Giới thiệu về hệ thống thông tin vô tuyến lte advanced

LỜI GIỚI THIỆUTrong kỷ nguyên số, sự bùng nổ của các dịch vụ trực tuyến và nhu cầu truyền thông đa phương tiện chất lượng cao đã làm thay đổi đáng kể cách con người giao tiếp và kết nối

MỤC LỤC

Mục lục………1 Lời mở đầu ………… 2

I Giới thiệu về hệ thống thông tin vô tuyến LTE - Advanced.

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thông thông tin LTE - Advanced……… 3 1.2 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin LTE - Advanced……… 4 1.3 Lợi thế của hệ thống thông tin LTE - Advanced……… 5 1.4 So sánh LTE và LTE - Advanced……….

II Phân tích cấu trúc hệ thống thông tin vô tuyến LTE - Advanced.

2.1 Thiết bị người dùng (UE - User Equipment)………

2.2 Mạng truy cập vô tuyến………

2.3 Mạng lõi (EPC - Evolved Packet Core)………

III Phân tích các kỹ thuật thống tin vô tuyến sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến LTE - Advanced

IV Tính toán đường truyền thông tin vô tuyến LTE - Advanced.

V Các khía cạnh khác của hệ thống thông tin vô tuyến LTE -Advanced.

LỜI GIỚI THIỆU

Trong kỷ nguyên số, sự bùng nổ của các dịch vụ trực tuyến và nhu cầu truyền thông đa phương tiện chất lượng cao đã làm thay đổi đáng kể cách con người giao tiếp và kết nối với nhau Từ việc truyền phát video độ phân giải cao, chơi game trực tuyến, cho đến ứng dụng Internet of Things (IoT), tất cả đều đòi hỏi một nền tảng mạng di động mạnh mẽ, ổn định và có khả năng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ truyền tải dữ liệu cũng như

độ trễ thấp Đứng trước những yêu cầu này, công nghệ LTE-Advanced ra đời như một giải pháp tối ưu, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực truyền thông di động LTE-Advanced, được phát triển trên nền tảng LTE (Long-Term Evolution), không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn của ITU-R về mạng 4G mà còn mang lại nhiều cải tiến vượt bậc về mặt công nghệ Hệ thống này cung cấp tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến hàng trăm Mbps, tối

ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ tần và hỗ trợ kết nối đồng thời nhiều thiết bị với độ tin cậy cao Các công nghệ tiên tiến như ghép sóng mang (Carrier Aggregation), MIMO (Multiple Input Multiple Output) và cơ chế tự tối ưu hóa mạng (Self-Organizing Networks – SON) giúp LTE-Advanced trở thành nền tảng quan trọng không chỉ cho các dịch vụ hiện tại mà còn là cầu nối hướng tới mạng di động thế hệ 5G

Việc nghiên cứu hệ thống thông tin LTE-Advanced có ý nghĩa quan trọng cả về lý thuyết

và thực tiễn Về mặt lý thuyết, nghiên cứu này giúp làm rõ các nguyên lý hoạt động, kiến trúc và đặc điểm kỹ thuật của hệ thống LTE-Advanced Về mặt thực tiễn, nó giúp nhận diện những lợi thế cũng như thách thức trong việc triển khai công nghệ này tại Việt Nam

và trên thế giới Đồng thời, việc hiểu rõ các cơ chế hoạt động của LTE-Advanced còn tạo tiền đề cho việc xây dựng, tối ưu hóa và phát triển các ứng dụng mạng di động thế hệ mới trong tương lai

Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung phân tích tổng quan về hệ thống thông tin LTE-Advanced, từ các khía cạnh như cấu trúc mạng, nguyên lý truyền dẫn, các công nghệ then chốt cho đến các vấn đề thực tiễn trong quá trình triển khai và vận hành Qua đó, nghiên cứu không chỉ cung cấp cái nhìn toàn diện về hệ thống thông tin LTE-Advanced mà còn

mở ra những định hướng phát triển cho lĩnh vực viễn thông hiện đại trong bối cảnh hội nhập công nghệ toàn cầu

I Giới thiệu về hệ thống thông tin vô tuyến LTE - Advanced.

