Tổng quan về công nghệ LTE

Cùng với sự phát triển cũng như đòi hỏi cũa xã hội ngành khoa học trong lĩnh vực truyền dẫn viễn thông cũng luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó

Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE

I.1: Giới thiệu

I.2: Tổng quan về công nghệ LTE

I.3: Các tính năng và yêu cầu thiết kế

I.4: Đa truy nhập

I.5: Khả năng ứng dụng

Chương II: Cấu trúc hệ thống

II.1 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN

II.3 Hệ thống mạng lõi

Chương III : Truy nhập vô tuyến

III.1 TRuy nhập đường xuống

III.2: Truy nhập đường lên

III.3: ARQ kiểm soát lỗi và kế hợp mềm

III.4: Đa truy nhập MIMO

III.5: Cấu trúc khungTDD và FDD

Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE

I.1 Giới thiệu

+Cùng với sự phát triển cũng như đòi hỏi cũa xã hội ngành khoa học trong lĩnh vựctruyền dẫn viễn thông cũng luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó

+ Đặc biệt là trong xã hội ngày nay nhu cầu về trao đổi thông tin , truyền dữ liệu, các dịch vụ trên các thiết bị di động liệu ngày càng cao Các hệ thống thông tin di động 2g, 2,5g và đặc biệt la 3g vẫn đang hoạt động khá trơn chu và ngày càng pháttriển với những thế mạnh của mình tuy nhiên chúng vẫn phần nào chưa đáp ứng được mong đợi của những khách hàng có nhu cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao Hệ thông thông tin di động sử dụng công nghệ LTE được phát triển sẽ giải quyết được những khó khăn trên

I.2 Tổng quan về công nghệ LTE

+ LTE là từ viết tắt của Long term evolution miêu tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông di động

+ LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thứ 4 hay còn gọi là 4g hệ thống này được kỳ vọng có nhũng tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3g trước đó

Hình 1 : Cấu trúc mạng LTE

I.3 : Tính năng và yêu cầu của LTE

I.3.1 Tính năng

Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:

Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps

- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz sovới mạng HSDPA Rel 6:

- Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h Vẫn hoạtđộng tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao

di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)

- Băng tấn sử dung: Lte có thể được triển khai ở nhiều băng tần khác nhau như ởtần số 700Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz, 2300Mhz…

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.4Hz, 3MHz, 5 MHz,

10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dàibăng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

+ LTE cung cấp các tốc độ dữ liệu cao hơn cho cả đường lên và đường xuống.+ Ngoài làm tăng tốc độ số liệu thực LTE còn làm giảm trễ gói

+ Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu LTE được xác định trên mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên công nghệ OFDM cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên

+ Hiệu quả sử dụng phổ tần cuả OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế bậc cao 64QAM Mã hóa turbo, mã hóa xoắn cùng với các kỹ thuật vô tuyến

bổ xung như kỹ thuật MIMO kết quả là thông lượng trung bình tăng lên 5 lần so với HSPA

+ Môi trường toàn IP LTE là sự chuyển dịch tới mạng lõi toàn IP với giao diện mở

và kiến trúc đơn giản hóa Đây là bước chuyển đổi của 3GPP tù hệ thống mạng lõi đang tồn tại kết hợp song song trước đó la chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói sang mạng lõi chi sử dụng chuyển mạch gói

I.3.2 Yêu cầu thiết kế và băng tần sử dụng

+ Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các

thiết bị VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ gần như không có) thông qua các mạng chuyển mạch UMTS

Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và

các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ còn lại

Hiệu quả sử dụng phổ tần cao

Trễ được giảm xuống còn <10ms

- I.4 triển vọng

- Trên thế giới đã có nhiều hãng viễn thông lớn triển khai hoạt động mạng LTEMạng NTT DoCoMo của Nhật sẽ đi tiên phong khi đặt mục tiêu khai trương dịch

vụ vào năm 2009

Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, và China Mobile tuyên bố hợp tácthử nghiệm LTE vào năm nay Việc triển khai cơ sở hạng tầng cho LTE sẽ bắt đầuvào nửa sau của năm 2009 và kế hoạch cung cấp dịch vụ sẽ bắt đầu vào năm 2010.-

