọn sao cho có tần số bằng số nguyên lần chu kỳ thờigian của một ký tự Để làm cho sóng mang con trực giao với nhau, các sóng mang conliền kề được đặt cách nhau:

BSC = B / N (2.1)Trong đó:

B: băng thông của luồng dữ liệu tốc độ bit cao

N: số sóng mang con

Truyền trên các sóng mang con trực giao là tốt, nhưng điều đó chỉ xảy ra trongđiều kiện lý tưởng như không có trễ trên đường truyền, nhưng trong thực tế không tồntại điều kiện này

Để loại bỏ nhiễu liên ký tự ISI ta cần đặt một khoảng bảo vệ giữa các sóng mangcon Khoảng thời gian bảo vệ này đủ lớn so với thời gian trễ tối đa dự kiến, làm choquá trình truyền dẫn loại bỏ hoàn toàn được nhiễu ISI Khoảng bảo vệ này cũng gây ra

sự lãng phí năng lượng, băng thông và tất nhiên làm giảm hiệu quả quang phổ và điềunày phụ thuộc vào tỉ lệ thời gian bảo vệ

Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM Như đãbiết thì OFDM là một hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn với nhiều lý do khácnhau Vì thời gian ký tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chutrình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại kênh lựa chọn tần số của kênh.Mặc dù trên lý thuyết thì việc méo tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số có thể đượckiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắtđầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết bị đầu cuối di độngtại băng thông trên 5 MHz Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc chốnglại fading lựa chọn tần số sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệtkhi được kết hợp với ghép kênh không gian

Một số lợi ích khác của kỹ thuật OFDM bao gồm:

- OFDM cung cấp khả năng truy nhập vào miền tần số, bằng cách thiết lập một độ tự

do bổ sung cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh truyền so với HSPA

- OFDM dễ dàng hỗ trợ cho việc phân bố băng thông một cách linh hoạt, bằng cáchbiến đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang con để truyền đi Tuy nhiên chú ý rằngviệc hỗ trợ nhiều phân bố phổ đòi hỏi cần phải có bộ lọc RF linh hoạt, khi đó thì sơ đồtruyền dẫn chính xác là không thích hợp Tuy nhiên, việc duy trì cấu trúc xử lý băngtần cơ sở giống nhau, không phụ thuộc băng thông sẽ nới lỏng việc triển khai đầu cuối

- Hỗ trợ dễ dàng cho việc truyền dẫn broadcast/mulitcast, khi mà những thông tingiống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc

Nhược điểm của của điều chế OFDM và các phương pháp truyền dẫn đa sóngmang khác là sự thay đổi công suất tức thời của tín hiệu phát rất lớn dẫn đến PAPR rấtlớn Điều này làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại công suất và tăng giá thành của bộkhuếch đại công suất Nhược điểm này rất quan trọng đối với đường lên vì các MSphải tiêu thụ công suất thấp và có giá thành hạ

Nhiều phương pháp đã được đề xuất để giảm PAPR của tín hiệu OFDM Tuynhiên hầu hết các phương pháp này chỉ đảm bảo giảm PAPR ở mức không cao Ngoài

ra các phương pháp này đòi hỏi tính toán phức tạp và giảm hiệu năng đường truyền.Truyền dẫn đa sóng mang băng rộng là một giải pháp truyền dẫn đa sóng mang phùhợp cho đường lên nghĩa là cho máy phát của MS Tuy nhiên, cần nghiên cứu xử lýméo dạng sóng tín hiệu xảy ra trong môi trường thông tin di động do fađinh chọn lọctần số LTE sử dụng một dạng điều chế cải biến của OFDM có tên gọi là DFTS-OFDM (OFDM trải phổ bằng DFT) DFTS-OFDM có hiệu quả thông lượng và độphức tạp tương tự như OFDM, nhưng lại có tỉ số PAPR thấp hơn OFDM LTE sửdụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên với tên gọi là SC-FDMA Do tỷ sốđỉnh trên trung bình của tín hiệu được truyền càng nhỏ thì công suất phát trung bìnhđối với một bộ khuếch đại công suất nhất định càng cao Vì vậy mà truyền dẫn đơnsóng mang cho phép sử dụng hiệu quả hơn bộ khuếch đại công suất, đồng thời làmtăng vùng phủ sóng Điều này đặc biệt quan trọng đối với những thiết bị đầu cuối bịgiới hạn về năng lượng Tại cùng một thời điểm, việc cân bằng cần thiết để kiểm soátlỗi của tín hiệu đơn sóng mang do fađinh lựa chọn tần số là vấn đề nhỏ trong đườnglên vì ít giới hạn trong nguồn tạo tín hiệu tại trạm gốc hơn so với thiết bị đầu cuối diđộng

Tương phản với đường lên không trực giao của WCDMA/HSPA (cũng dựa trêntruyền dẫn đơn sóng mang), thì đường lên LTE lại dựa trên kỹ thuật phân tách trựcgiao giữa những người dùng trong miền thời gian và tần số (trên lý thuyết, việc phânchia người dùng trực giao có thể thực hiện được trong miền thời gian chỉ bằng cách ấnđịnh toàn bộ băng thông truyền dẫn đường lên cho một người dùng tại 1 thời điểm,điều này có thể thực hiện được với đường lên nâng cao) Kỹ thuật phân tách ngườidùng trực giao trong nhiều tình huống mang lại lợi ích trong việc tránh được nhiễu

người dùng lại không phải là một chiến lược hiệu quả trong những tình huống màchính tốc độ dữ liệu bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn hơn là băng thông Trongnhững tình huống như vậy, một thiết bị đầu cuối sẽ chỉ được phân bố một phần củatổng băng thông truyền dẫn và những thiết bị đầu cuối khác có thể truyền song songtrên phần phổ còn lại Vì vậy mà đường lên LTE sẽ bao gồm một thành phần đa truynhập miền tần số.

Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

PAPR được định nghĩa là tỉ số công suất đỉnh tức thời trên công suất trung bình.Giá trị của PAPR là tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang phụ:

PAPR(dB) ~ 10log(N)

Trong đó ‘N’ là số lượng sóng mang con

Tín hiệu với một PAPR lớn cần khuếch đại công suất tuyến tính cao để tránh biếndạng quá mức điều chế liên ký tự và để đạt được mục tiêu tuyến tính này, bộ khuếchđại phải hoạt động với một trở lại lớn ra khỏi công suất đỉnh của chúng mà kết quảtrong hiệu quả năng lượng thấp (đo bằng tỷ lệ công suất phát điện DC tiêu tán)

Mặc dù OFDM có khả năng chống lại fađinh đa đường nhưng nó đòi hỏi mức độđồng bộ hóa cao để duy trì các sóng mang con trực giao Trong OFDM, có sự bất địnhtrong tần số sóng mang, đó là do sự khác biệt về các tần số của dao động riêng trongtruyền và nhận, làm phát sinh một sự thay đổi trong phạm vi tần số mà cũng được gọi

là lệch tần số Độ lệch tần số này cũng có thể được gây ra bởi hiệu ứng dịch chuyểnDoppler Giải điều chế của một tín hiệu với tần số lệch có thể gây ra tỷ lệ lỗi bit lớn và

có thể làm giảm hiệu suất đồng bộ hóa ký hiệu

2.1.2 Đường lên – SC-FDMA

SC-FDMA đã được 3GPP LTE chọn là kỹ thuật truyền đường lên Nó là một hìnhthức sửa đổi của OFDMA và về cơ bản có hiệu suất thông lượng và độ phức tạp tương

tự OFDMA Giống như OFDM, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA sử dụng cáctần số trực giao khác nhau (các sóng mang con) để phát đi các ký hiệu thông tin Tuynhiên, các ký hiệu này được phát đi lần lượt chứ không phải song song như OFDM,cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu dạng sóngphát Vì thế các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDM

Trong các hệ thống di động bị ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường, SC-FDMAđược thu tại BTS bị nhiễu giữa các ký hiệu khá lớn BTS sử dụng bộ cân bằng thíchứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này Cách tổ chức này phù hợp cho các hệ thốngthông tin di động, nó cho phép giảm yêu cầu đối với khuếch đại tuyến tính trong máycầm tay bằng bộ cân bằng thích ứng miền tần số phức tạp trong BTS

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống DFTS-FDMA Máy phát DFTS-FDMA

Máy phát DFTS-FDMA biến đổi tín hiệu nhị phân thành một dãy sóng mang được

điều chế Để vậy, nó thực hiện các thao tác xử lý tín hiệu như hình 2.1 Xử lý tín hiệuđược thực hiện theo từng khối tín hiệu điều chế Mỗi khối bao gồm P ký hiệu trong đómỗi ký hiệu có độ dài Tsmod Vậy mội khối là một khoảng thời gian Tsmod.P Tại đầu vàocủa máy phát, bộ điều chế băng gốc biến đổi đầu vào nhị phân thành một chuỗi nhiềumức các số phức và nhóm chúng thành các khối ký hiệu {xp} (p = 0, 1, …, P-1) cókhuôn dạng của một trong số các sơ đồ điều chế sau: BIT/SK, QPSK, 16QAM hoặc64QAM, trong đó P là số sóng mang con mà hệ thống OFDM dành cho máy đầu cuối

Hệ thống thực hiện thích ứng điều chế và vì thế tốc độ bít truyền dẫn sẽ phù hợp vớiđiều kiện kênh hiện thời của máy đầu cuối Bước thứ nhất trong quá trình điều chếDFTS-FDMA là thực hiện biến đổi Fourier rời rạc kích thước P để tạo ra thể hiệnmiền tần số {Xn} của các ký hiệu đầu vào, trong đó n = 0, 1,…, P-1 và P<N Sau đótập sóng mang con đã điều chế được kết hợp với N-P sóng mang con rỗng (bằngkhông) để được tập sóng mang con được điều chế miền tần số {Xi} (i = 0, 1,…, N-1)đưa lên đầu vào bộ IFFT Sau IFFT ta được tập các sóng mang con được điều chế {xi}trong miền thời gian tại đầu ra của IFFT Khi này mỗi xi (i = 0, 1,…, N-1) điều chếmột tần số Sau bộ biến đổi nối tiếp thành song song (S/P) ta được các mẫu của tínhiệu OFDM x(m) Sau đó tín hiệu OFDM sẽ điều chế một sóng mang và tất cả các kýhiệu được điều chế sẽ được truyền lần lượt Giống như OFDM, giá trị của N là một sốlũy thừa hai (N = 2k trong đó k là một số nguyên) để có thể xử lý FFT theo cơ số haivới độ phức tạp thấp và P = N/Q là một ước số nguyên của N Q được gọi là thừa sốtrải rộng băng tần của chuỗi ký hiệu Nếu tất cả các đầu cuối đều phát P ký hiệu trênmột khối, thì hệ thống có thể xử lý đồng thời Q cuộc truyền dẫn đồng thời mà không bịnhiễu đồng kênh CCI Máy phát thực hiện hai quá trình xử lý tín hiệu nữa trước khi

giữa các khối IBI do truyền đa đường Máy phát cũng thực hiện lọc tuyến tính (đượcgọi là tạo dạng xung) để giảm năng lượng ngoài băng Tổng quát CP là copy phầncuối của khối và đặt vào phần của khối Việc sử dụng nó có hai lý do Trước hết nóđóng vai trò khoảng bảo vệ giữa hai khối liền kề Nếu độ dài CP lớn hơn trải trễ cựcđại của kênh, thì sẽ không có IBI Thứ hai nó cho phép chuyển đổi tích chập tuyến tínhrời rạc thời gian vào tích chập dịch vòng rời rạc thời gian Vì thế số liệu phát qua kênh

có thể được mô hình như tích chập vòng giữa đáp ứng xung kim và khối số liệu đượctruyền, mà trong miền tần số là nhân theo từng điểm của các mẫu DFT Khi này đểloại bỏ méo kênh , tại máy thu ta chỉ cần chia DFT của tín hiệu thu cho DFT của đápứng xung kim theo từng điểm hoặc có thể sử dụng kỹ thuật cân bằng tần số phức tạphơn

Máy thu DFTS-FDMA

Về cơ bản, máy thu thực hiện các xử lý tín hiệu ngược so với máy phát Trước hết

xử lý FFT kích thước N được thực hiện, tiếp theo loại bỏ các mẫu tần số không liênquan đến tín hiệu cần thu, cuối cùng xừ lý DTF ngược kích thước P

Trong trường hợp lý tưởng nếu không xảy ra hỏng tín hiệu do kênh vô tuyến, giải

điều chế DFTS-FDMA sẽ khôi phục lại hoàn toàn khối các tín hiệu được truyền Tuy

nhiên trong trường hợp tán thời gây ra do kênh vô tuyến bị fađinh chọn lọc tần số, tínhiệu DFTS-FDMA sẽ bị hỏng bởi “tự nhiễu”

2.1.3 Lập biểu phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ

Tâm điểm của sơ đồ truyền dẫn LTE là sử dụng kỹ thuật truyền dẫn kênh chia sẻ,trong đó tài nguyên thời gian - tần số được chia sẻ giữa những người dùng Kỹ thuậtnày tương tự với phương pháp được dùng trong HSDPA, mặc dù việc thực hiện tàinguyên chia sẻ giữa hai công nghệ này khác nhau: trong LTE là thời gian và tần số còntrong HSPA là mã định kênh Việc sử dụng truyền kênh dẫn chia sẻ là hoàn toàn phùhợp với các yêu tài nguyên thay đổi rất nhanh do truyền dẫn gói gây ra và nó cũng chophép LTE sử dụng các công nghệ then chốt khác

Bộ lập biểu sẽ điều khiển việc ấn định tài nguyên chia sẻ cho người dùng tại mỗithời điểm Nó cũng quyết định tốc độ số liệu sẽ được sử dụng cho từng liên kết vàthích ứng đường truyền, đó là gọi là thích ứng tốc độ và nó là có thể xem là một phầncủa bộ lập biểu Bộ lập biểu là phần tử then chốt và ở mức độ rất lớn nó quyết địnhhiệu năng tổng thể của đường xuống, đặc biệt là trong mạng có tải cao Cả đườngxuống và đường lên đều chịu sự điều khiển chặt chẽ của lập biểu Độ lợi dung lượng

hệ thống có thể đạt được đáng kể nếu xét đến các điều kiện kênh trong quyết định lậpbiểu, hay còn gọi là lập biểu phụ thuộc kênh Điều này đã được khai thác trong HSPA,trong đó bộ lập biểu đường xuống cho phép phát đến người sử dụng có điều kiện kênh

ưu việt để đạt được tốc độ sêu cực đại Ở mức độ nào đó điều này cũng được thực hiệntrên đường lên cho HSUPA Tuy nhiên ngoài miền thời gian, LTE cũng có thể truynhập đến miền tần số nhờ việc sử dụng OFDM cho đường xuống và DFTS-OFDM chođường lên Vì thế, đối với từng miền tần số, bộ lập biểu có thể chọn người sử dụng cóđiều kiện kênh tốt nhất Nói một cách khác, lập biểu trong LTE có thể xét đến các thay

đổi điều kiện kênh không chỉ trong miền thời gian như HSPA mà cả trong miền tần số.Điều này được minh họa trong Hình 2.2

Hình 2.2: Lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số

Hiệu quả của lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số đặc biệt hữu ích khi tốc độ

số liệu thấp, nói cách khác khi kênh thay đổi chậm theo thời gian Lập biểu phụ thuộckênh dựa trên các thay đổi chất lượng kênh để đạt được độ lợi trong dung lượng hệthống Đối với các dịch vụ nhạy cảm với trễ, bộ lập biểu miền thời gian có thể đượclập biểu cưỡng bức cho một người dùng riêng biệt, cho dù chất lượng kênh truyềnkhông đạt được giá trị đỉnh Trong những tình huống như vậy, việc khai thác sự thayđổi chất lượng kênh truyền trong miền tần số sẽ giúp cải thiện hiệu suất của toàn hệthống Đối với LTE, các quyết định lập biểu được thực hiện định kỳ sau mỗi 1ms vàtính hạt trong miền tần số là 180 KHz Điều này cho phép bộ lập biểu bám theo cácthay đổi kênh khá nhanh

Lập biểu đường xuống

Trong đường xuống, mỗi thiết bị đầu cuối báo cáo ước lượng chất lượng kênh tức

thời cho trạm gốc Các ước tính này nhận được bằng cách một tín hiệu tham khảođược phát đi từ trạm gốc và nó cũng được sử dụng cho mục đích giải điều chế Dựatrên ước tính chất lượng kênh, bộ lập biểu đường xuống ấn định các tài nguyên cấpphát cho những người sử dùng và chất lượng kênh truyền vẫn được đảm bảo Trên lýthuyết, một thiết bị đầu cuối được lập biểu có thể được ấn định một tổ hợp bất kỳ củacác khối tài nguyên rộng 180 KHz trong mỗi khoảng thời gian lập biểu 1ms

Lập biểu đường lên

Đường lên LTE dựa trên sự phân cách trực giao giữa các người dùng và nhiệm vụcủa bộ lập biểu đường lên là ấn định tài nguyên cả về thời gian và tần số (kết hợpTDMA/FDMA) cho các người dùng khác nhau Quyết định lập biểu được đưa ra saumỗi 1ms, có nhiệm vụ điều khiển những thiết bị đầu cuối nào được phép truyền đithuộc phạm vi 1 ô trong suốt một khoảng thời gian cho trước, và quyết định tài nguyêntần số nào được dùng cho quá trình truyền dẫn cũng như là tốc độ dữ liệu nào đangđược sử dụng Chú ý rằng đầu cuối được ấn định một vùng tần số liên tục cho truyềndẫn đơn sóng mang được sử dụng cho đường lên LTE.

Trạng điều kiện kênh cũng cần được xét trong quá trình lập biểu đường lên giống

như lập biểu đường xuống Tuy nhiên, việc thu thập thông tin về trạng thái kênhđường lên không phải là một nhiệm vụ đơn giản Do đó, cần bổ sung thêm các phươngtiện để đạt được phận tập đường lên trong trường hợp không sử dụng lập biểu đườnglên phụ thuộc kênh

Điều phối nhiễu liên ô

LTE cung cấp sự trực giao giữa những người dùng trong một ô trong cả đường lên

và đường xuống Vì vậy, có thể nói rằng hiệu năng liên quan đến hiệu suất sử dụngphổ của LTE bị giới hạn nhiều hơn bởi nhiễu đến từ các ô khác (nhiễu giữa các ô) sovới WCDMA/HSPA Do đó, các phương pháp để làm giảm và điều khiển nhiễu giữacác ô sẽ đem lại lợi ích lớn cho hiệu năng hệ thống LTE, đặc biệt về mặt các dịch vụ(tốc độ số liệu, v.v…) đối với người dùng tại biên ô

Điều phối nhiễu liên ô là một chiến lược trong đó tốc độ số liệu tại biên ô được

tăng nhờ xét đến nhiễu giữa những người dùng Về cơ bản, điều phối nhiễu giữa các ô

có nghĩa là đưa ra các hạn chế nhất định (miền thời gian) cho các bộ lập biểu đườnglên và đường xuống để điều khiển nhiễu giữa các ô Bằng cách hạn chế công suất củamột số bộ phận phổ trong một ô, nhiễu trong các ô lân cận trong phần phổ này sẽgiảm Phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ số liệu cao hơn cho nhữngngười sử dụng trong các ô lân cận Về thực chất, hệ số tái sử dụng tần số trên các phầnkhác nhau của ô sẽ khác nhau

Chú ý rằng điều phối nhiễu giữa các ô chủ yếu là một chiến lược lập biểu xét đến

tình trạng trong các ô lân cận Như vậy, điều phối nhiễu ô lân cận là một vấn đề củathực hiện và có lẽ khó được đưa vào các đặc tả Điều này cũng có nghĩa là điều phốinhiễu giữa các ô có thể được áp dụng chỉ cho một tập các ô được chọn phụ thuộc vàocác yêu cầu của một triển khai cụ thể

2.2 Lớp vật lý

2.2.1 Cấu trúc khung

Tài nguyên vô tuyến có thể được xem là một mạng lưới thời gian, tần số Miền tần

số được chia thành các sóng mang con mỗi sóng mang con trải rộng 15 KHz Mộtbăng con gồm có 12 sóng mang con

Miền thời gian có thể được chia thành các khe có thời gian 0,5ms Một khung con

bao gồm 2 khe thời gian và có thời lượng 1ms và 1 khung bao gồm trên 10 khung con

và do đó nó trải rộng cho 10ms (10 * 2 * 0,5ms)

Khối tài nguyên vô tuyến có thể được phân bổ trên cả đường lên và đường xuống

được gọi là băng con và có 12 sóng mang con truyền trong một khe thời gian (0,5ms).Trong miền tần số các sóng mang con được nhóm thành các khối tài nguyên tươngứng với băng thông khối tài nguyên chuẩn là 180 KHz

Hình 2.3: Mạng lưới thời gian – tần số trong LTE

Tiền tố chu trình CP được chèn vào khung máy phát và được sử dụng để sắp xếpcác gói tin nhận được sau khi thu được Có nhiều loại khác nhau của CP: CP ngắn vàdài

Trong cùng một sóng mang, những khung con khác nhau của một khung có thểđược sử dụng cho truyền dẫn đường xuống hoặc truyền dẫn đường lên Như được

minh họa trong (Hình 2.4a), trong trường hợp FDD (khai thác trong phổ kép), tất cả

các khung con của một sóng mang con hoặc được sử dụng cho truyền dẫn đườngxuống (sóng mang con đường xuống) hoặc cho truyền dẫn đường lên (sóng mang conđường) Trái lại, trong trường hợp khai thác TDD trong phổ đơn (Hình 2.4b), khungcon thứ nhất và thứ sáu của mỗi khung (khung con 0 và khung con 5) luôn luôn được

ấn định cho truyền dẫn đường xuống trong khi những khung con còn lại được ấn địnhlinh hoạt cho cả đường lên hoặc đường xuống Lý do của việc ấn định sẵn khung conthứ nhất và thứ sáu cho truyền dẫn đường xuống là vì những khung phụ này chứa cảcác tín hiệu đồng bộ LTE Các tín hiệu đồng bộ được phát trên đường xuống của mỗi ô

và được sử dụng cho tìm ô lần đầu cũng như tìm ô lân cận

Hình 2.4: V í dụ về ấn định khung con đường lên/đường xuống trong TDD và FDD

Theo như minh họa trong Hình 2.4, ấn định các khung con trong trường hợp TDDcho phép ấn định linh hoạt các khối lượng tài nguyên khác nhau(hay tỉ lệ tài nguyên)cho đường xuống và đường lên Vì cần ấn định các khung con như nhau cho các ô lâncận để tránh nhiễu giữa truyền dẫn đường xuống và đường lên giữa các ô, nên khôngthể thay đổi động ấn định tỷ lệ tài nguyên đường xuống, đường lên, chẳng hạn theotừng khung Tuy nhiên có thể thay đổi tỉ lệ này chậm hơn, chẳng hạn để thích ứng cácđặc tính lưu lượng khác nhau (các thay đổi lưu lượng đường xuống/đường lên)

2.2.2 Tài nguyên vật lý đường xuống

Như đã được đề cập trong mục 2.1, truyền dẫn đường xuống LTE dựa trên việcghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) Tài nguyên vật lý đường xuống LTE cóthể được xem như một mạng lưới tài nguyên thời gian-tần số (Hình 2.5), trong đó mỗiphần tử tài nguyên tương ứng với một sóng mang con OFDM trong khoảng thời gianmột ký hiệu