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thông thông tin LTE - Advanced.

Hệ thống thông tin LTE-Advanced có nguồn gốc từ công nghệ LTE (Long-Term Evolution), được phát triển bởi 3GPP từ năm 2004

Sau khi LTE được chuẩn hóa vào năm 2008, các nhà phát triển ngay lập tức bắt tay vào việc cải tiến hệ thống này để đáp ứng các yêu cầu của IMT-Advanced do ITU-R đặt ra cho

hệ thống 4G Kết quả là LTE-Advanced được chính thức đưa vào tiêu chuẩn 3GPP Release 10 vào năm 2011 và được ITU công nhận là công nghệ đáp ứng tiêu chuẩn IMT-Advanced vào tháng 10/2010

Công nghệ này giới thiệu nhiều tính năng quan trọng như Carrier Aggregation và cải tiến MIMO, đồng thời tiếp tục được phát triển qua các phiên bản tiếp theo Mạng LTE-Advanced đầu tiên được triển khai thương mại vào năm 2013 tại Hàn Quốc, sau đó nhanh chóng được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu

Sự phát triển của LTE-Advanced không dừng lại ở đó, với việc giới thiệu LTE-Advanced Pro trong Release 13 (2016) như một bước tiến tiếp theo, tạo nền tảng vững chắc cho sự chuyển đổi sang công nghệ 5G trong tương lai

1.2 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin LTE - Advanced.

Các chuyên gia về công nghệ không dây thì đang gọi LTE-Advanced là “4G đích thực” do không giống với 4G LTE thông thường, chuẩn này thực sự đạt các tiêu chí kỹ thuật do ITU (International Telecommunication Union) đặt ra cho hệ thống không dây thế hệ thứ tư

Một trong những tiêu chí này là tốc độ Về lý thuyết, LTE-Advanced có thể đạt tốc độ tải xuống tối đa là 3Gb/s (gigabits/giây) và tốc độ tải lên tối đa là 1,5Gb/s Trong khi đó LTE đạt tốc độ tối đa khoảng 300Mb/s tải xuống và 75Mb/s tải lên

Ngoài ra LTE-Advanced không chỉ đơn thuần có tốc độ cao hơn Nó còn bao gồm các giao thức truyền dẫn mới và các nguyên tắc phối hợp đa ăng-ten giúp việc chuyển giao giữa các cell (vùng phủ sóng không dây của một trạm thu phát) suôn sẻ hơn, tăng thông lượng ở vùng tiếp giáp giữa các cell, và nén nhiều bít dữ liệu hơn trong một giây vào trong mỗi herzt trên phổ tần số (của kênh không dây)

Kết quả là năng lực hệ thống mạng sẽ cao hơn, các kết nối ổn định hơn và dữ liệu rẻ hơn

1.3 Lợi thế của hệ thống thông tin LTE - Advanced.

Được biết tới dưới cái tên “4G đích thực”, LTE-Advanced bao gồm một loạt các công nghệ không dây giúp nâng cao năng lực của mạng 4G LTE hiện tại, đồng thời giúp tốc

độ tại số một kênh di động đạt mức 3Gb/s Sau đây là năm tính năng chính giúp phân biệt chuẩn không dây mới này với chuẩn hiện tại

1.3.1 Băng thông rộng hơn.

Sử dụng công nghệ có tên là “gộp cộng sóng mang”, các nhà mạng có thể kết hợp tới 5 kênh tần số LTE, hay còn gọi là sóng mang, mỗi kênh rộng tối đa 20MHz nằm ở những phần khác nhau của phổ tần số không dây

1.3.2 Nhiều luồng dữ liệu hơn.

LTE-Advanced hỗ trợ công nghệ MIMO (Multiple Input Multiple Output-Đa đầu vào, đa đầu ra), cho phép nhiều ăng-ten gửi và nhận dữ liệu Một tính năng của MIMO có tên gọi

là ghép kênh không gian tách riêng truyền dẫn ra thành các luồng song song, do đó làm tăng tốc độ dữ liệu tỷ lệ với số lượng ăng-ten truyền dẫn