Đầu tháng ngày 8 tháng 10 năm 2010 vừa rồi, hãng viễn thông Ericsson Việt Nam

đã phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện của Bộ Thông tin và Truyền thông trìnhdiễn công nghệ LTE – công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiến của đại diện của Bộ cùng các mạng di động Việt Nam

Chuyên gia của Ericsson cho biết, nếu như tốc độ của dịch vụ ADSL được cung cấp tại Việt Nam trung bình từ 1,5Mbps – 6Mbps đã là băng rộng thì với LTE, thế vẫn chưa là gì Công nghệ TD-LTE có tốc độ lý tưởng lên đến 110 Mbps với cấu hình tương tự

Đợt thử nghiệm vừa rồi diễn ra ở băng tần 2300-2400Mhz Kết thúc cuộc thử nghiêm tốc độ đo được tốc độ tải xuống đạt 80Mbps tải lên đạt 20Mbps Vượt xa tốc độ truy nhập của ADSL hiện nay

1.5 quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợnâng cao cho chất lượng dịch vụ đầu cuối tới đầu cuối, hỗ trợ hiệu quả cho truyềndẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lý chính sáchthông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau

Việc hỗ trợ nâng cao chất lượng dịch vụ dầu cuối tới đầu yêu cầu cải thiện sựgiữa thích ứng giữa dịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báohiệu lớp cao hơn) với tài 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 cókhả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của cácgiao thức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu

đề IP (IP header)

Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập

vô tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để địnhhướng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập vô tuyếnthích hợp đã được nói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình chuyểngiao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến

Chương II: Cấu trúc hệ thống

Hình 2.1 cấu trúc của mạng

Hệ thống LTE được chia làm hai phần

LTE được phat triển thành 2 phần kết hợp lại

Phần truy nhập vô tuyến mặt đất và hệ thống mạng lõi

II.1 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN

E-UTRAN bao gồm các eNB, cung cấp các mặt phẳng sử dụng E-UTRA và giao thức điều khiển mặt phẳng giao tiếp đối với UE

• Hoàn toàn phân phối kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến

eNB có thể được kết nối với nhau bằng các phương tiện của giao diện X2

• X2 hỗ trợ di động tăng cường, quản lý nhiễu giữa các tế bào, và các chức năng SON

eNB được kết nối bằng phương tiện của giao diện S1 cho Evolved Packet Core (EPC

II.1.1 E NodB

ENodB ( Evoled NodeB)

Là trạm gốc được tăng cường mới, có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP.

Nó là một BTS được tăng cường cung cấp giao diện không gian LTE và thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống truy nhập tiên tiến chức năng của

ENodB :

• Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến

• Nén IP header và mã hoá dòng dữ liệu người sử dụng

Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập

Bảo đảm chất lượng dịch vụ

Thực hiên các cuộc chuyển giao với các UE

II.2 Hệ thống mạng lõi EPC (evoled packet core)

Đặc điểm

Hệ thống mạng lõi của LTe đã cải tiến và phát triển chỉ sử dụng duy nhất một phương thức là chuyển mạch gói Và truyền dữ liệu ,xác định vị trí thuê bao bằng phương thức định tuyến IP trong toàn bộ hệ thống

Kiến trúc mạng được rút gọn hơn so với mạng 3G góp phần làm giảm giá thành khi triển khai mạng

Chức năng của các khối

II.2.1 PDN Gateway

PDN GW cung cấp kết nối cho UE tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểmvào ra của lưu lượng cho UE Một UE có thể đồng thời kết nối với nhiều hơn một PDN GW để truy nhập nhiều PDN Chức năng của PDN GW gồm có:

Quản lý một quý địa chỉ IP và cấp phát các địa chỉ IP cho các UE

+ Thực hiện sự cưỡng bức chính sách (Policy enforcement)

+ Lọc gói cho mỗi user.(Per-user based packet filtering (by e.g deep packet

+ Chức năng DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

+ Transport level packet marking in the uplink and downlink, e.g setting the

DiffServ Code Point, based on the QCI of the associated EPS bearer

II.2.2 Cổng phục vụ :Serving Gateway(S GW)

Là một node kết thúc trong giao diện hướng tới EUTRAN Chức năng của SGW bao gồm:

Truyền tải dữ liệu người dùng giũa mạng vô tuyến và mạng lõi thong qua giao thứcGTP

+ SGW định tuyến và hướng các gói dữ liệu dữ liệu người sử dụng

+ EUTRAN ngừng bộ đệm gói đường xuống và bắt đầu mạng thúc đẩy thủ tục yêu

cầu dịch vụ.

+ Khi các UE ở trạng thái rỗi, SGW kết thúc đường dữ liệu Downlink và kích hoạt tìm gọi khi dữ liệu downlink chuyển tới UE

+ Quản lý và lưu trữ các văn cảnh của UE,

+ Thực hiện sao chép của lưu lượng sử dụng trong trường hợp ngăn chặn hợp pháp

II.2.3 Thực thể quản lý di động MME (Mobility Management Entity)

MME là node điều khiển quan trọng của mạng truy nhập LTE MME quản lý tính lưu động, xác nhận UE và những tham số bảo mật Chức năng của MME bao gồm:+ Báo hiệu NAS (Non Access Stratum) hoàn thành tại MME, và nó cũng chịu trách nhiệm về sự phát sinh và sự định vị của sự nhận dạng tạm thời các UE

+ MME cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính lưu động giữa LTE và mạng truy nhập 2G/3G

+ Trạng thái UE rỗi – Idle theo dõi và khả năng liên lạc (bao gồm điều kiển và thựchiện các chuyển tiếp tìm gọi)

+ Theo dõi quản lý danh sách vùng

+ Kiểm tra tính xác thực của UE đến trạm trên dịch vụ của nhà cung cấp PLMN vàgiám sát việc thi hành sự giới hạn Roaming cho UE

+ Lựa chọn GW (sự lựa chọn Serving GW và PDN GW)

+ Lựa chọn MME cho chuyển giao khi thay đổi MME

+ Lựa chọn SGSN chuyển giao tới các mạng truy nhập 2G, 3G, 3GPP

+ Nó chịu trách nhiệm chứng thực các user (bằng cách tương tác với HSS – Home Subscriber Service)

+ MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịch mật mã, bảo vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật

II.3Các giao diện liên kết

Giao diện : S1

Giao diện S1 là giao diện phân cách giữa E-UTRAN và EPC Nó được chia thành hai phần: S1-U, có thể mang theo dữ liệu giao thông giữa các-eNode B và các GW phục vụ, và các S1-MME, mà là một giao diện báo hiệu chỉ giữa các-eNode B và các MME

Giao diện X2 : Giao diện X2 là giao diện giữa các eNode-B, gồm hai phần:-X2 C

là các mặt phẳng điều khiển giao diện giữa eNode-B, trong khi U-X2 là giao diện người dùng máy bay giữa eNode-B Người ta cho rằng luôn luôn tồn tại một giao diện X2 giữa eNode-B rằng cần phải giao tiếp với nhau, ví dụ, để hỗ trợ bàn giao

Giao dịên S3: - là giao diện giữa S GW và cổng SGSN của mạng 2G,3G Nó cho phép người sử dụng và trao đổi thông tin ghi tên cho liên mạng di động 3GPP truy cập ở trạng thái nhàn rỗi và / hoặc hoạt động

Hình 2.2:chức năng phân chia giữa E-UTRAN và lõi tiến hóa gói

II.4 Giao thức giao diện vô tuyến

Dữ liệu được truyền trên đường xuống dưới dạng các gói IP trên một trongnhững tải tin SAE (SAE bearers) Trước khi truyền đi qua giao diện vô tuyến,những gói IP đến (incoming IP packets) sẽ đi qua nhiều phần tử, được tổng kếtdưới đây và được mô tả chi tiết hơn trong những phần sau:

Điều khiển tài nguyên vô tuyến Radio Resource Control (RRC): Các lớp RRC

thực hiện chức năng kiểm soát bao gồm duy trì mặt phẳng, nhắn tin và phát hành

xử lý kết nối di động, bảo mật, và quản lý QoS

Giao thức hội tụ số liệu gói (Packet Data Convergence Protocol -PDCP): thực

hiện việc nén tiêu đề IP (IP header) để làm giảm số lượng bit cần thiết cho việctruyền dẫn thông qua giao diện vô tuyến

Điều khiển liên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC): đảm nhiệm việc phân

đoạn / ghép nối, điều khiển việc truyền lại, và phân phát lên các lớp cao hơn theothứ tự Không giống như WCDMA, giao thức RLC được định vị trong eNodeB vìchỉ có một loại node đơn trong kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE (LTE radioaccess network architecture) RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng cáctải tin vô tuyến Chỉ có một phần tử RLC trên một tải tin vô tuyến được cấu hìnhcho một thiết bị đầu cuối di động

Điều khiển truy cập môi trường (Medium Access Control - MAC): điều khiển

việc truyền lại hybrid-ARQ và hoạch định đường lên, đường xuống Chức nănghoạch định được định vị trong eNodeB, và nó chỉ có một phần tử MAC cho một tếbào, cho cả đường lên và đường xuống Phần giao thức hybrid ARQ có mặt trong

cả đầu cuối phát và thu của giao thức MAC Khối MAC cung cấp các dịch vụ choRLC dưới dạng các kênh logic

Lớp vật lý (Physical layer – PHY): điều khiển việc mã hóa / giải mã, điều chế /

giải điều chế, ánh xạ đa anten (multi antenna mapping), và các chức năng lớp vật

lý tiêu biểu khác Lớp vật lý cung cấp dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênhchuyển tải (transport channels)

Hình 2.3 mối lien hệ giữa các kênh theo dương xuống

Hình 2.4 đường lên

II.5 Kênh chuyển tải

Kênh chuyền tải

Để giảm độ phức tạp của kiến trúc giao thức LTE, số lượng các kênh chuyền tải đãgiảm Điều này chủ yếu là do tập trung vào chia sẻ kênh hoạt động, tức là không cókênh chuyên dụng được sử dụng nữa

II.5.1 Đường xuống kênh chuyền tải gồm:

Kênh quảng bá – Broadcast Channel (BCH): có một định dạng truyền tải cố

định, được cung cấp bởi các đặc tính kỹ thuật Nó được dùng cho việc truyền dẫn những thông tin trên kênh logic BCCH

Kênh Paging – Paging channel (PCH): được dùng cho việc paging thông tin trên

kênh logic PCCH Kênh PCH hỗ trợ việc thu nhận không liên tục (discontinous reception – DRX) nhằm cho phép thiết bị đầu cuối di động tiết kiệm năng lượng pin bằng cách ngủ (sleeping) và chỉ thức (wake up) khi nhận PCH tại những thời điểm xác định trước

Kênh multicast – Multicast Channel (MCH): được dùng để hỗ trợ MBMS và

được đặc trưng bởi định dạng truyền tải bán tĩnh và hoạch định bán tĩnh static transport format and semi-static scheduling) Trong trường hợp truyền dẫn nhiều tế bào (multi-cell transmission) sử dụng MBSFN, cấu hình định dạng truyền tải và hoạch định được điều phối giữa những tế bào liên quan trong truyền dẫn MBSFN

Kênh chia sẻ đường xuống – Downlink Shared Channel (DL-SCH): là kênh

truyền tải được dùng cho truyền dẫn dữ liệu đường xuống trong LTE

II.6.2Kênh chuyền tải đường lên

Kênh chia sẻ đường lên – Uplink shared channel (UL-SCH):

Kênh truy cập ngẫu nhiên.Random Access Channel (RACH)

Các thủ tục RACH được sử dụng trong bốn trường hợp:

+ Đầu tiên truy cập từ trạng thái bị ngắt kết nối (RRC_IDLE) hay lỗi vô tuyến+ Chuyển giao đòi hỏi thủ tục truy cập ngẫu nhiên

+ DL hoặc UL đến dữ liệu trong quá trình RRC_CONNECTED sau khi UL PHY

đã mất đồng bộ hóa (có thể do tiết kiệm điện năng hoạt động)

+UL dữ liệu đến khi không chuyên yêu cầu lập kế hoạch (PUCCH) các kênh có sẵn

II.6 Kênh logic

Chức năng của kênh logic là cung cấp các dịch vụ cho MAC

Kênh logic được phân ra làm hai loại là kênh điều khiển và kênh lưu lượng

II.6.1 Kênh logic điều khiển bao gồm

Kênh điều khiển quảng bá (Broadcast Control Channel - BCCH): được sử dụngcho việc truyền dẫn thông tin điều khiển hệ thống từ mạng tới tất cả các thiết bịđầu cuối di động trong một tế bào Trước khi truy nhập vào hệ thống, một thiết bịđầu cuối di động cần phải đọc những thông tin được truyền trên kênh BCCH đểtìm ra cách thức hệ thống được cấu hình, ví dụ như băng thông của hệ thống

+ Kênh tìm gọi (Paging Control Channel – PCCH): được sử dụng cho việc tìm

gọi của các thiết bị đầu cuối di động mà mạng không biết được vị trí của nó về mức tế bào (cell level) và vì vậy tin nhắn tìm gọi cần được truyền trong nhiều tế bào

+ Kênh điều khiển dành riêng (Dedicated Control Channel – DCCH): được dùngcho việc truyền dẫn thông tin điều khiển tới hoặc từ thiết bị đầu cuối di động Kênhnày được sử dụng cho việc cấu hình riêng lẻ từng thiết bị đầu cuối di động ví dụnhư những tin nhắn chuyển giao khác nhau.

+Kênh điều khiển multicast (Multicast Control Channel - MCCH): được dùng cho

việc truyền dẫn thông tin điều khiển được yêu cầu cho việc tiếp nhận của MTCHII.6.2 kênh logic lưu lượng

Kênh lưu lượng bao gồm

+Kênh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel - DTCH): được dùng choviệc truyền dữ liệu người dùng đến hoặc từ một thiết bị đầu cuối di động Đây là 1loại kênh logic được dùng để truyền dữ liệu người dùng đường lên và đường xuốngphi-MBMS (non-MBMS)

+Kênh lưu lượng multicast (Multicast Traffic Channel – MTCH): được dùng cho truyền dẫn đường xuống những dịch vụ MBMS

II.7 kênh vật lý

Chức năng của kênh vật lý

II.7.1 đường xuống bao gồm

+ Kênh phát vật lý :Physical Broadcast Channel (PBCH) Đây kênh vật lý mang hệ thống thông tin cho các UE yêu cầu truy cập mạng

+ Kênh chỉ tiêu điều khiển vật lý Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH)

+ Kênh điều khiển vật lý đường xuống Physical Downlink Control Channel

(PDCCH) Kênh này có nhiệm vụ là lập lịch thong tin

+ Kênh chỉ định Hybrid ARQ Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) kênh này được sử dụng để báo cáo tình trạng Hybrid ARQ

+ Kênh chia sẻ đường xuống Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) Kênh này được sử dụng cho các chức năng unicast và phân trang

+ Physical Multicast Channel (PMCH) kênh này mang thông tin cho các mục đích

multicast

+ Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : kênh này cung cấp thôngtin để cho phép các UE để giải mã các PDSCH

II 7.2 Đường xuống của kênh vật lý

+ Kênh điều khiển đường lên Physical Uplink Control Channel (PUCCH) nó có chức năng là gửi và nhận Hybrid ARQ

+ Kênh chia sẻ đường lên Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) Đây kênh vật

lý được tìm thấy trên các đường lên LTE là bản sao đường lên của PDSCH

+ Kênh truy nhập ngẫu nhiên Physical Random Access Channel (PRACH) kênh này được sử dụng cho chức năng truy cập ngẫu nhiên

Chương III : Truy nhập vô tuyến