Đối với đường xuống LTE, khoảng cách sóng mang OFDM được chọn với Δf = 15f = 15kHz Với thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT, tốc độ lấy mẫu tương ứng sẽ là fs

= 15000*N, với N là kích thước FFT Vì thế đơn vị thời gian Ts có thể được xem nhưthời gian lấy mẫu của thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT N = 2048 Điều quantrọng cần phải hiểu là mặc dù đơn vị thời gian Ts được đưa vào chuẩn truy nhập vôtuyến chỉ để làm công cụ cho định nghĩa các khoảng thời gian khác nhau và không đặt

ra bất cứ quy định nào đối với thực hiện máy phát/máy thu, nghĩa là tốc độ lấy mẫu.Trong thực tế, một thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT với N = 2048 và tốc độlấy mẫu tương ứng fs = 30.72MHz sẽ thích hợp cho các băng thông LTE rộng hơn cógiá trị 15MHz và cao hơn Tuy nhiên, đối với những băng thông truyền dẫn nhỏ hơn,

kích thước FFT nhỏ hơn và tốc độ lấy mẫu tương ứng thấp hơn cũng có thể sử dụngthích hợp Ví dụ, đối với truyền dẫn băng thông 5MHz, kích thước FFT N = 512 và tốc

độ lấy mẫu tương ứng fs=7.68 MHz có thể là đủ

Hình 2.5: Tài nguyên vật lý đường xuống LTE

Lý do tiếp nhận khoảng cách giữa các sóng mang con bằng 15 KHz cho LTE là đểđơn giản hóa thực hiện các đầu cuối đa chế độ WCDMA/HSPA/LTE Sử dụng kíchthước FFT lũy thừa hai và khoảng cách giữa các sóng mang con Δf = 15f = 15 kHz, tốc độlấy mẫu fs=Δf = 15f.N sẽ là một bội số hoặc ước số của tốc độ chip WCDMA/HSPA Rc =3.84 Mchip/s Các đầu cuối đa mode WCDMA/HSPA/LTE có thể được thực hiện dễdàng bằng một mạch đồng hồ

Ngoài khoảng cách giữa các sóng mang con 15 kHz, khoảng cách giữa các sóngmang con rút ngắn Δf = 15fth=7.5 kHz cũng được định nghĩa cho LTE Mục đích sử dụngkhoảng cách giữa các sóng mang con rút ngắn là để truyền dẫn đa phương/quảng bádựa trên MBSFN Những thảo luận còn lại trong phần này và những chương tiếp theo

sẽ giả thiết khoảng cách sóng mang 15 kHz trừ khi được trình bày rõ ràng theo cáchkhác

Trong miền tần số, các sóng mang con đường xuống được nhóm thành các khối tàinguyên tương ứng với băng thông khối tài nguyên chuẩn 180kHz (Hình 2.6) Ngoài ra,sóng mang con DC (một chiều) tại tâm của phổ đường xuống sẽ không được sử dụng.Nguyên nhân sóng mang con DC không được sử dụng cho bất cứ truyền dẫn nào là vì

nó có thể trùng với tần số của bộ tạo dao động nội tại máy phát trạm gốc hoặc máy thucủa đầu cuối di động Hậu quả là có thể phải chịu nhiễu cao do bộ dao động nội bị ròđiện

Tổng số sóng mang con trên một sóng mang đường xuống, bao gồm cả sóng mangcon DC, vì thế sẽ bằng Nsc = 12 NRB + 1, với NRB là số lượng các khối tài nguyên Đặcđiểm kỹ thuật lớp vật lý LTE cho phép đường xuống có thể có số lượng khối tàinguyên bất kỳ trong dải từ 6 khối cho đến hơn 100 khối tài nguyên Điều này tươngứng với băng thông truyền dẫn trong dải từ 1 MHz đến 20 MHz với tính hạt mịn Điềunày đảm bảo tính linh hoạt băng thông/phổ của LTE rất cao một mức độ rất cao ít nhất

từ góc độ đặc tả lớp vật lý Tuy nhiên các yêu cầu tần số vô tuyến của LTE chỉ được