1.3.3 Truyền nối tiếp thông minh hơn.

Các bộ lặp tín hiệu không dây thông thường như trong mạng LTE, chỉ đơn thuần là khuyêch đại tín hiệu từ trạm phát trong tại chỉ truyền tín hiệu từ trạm phát LTE-Advanced hỗ trợ kỹ thuật truyền nối tiếp tiên tiến hơn.Trước tiên nó giải mã dữ liệu thu được rồi chỉ truyền đi những dữ liệu có đích đến là các thiết bị di động ở xung quanh Điều này giúp tăng số lượng thuê bao mà mỗi bộ truyền nối tiếp có thể phục vụ

1.3.4 Hỗ trợ các cell nhỏ.

Một sự cải tiến khác là eICIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination) làm giảm bớt nhiễu đến các cell nhỏ- một trạm phát công suất thấp có vùng phủ sóng nằm bên trong một cell lớn Hai cell này có thể tự động phối hợp việc sử dụng phổ tần số của chúng với nhau để giúp cell nhỏ mở rộng vùng truyền dẫn

1.3.5 Phối hợp truyền dẫn.

Để cải thiện khả năng thu sóng, LTE-Advanced đưa ra công nghệ CoMP (Coordinated Multipoint - phối hợp đa điểm) Công nghệ này cho phép vài trạm phát hợp thành một cell duy nhất,cho phép một máy di động cùng lúc kết nối tới tất cả các trạm.Ví dụ máy di động có thể nhận các luồng tải xuống từ các trạm phát lớn, trong khi tải lên tới một trạm nhỏ gần bên

1.4 So sánh LTE và LTE - Advanced

Tính di động

- Hoạt động tối ưu với tốc độ thấp (< 15km/hr)

- Vẫn hoạt động tốt ở tốc độ lên đến 120 km/hr

- Vẫn duy trì hoạt động ở tốc

độ đến 350 km/hr

Tương tự như LTE

Dung lượng Cell với 200 người dùng hoạtđộng trong 5 MHz Gấp 3 lần LTE

II Cấu trúc hệ thống thông tin vô tuyến LTE - Advanced

2.1 Kiến trúc mạng LTE-Advanced

Đối với hệ thống 4G, cả giao diện vô tuyến và mạng truy nhập vô tuyến đều được mở rộng hoặc định nghĩa lại, tuy nhiên đối với kiến trúc mạng lõi EPC thì lại không có nhiều thay đổi đối so với kiến trúc SAE được tiêu chuẩn hóa Do vậy, trong chương này sẽ trình bày kiến trúc E-UTRAN và các chức năng được định nghĩa cho hệ thống LTE-Advanced và chức năng các nút chính trong EPC, được đưa ra trong phát hành 8, 9, 10.

2.2 Mạng lõi (EPC - Evolved Packet Core).

- MME (Mobility Management Entity): Quản lý di chuyển của UE trong mạng, bao gồm

cả việc chuyển giao giữa các eNodeB

- S-GW (Serving Gateway): Chuyển tiếp dữ liệu giữa E-UTRAN và mạng bên ngoài (ví dụ: Internet)

- P-GW (PDN Gateway): Cổng kết nối giữa mạng LTE - Advanced và mạng bên ngoài, cung cấp địa chỉ IP cho UE

- HSS (Home Subscriber Server): Lưu trữ thông tin về thuê bao, bao gồm cả thông tin xác thực và các dịch vụ được phép sử dụng

- PCRF (Policy and Charging Rules Function): Quản lý các chính sách và quy tắc tính cước cho các dịch vụ

2.3 Mạng truy cập vô tuyến (E-UTRAN - Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network).

- eNodeB (Evolved NodeB): Là các trạm thu phát sóng vô tuyến, có chức năng quản lý kết nối giữa UE và mạng lõi Mỗi eNodeB có thể phục vụ nhiều UE trong một khu vực nhất định

- Các giao diện (interfaces): Kết nối các eNodeB với nhau và với mạng lõi

Phần lõi chính của kiến trúc E-UTRAN là Nút B phát triển (eNodeB), cung cấp giao diện vô tuyến với mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển kết cuối hướng đến

UE Giao diện kết nối các eNodeB với nhau được gọi là giao diện X2 Ngoài ra, 3GPP cũng xem xét đến các nút chuyển tiếp (relay) và cách thức chuyển tiếp phức tạp cho việc

mở rộng hiệu năng mạng Mục tiêu của công nghệ mới này là tăng vùng phủ, tốc độ dữ liệu cao hơn và hiệu năng QoS tốt hơn và công bằng hơn đối với các người sử dụng khác nhau

Hình 2.3.1: Kiến trúc E-UTRAN của LTE-Advanced Nút B phát triển cung cấp E-UTRAN với những giao thức kết cuối mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng cần thiết, bao gồm có PDCP (giao thức hội

tự dữ liệu gói), RLC (điều khiển liên kết vô tuyến), MAC (điều khiển truy nhập môi trường), và các giao thức lớp vật lí (PHY) Chồng giao thức mặt phẳng điều khiểm

có thêm các giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC).

Hình 2.3.2: Chồng giao thức Mạng truy nhập vô tuyến LTE-Advanced sử dụng một kiến trúc phẳng, hoàn toàn IP, với chỉ một loại nút đó là Nút B phát triển (eNodeB) Nút B phát triển chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan đến phần vô tuyến trong một hoặc nhiều ô (cells) Một nhiệm vụ cơ bản của Nút B phát triển đó là tạo ra miền có 3 vùng (3 sector) Nút B phát triển kết nối đến mạng EPC thông qua giao diện S1, đặc biệt hơn là kết nối đến S-GW thông qua giao diện S1-u (phần giao diện S1 cho người sử dụng), và kết nối đến MME thông qua giao diện S1-c (giao diện S1 mặt phẳng điều khiển) Một Nút B phát triển có thể được kết nối đến hiều MME/S-GW cho mục đích chia tải và dự phòng

2.4 Thiết bị người dùng (UE - User Equipment).

Là các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng, thiết bị IoT (Internet of Things) có khả năng kết nối với mạng LTE - Advanced

III Các kỹ thuật thông tin vô tuyến trong hệ thống thông tin vô tuyến LTE - Advanced.

3.1 Kỹ thuật cộng gộp sóng mang (carrier aggregation)

Việc cộng gộp sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của LTE-A phiên bản 10 để tăng tổng băng thông có sẵn cho một thiết bị di động và do đó đạt được tốc độ bit tối đa

Mỗi sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần CC (Component Carrier), sóng mang thành phần có thể có băng thông 1,4; 3; 5; 10; 15MHz hoặc 20 MHz Trong LTE, thông thường chỉ có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền kề có độ rộng tối đa là 20MHz Còn trong LTE-A, công nghệ cộng gộp sóng mang cho phép kết hợp những kênh nhỏ hay còn gọi là sóng mang trên các băng tần khác nhau, tách biệt thành “một kênh cực lớn”, do đó về cơ bản có thể tăng tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi khách hàng lên nhiều lần

Chuẩn LTE-Advanced cho phép nhà mạng kết hợp tối đa năm sóng mang với băng thông 20MHz thành một kênh có băng thông 100MHz cao gấp năm lần băng thông của LTE thông thường

3.2 Kỹ thuật đa đầu vào, đa đầu ra MIMO (Multiple Input, Multiple Output)

MIMO cho phép các trạm thu phát và các thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu bằng nhiều ăng-ten LTE có hỗ trợ phần nào MIMO nhưng chỉ cho chiều tải xuống Ngoài ra chuẩn này còn giới hạn số lượng ăng-ten ở mức tối đa là bốn bộ phát ở phía trạm thu phát và bốn

bộ thu ở thiết bị di động LTE-Advanced thì cho phép tối đa tám cặp thu phát ở chiều tải xuống và bốn cặp ở chiều tải lên

MIMO thực hiện hai chức năng:

- Ở môi trường không dây khả năng xẩy ra can nhiễu cao như tại rìa các cell hoặc trong một ô tô đang di chuyển, các bộ phát và thu sẽ phối hợp với nhau để tập trung tín hiệu vô tuyến vào một hướng cụ thể Chức năng tạo búp sóng (beamforming) này giúp cho tín hiệu thu được mạnh lên mà không cần phải tăng công suất phát

- Khi cường độ tín hiệu mong muốn mạnh còn tín hiệu nhiễu yếu, như khi người dùng đứng yên và ở gần trạm phát thì MIMO có thể được dùng để làm tăng tốc độ dữ liệu hay tăng số lượng người dùng mà không phải dùng thêm phổ tần số Kỹ thuật này có tên là

“ghép kênh không gian” (spatial multiplexing) giúp nhiều luồng dữ liệu được truyền đi cùng lúc, trên cùng tần số sóng mang Ví dụ, một trạm thu phát với tám bộ phát có thể truyền đồng thời tám luồng tín hiệu tới một máy điện thoại có tám bộ thu Do mỗi luồng

dữ liệu tới mỗi bộ thu có hướng, cường độ và thời gian hơi khác nhau một chút nên các thuật toán xử lý trong máy có thể kết hợp chúng với nhau và dựa vào những khác biệt này

để tìm ra các luồng dữ liệu gốc Thông thường thì ghép kênh theo không gian có thể làm tăng tốc độ dữ liệu tỷ lệ thuận với số cặp ăng-ten thu phát Do vậy, trong trường hợp khả quan nhất, tám cặp thu phát có thể tăng tốc độ dữ liệu lên khoảng tám lần

3.3 Công nghệ truyền chuyển tiếp (relaying).

Công nghệ truyền nối tiếp được dùng để mở rộng vùng phủ sóng tới những nơi có tín hiệu yếu

Thông tường các bộ truyền nối tiếp thông thường, hay còn gọi là bộ lặp lại khá đơn giản, chúng nhận tín hiệu, khuyếch đại, rồi truyền đi LTE-Advanced hỗ trợ các chế độ truyền nối tiếp tiên tiến hơn Trước tiên nó sẽ giải mã tất cả các dữ liệu thu được rồi sau đó chỉ chuyển đi những dữ liệu có đích đến là các thiết bị di động mà mỗi bộ truyền nối tiếp đang phục vụ Phương pháp này giúp giảm can nhiễu và tăng số lượng máy di động kết nối tới

bộ truyền nối tiếp

LTE-Advanced còn cho phép các bộ truyền nối tiếp dùng cùng phổ tần số và các giao thức của trạm thu phát để liên lạc với trạm thu phát và với các thiết bị đầu cuối Lợi thế của việc này là nó cho phép các máy LTE kết nối tới bộ truyền nối tiếp như thể đó là một trạm thu phát thông thường Bộ truyền nối tiếp sẽ chỉ phát sóng vào những thời điểm cụ thể khi

mà trạm thu phát không hoạt động để tránh gây nhiễu cho trạm thu phát

Dưới đây là hình vẽ nút chuyển tiếp (Relay node) dùng để mở rộng phủ sóng và được kết nối với nút chủ gọi là Donor cell qua giao diện vô tuyến (Backhaul link)

3.4 Kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào eICIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination).

Kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các tế bào được sử dụng trong hệ thống được gọi là mạng phức hợp (Heterogeneous network) giúp giải quyết hiện tượng nghẽn mạng

Trong mạng này, các trạm thu phát công suất thấp sẽ tạo ra các cell nhỏ (small cell) nằm chồng lên mạng lưới các cell lớn (macro cell) do các trạm thu phát thông thường có công suất lớn tạo ra Các trạm thu phát nhỏ với nhiều mức kích cỡ (còn được gọi bằng các tên metro-, micro-, pico-, hay femtocell) để tăng mức tải dữ liệu trong các vùng nóng (hots pot) như vùng đô thị đông đúc

Những bộ thu phát này có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, không cồng kềnh và lắp đặt thì dễ dàng hơn Nhưng khi các nhà mạng đặt ngày càng nhiều trạm thu phát vào cùng một khu vực, họ sẽ phải tìm cách để giảm thiểu can nhiễu khó tránh khỏi giữa chúng

Giao thức eICIC của LTE-A được xây dựng dựa trên kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu