CÔNG NGHỆ LTE VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

LỜI NÓI ĐẦUTrong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổbiến với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi802.1x, WiMax 802.16...Cùng với đó là tốc độ p

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổbiến với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi(802.1x), WiMax (802.16) Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh củamạng viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu người mỗi ngày Hệthống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đãphát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng

mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các

hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai Sự ra đời của hệ thống di động thế

hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu

để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc

độ cao, băng thông rộng của người sử dụng

Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đangphát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới

đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới córất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai,

đó là LTE Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lực tuyệtvời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần

Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được

kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện

nay Chính vì vậy, em đã lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp về đề tài “CÔNG

NGHỆ LTE VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE” để hiểu biết hơn về công

nghệ mới này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

và các thầy cô giáo đã giúp em hoàn thành đồ án này!

Nghệ An, ngày 6 tháng 1 năm 2012

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE, với những yêucầu của LTE được đặt ra như giảm giá thành so với các công nghệ trước đó,tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận cao và cải thiện khai thác bảodưỡng cũng như cung cấp dịch vụ, nâng cao hiệu quả phổ tần, thông lượngngười sử dụng, giảm thời gian trễ Để đạt được các mục đích đó LTE sử dụngnhững tính năng quan trọng như công nghệ truyền dẫn OFDM cho đường lên,SC-OFDM cho đường xuống, công nghệ đa ăng ten MIMO cho hệ thống thuphát, truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao dùng băng thông rộng Kết hợp với cáccông nghệ khác như: thích ứng đường truyền và lập biểu, các kỹ thuật chuyểngiao, điều khiển công suất và HARQ Các công nghệ mới này đã được ápdụng cho truy cập vô tuyến cho phép tăng hiệu năng truyền dẫn vô tuyến củaLTE Trong đồ án này cũng trình bày chi tiết quá trình quy hoạch mạng LTEcũng như sử dụng phần mềm Visual Basic cho việc mô phỏng tính toán quyhoạch mạng LTE

This thesis go to study an overview of LTE technology, with therequirements of LTE is defined as cost reduction compared to previoustechnologies, enhanced support for high-profit services and improveimplementation maintenance and operation services, improve spectrumefficiency, user throughput, reduced latency To achieve that end LTE usingthe important features such as OFDM technology transmission for uplink, SC-OFDM for downlink, MIMO technology for multi-antenna transceiversystem, radio transmission rate high-bandwidth users Combined with othertechnologies such as adaptive transmission and scheduling, deliverytechniques, power control and HARQ The new technology has been applied

to wireless access for high performance wireless LTE transmission In thisthesis also present details the process of planning LTE networks as well asusing Visual Basic software for the simulation LTE network planning

MỤC LỤC CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ

TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 1

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 2

1.1.1.1 Đặc điểm 2

1.1.1.2 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 3

1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 3

1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 4

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 5

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) 7

1.2 Tổng quan về mạng 4G 8

1.3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 11

1.3.1 Ưu điểm nổi bật 11

1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G 11

1.4 Kết luận chương 13

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 14

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 14

2.2 Cấu trúc của LTE 23

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 28

2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) 30

2.5 Một số đặc tính của kênh truyền 33

2.5.1 Trải trễ đa đường 33

2.5.2 Các loại fading 33

2.5.2.1 Rayleigh fading 33

2.5.2.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng 33

2.5.3 Dịch tần Doppler 34

2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE 34

2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE 35

2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] 35

2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] 45

2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1] 47

2.6.4 Mã hóa Turbo [10] 50

2.6.5 Thích ứng đường truyền [10] 50

2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [10] 51

2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [10] 51

2.7 Chuyển giao 52

2.7.1 Mục đích chuyển giao 52

2.7.2 Trình tự chuyển giao 53

2.7.3 Các loại chuyển giao 56

2.7.3.1 Chuyển giao mềm và mềm hơn 56

2.7.3.2 Chuyển giao cứng 57

2.7.4 Chuyển giao đối với LTE [3] 58

2.8 Điều khiển công suất 60

2.9 Kết luận chương 61

CHƯƠNG 3 QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE 63

3.1 Giới thiệu chương 63

3.2 Giới thiệu về định cỡ mạng vô tuyến 63

3.3 Tiến trình định cỡ mạng LTE 67

3.3.1 Đầu vào định cỡ mạng LTE 68

3.3.2 Đầu ra định cỡ mạng LTE 69

3.3.3 Tiến trình định cỡ mạng LTE 70

3.4 Quy hoạch vùng phủ 73

3.4.1 Quỹ đường truyền 73

3.4.1.1 Tính toán quỹ đường lên cho LTE 73

3.4.1.2 Tính toán quỹ đường xuống cho LTE 75

3.4.1.3 Ví dụ về quỹ đường truyền 76

3.4.2 Các mô hình truyền sóng 80

3.4.2.1 Mô hình Hata-Okumura 81

3.4.2.2 Mô hình Walfish-Ikegami 82

3.4.3 Tính bán kính cell 84

3.5 Quy hoạch dung lượng [5] 85

3.6 Mô phỏng 90

3.6.1 Giao diện chính 90

3.6.2 Form tính quỹ đường truyền 91

3.6.3 Quy hoạch vùng phủ 92

3.6.4 Quy hoạch dung lượng 93

3.7 Kết luận chương 94

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội

Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tănglên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụngcủa nó Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạnphát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triểntrên thế giới - thế hệ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặctính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng

về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin

di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thửnghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớnđến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin

di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kếthợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó vềdung lượng

3G

E3G

Triển khai LTE

IMT-Ad 4G

WCDMA cdma2000

LTE HSPA

IMT-Ad 4G

WCDMA cdma2000

LTE HSPA

tự các kênh trong lĩnh vực tần số Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiềuvượt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại khôngđược truy cập

1.1.1.1 Đặc điểm

 Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

 Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

 Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MStrong cell

 Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiếnAMPS.

1.1.1.2 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng

về cả dung lượng và tốc độ Nó bao gồm các hạn chế sau:

 Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

 Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trongmôi trường fading đa đường

 Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở

hạ tầng

 Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

 Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu,làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở cácnước khác

 Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

 Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sửdụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truycập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vìvậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chiatheo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có têngọi là GSM Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin

di động thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di độngdựa trên công nghệ số Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoàidịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một sốdịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác Ở Việt Nam, hệ thốngthông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được

Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động

số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế

số Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

 Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

 Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau

-1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động đượcchia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho

N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu

kỳ một khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầugói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và các bit dữ liệu Không như hệ thốngFDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho

dữ liệu số và điều chế số

 Các đặc điểm của TDMA:

- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân địnhtrước và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, việcphân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian Ngược lạitrong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi cócuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch

- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giaothoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể

- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thôngqua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việctruyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăngnên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sựđồng bộ phải tối ưu

1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc mộtbăng tần Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuynhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi

mã Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người

sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi,

mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau

Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và nhữngkênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với tín hiệubăng thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán Tín hiệu phân tán là một chuỗi

mã giả ngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu Tất cảcác users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thểđược phát đồng thời Mỗi user có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và

nó được xem là trực giao với các từ mã khác Tại máy thu, sẽ có một từ mãđặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tươngquan với nó Tất cả các mã khác được xem như là nhiễu Để khôi phục lại tínhiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát Mỗi thuê baovận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác

 Đặc điểm của CDMA:

đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt

- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thểgấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao

hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năngthu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt Do hệ số tái sử dụng tần số là 1nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh

- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA vàFDMA Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thểtăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm

- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụthông tin di động tế bào Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc

độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua mộtgiai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợpnhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thểchồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồmcác mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x Ởthế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành mộttiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Đểphân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thốngthông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đãđược đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITUchấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ

2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phépthực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thôngtin di động thế hệ 3

 W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp

của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMAnhư: GSM, IS-136

 CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sửdụng công nghệ CDMA: IS-95

Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3:

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưavào phục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năngmới nhưng

cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2

 Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

- 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng

- 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương

 Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba(3G):

- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

 Đường lên: 1885-2025 MHz

 Đường xuống: 2110-2200 MHz

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vôtuyến:

 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoàiđường, trên xe, vệ tinh

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

 Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên

cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

 Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệuchuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trunggian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ caoHSDPA Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phéptruyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến1.5 Gbps Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị khôngdây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G cóthể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứngyên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chấtlượng cao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thôngphổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạngkhông dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trựcgiao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trênnhững tần số khác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tínhiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số) Thiết bị4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software -Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng

đa kênh đồng thời Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạchgói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu

1.2 Tổng quan về mạng 4G

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMTAdvanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps chothuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linhđộng lên đến 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụnhư điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòngHDTV đa phương tiện…

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên củaLTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ

lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối vớibăng thông 20MHz

Và sẽ hơn nữa nếu sử dụng ăng ten MIMO, các anten mảng được sửdụng LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày14/12/2009 Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (HighSpeed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTSTerrestrial Radio Access) Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bịviễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia,Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu

đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T,France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE .)thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạtnhững thành công đáng kể

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó

là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năngtương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên

Di động WiMAX (IEEE 802.16e-2005) là chuẩn truy cập di độngkhông dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đườngxuống là 128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn

20 MHz

UMB (Ultra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thôngcủa Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng nhưAlcatel-Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nềntảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến

20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử

dụng là 20 MHz Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc

dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE

Mục tiêu và cách tiếp cận:

4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại,không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chatvideo, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại,

dữ liệu và các dịch vụ khác Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vôtuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số Các mục tiêu mà 4G hướng đến:

 Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz

 Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao

và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm

 Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thếgiới

 Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thểnhỏ hơn băng thông 67 MHz)

 Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống

và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà

 Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp

 Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng

 Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gianthực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…

 Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại

 Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa

Các điểm cần xét đến:

Vùng bao phủ, môi trường vô tuyến, phổ, dịch vụ, mô hình thương mại

và số người sử dụng

Các kỹ thuật được sử dụng:

- Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc FDMA ở đường xuống: tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho ngườidùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh

SC Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu

 Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian

 Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi

1.3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và cáccuộc gọi có hình ảnh 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ côngnghệ 3G Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc

độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tảixuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định.3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL: 1885 - 2025 MHz; DL:

2110 - 2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps - 2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz Đốivới 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần: 700 MHz - 2,6 GHz với mục tiêu tốc

độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối

ưu Tốc độ DL: 100Mbps (ở BW 20MHz), UL: 50Mbps với 2 aten thu mộtanten phát Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE

so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20

MHz Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so vớiWCDMA

1.3.1 Ưu điểm nổi bật

 Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G

 Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ

 Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh

 Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA

 Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTEđối với WCDMA

1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G

- OFDM ở DL

 Chống nhiễu đa đường

 Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động

- Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn

- Trễ HO và thời gian ngắt ngắn: TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản

 Giá thành rẻ:

- Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng

 Chất lượng dịch vụ cao:

- Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ: LTE sử dụngcác dải tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900MHz, 800 MHz

- Luôn luôn thử nghiệm (giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến)

- Giảm độ trễ khứ hồi (round trip delay)

 Tần số tái sử dụng linh hoạt:

Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1

- Sử dụng hai dải tần số:

 Dải 1: hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn

 Dải 2: phổ còn lại

- Các user ở cạnh cell: sử dụng dải 1 => SIR tốt

- Các user ở trung tâm cell: sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao

 Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu:can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell Nhưng đối với LTE thì: dotính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến vàgiảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể

triệt can nhiễu

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN

QUAN 2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thốngmạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là mộttrong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễnthông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMTAdvanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di độngtốc độ thấp 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra,đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cảchuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng

có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE vàcác mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA Kiến trúc mạng mới

được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụchất lượng, độ trễ tối thiểu Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào

mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA Thêm vào đó, FDD và TDD,bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp Không giống nhưFDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm Điềunày làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE Truy cập tuyến lên dựavào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single CarrierFrequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủtuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (PAPR) sovới OFDMA Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sửdụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6

 Động cơ thúc đẩy:

- Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và đáp ứng

nhu cầu của người sử dụng

- Người dùng đòi hỏi tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn

- Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói

- Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi của người dùng về giảm giá thành

- Giảm độ phức tạp

- Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc

không phải một cặp dải thông

 Các giai đoạn phát triển của LTE:

- Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN

và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP

- Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình củamột người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel 6: Tải xuống:gấp 3 đến 4 lần (100Mbps) Tải lên: gấp 2 đến 3 lần (50Mbps)

- Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3–“EUTRA”- phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ

thuật được chấp nhận Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụngtrong thương mại.

- Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMAđược sử dụng cho đường lên

 Mục tiêu của LTE:

- Tốc độ dữ liệu cao

- Độ trễ thấp

- Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu

 Các đặc tính cơ bản của LTE:

 Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

 VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông quamạng UMTS

- Liên kết mạng:

 Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có vàcác hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.

 Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN vàUTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gianthực và 500ms cho các dịch vụ còn lại

- Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này cónghĩa là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP Trong thực tế,hiệu suất thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ

và không có sự lựa chọn cho phổ tần của chính nó Điều này giúp đáng kể chocác nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật Triển khai tại cáctần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trongkhi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi Mạng LTE

có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP Nó baogồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz), cũngnhư tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-2.1 GHz)…Băng tần chỉđịnh dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trongkhi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cựccao Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuấtphát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ

 Các thông số lớp vật lý của LTE:

Chiều dài CP Ngắn 4.7µs

Ghép kênh không gian

1 lớp cho UL/UELên đến 4 lớp cho DL/UE

Sử dụng MU-MIMO cho UL và DLBảng 2.2 T c đ đ nh c a LTE theo l p ố ộ ỉ ủ ớ

về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện.Tất cả các dịch vụ sẽ cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch

vụ, đặc biệt là với mong đợi của người dùng về đường truyền TV độ rõ nétcao Đối với khách hàng là doanh nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độcao, chất lượng video hội nghị tốt…LTE sẽ mang đặc tính của “Web 2.0”ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên Dọc theo sự bảo đảm vềthương mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đangười chơi và chia sẻ tập tin

Bảng 2.3 So sánh các d ch v c a 3G so v i 4G LTE ị ụ ủ ớ

Thoai (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất

lượng cao

Tin nhắn P2F(P2F

messaging)

SMS, MMS, các email ưutiên thấp

Các tin nhắn photo, IM,email di động, tin nhắnvideo

Lướt

web(browsing)

Truy cập đến các dịch vụonline trực tuyến, Trìnhduyệt WAP thông quaGPRS và mạng 3G

Duyệt siêu nhanh, tải cácnội dung lên các mạng xãhội

Thông tin cước

phí(paid

information)

Người dùng trả qua hoặctrên mạng tính cướcchuẩn Chính yếu là dựatrên thông tin văn bản

Âm thanh thực (thu âmgốc từ người nghệ sĩ), cáctrang web cá nhân

Video/TV theo yêu

cầu (video/TV on

demand)

Chạy và có thể tải video Các dịch vụ quảng bá tivi,

Tivi theo đúng yêu cầudòng video chất lượngcao

Nhạc Tải đầy đủ các track và

các dịch vụ âm thanh

Lưu trữ và tải nhạc chấtlượng cao

Nội dung tin nhắn

Tin nhắn đồng cấp sửdụng ba thành phần cũngnhư tương tác với cácmedia khác

Phân phối tỷ lệ rộng củacác video clip, dịch vụkaraoke, video cơ bảnquảng cáo di động

Mạng dữ liệu di

động(mobile data

netwoking)

Truy cập đến các mạng nội bộ và cơ sở dữ liệu cũng như cách sử dụng của các ứng dụng như CRM

Chuyển đổi file P2P, cácứng dụng kinh doanh, ứngdụng chia sẻ, thông tinM2M, di độngintranet/extranet

So sánh LTE với HSPA và WiMAX

Dải tần

hoạt động

700MHz, 850 MHz,1.5GHz,

2.5GHz, 2.6GHz, 3.5GHz, 3.65 GHz,

700MHz, 850 MHz, 1.5 GHz, 1.8 GHz,

1.8 GHz, 1.7/2.1 GHz

Tốc độ dữ liệu lên 75Mbps/25 Mbps đốivới kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kínhcell lên đến 2-7Km, 100-200 người dùng

Tốc độ dữ liệu lên 100Mbps/50 Mbps đối với kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kính cell lên đến 5Km, lớn hơn 400 người dùng

Khả năng

tương

thích lùi

Tương thích lùi với Release 99

Không tương thích lùi với 3GPP hoặc 3GPP2

Kế thừa chuẩn 3GPP, nhưng khác kỹ thuật nên đòi hỏi thiết bị mới ở RAN nếu dải tần khác nhau được sửdụng

Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng cónhiều điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả haiđều dùng kỹ thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đườngxuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuậtOFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video

Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2công nghệ WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division MultipleAccess – một biến thể của OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA(Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụnăng lượng thấp hơn OFDMA

LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cảphương thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division

Duplex) Ngược lại, WiMax hiện chỉ tương thích với TDDs TDD truyền dữliệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùng phương thức phân chia thờigian), còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 2 kênh tần sốriêng biệt Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn WiMax Tuynhiên, sự khác biệt công nghệ không có ý nghĩa quyết định trong cuộc chiếngiữa WiMax và LTE.

Trên thế giới, 4G dù chưa phải phổ biến song cũng đã có quốc gia vàcác hãng viễn thông triển khai Chẳng hạn như Ericsson Tháng 1/2009,Ericsson và nhà mạng tại Thụy Điển đã triển khai thương mại TeliaSoneramạng LTE/4G đầu tiên tại Thụy Điển Tới tháng 1/2010 đã triển khai diệnrộng mạng TeliaSonera trên toàn quốc ở Na Uy và Thụy Điển Ngoài ra,Ericsson đã ký hợp đồng triển khai LTE trong thời gian tới với các nhà mạngAT&T (Mỹ), MetroPCS, Verizon Wireless (Mỹ), NTT Docomo (Nhật).Ericsson cũng đã tiến hành các thử nghiệm LTE/4G với các mạng Telstra,SingTel, T-Mobile Hungary, Zain Saudia Arabia

Với Việt Nam, ở thời điểm này, cơ quan quản lý nhà nước chưa đưa raquyết định sẽ đi lên 4G bằng Wimax hay LTE mà quan điểm sẽ tổ chức mộthội thảo giữa Bộ với các doanh nghiệp để tìm ra sự lựa chọn hợp lý nhất.Theo phân tích của các chuyên gia, hiện tại Wimax có lợi thế đi trước LTE.Không chỉ trên thế giới mà ngay cả ở Việt Nam, mạng Wimax đã được triểnkhai cung cấp thử nghiệm từ năm 2004 tới giờ Còn LTE, lại được cho rằngphải tới khoảng năm 2012-2013 mới trở nên phổ biến Xong, so với Wimax,LTE lại có một thế mạnh được cho là rất quan trọng LTE nếu được triển khaicho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn dù vẫn phải đầu tư thêm thiết bị.Còn Wimax, nếu muốn triển khai thì phải xây dựng từ đầu một mạng mới.Với Việt Nam, trong bối cảnh hiện nay, theo nhiều chuyên gia, vẫn chưa đếnthời điểm chín muồi để phát triển 4G cho dù đó là Wimax hay LTE Ở thờiđiểm này, Việt Nam vẫn chưa có kế hoạch triển khai 4G Nếu có, phải ít nhất

là năm 2014 Và với mốc thời gian này, biết đâu, LTE lại thắng thế hơn

Wimax? Nhưng dù có lựa chọn công nghệ gì đi chăng nữa, điều quan trọngnhất mà người dùng Việt đặt kỳ vọng ở các nhà khai thác mạng, cung cấpdịch vụ đó là làm sao đáp ứng được ba tiêu chuẩn Một chuyên gia củaEricsson chia sẻ Thứ nhất, đó là tính thân thiện và đơn giản của dịch vụ côngnghệ cung cấp Đa số người dùng trước đây chưa biết nhiều về Internet do đótính thân thiện giúp họ sử dụng lần đầu tiên mà không bị nhầm lẫn là điều rấtquan trọng Thứ hai đó chính là những nội dung tiếng Việt mà họ có thểhưởng thụ từ dịch vụ.Và thứ ba, là giá cả hợp lý Đặc biệt là dịch vụ trả trước.

Có thể nói, đa số người sử dụng không hiểu về sự liên quan giữa Megabyte vàgiá cả nên chính sách giá phải dễ hiểu

2.2 Cấu trúc của LTE

 Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 2.1 So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTEHình trên cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE.Song song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lêncấu trúc tầng SAE Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng,cải thiện hiệu quả chi phí và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP.

Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truynhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểmchính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗtrợ qua những kênh gói được chia sẻ Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ,làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn Một kết quả quan trọng củaviệc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữanhững dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây

Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào Dựa vào chúng,mạng có thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi.Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập.Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phầncủa mạng lõi Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là EPC

Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node Vì vậy, người pháttriển đã chọn một cấu trúc đơn node Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeBtrong mạng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi làeNodeB (Enhance Node B) Những eNodeB có tất cả những chức năng cầnthiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đếnquản lý tài nguyên vô tuyến

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 vàX2 Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi S1chia làm hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE – GW và S1 -MME là giao diện giữa eNodeB và MME X2 là giao diện giữa các eNodeBvới nhau

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của LTEMạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệthống 3G, và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói Vì vậy, nó có một cái tênmới: Evolved Packet Core (EPC).

Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm.EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặtphẳng điều khiển Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộngvới Gateway chung kết nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác.EPC gồm có một vài thực thể chức năng

- MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý nhữngchức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao vàquản lý phiên

- Gateway dịch vụ (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp

dữ liệu gói với E-UTRAN Nó còn hoạt động như một node địnhtuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác

- P-Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho nhữngphiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài Nó cũng là Router đếnmạng Internet.

- PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo rabảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IPMultimedia Subsystem) cho mỗi người dùng

- HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê baocho tất cả dữ liệu của người dùng Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâmtrong trung tâm của nhà khai thác

Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub-system) dựa trêncác nhà khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác.IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phânphối các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nốithông qua mạng truy nhập nào IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập nhưGSM, UMTS, CDMA2000, truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL,cáp quang, cáp truyền hình, cũng như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN,WiMAX IMS tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau có thể tươngthích với nhau IMS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhàcung cấp dịch vụ Nó đã và đang được tập trung nghiên cứu cũng như thu hútđược sự quan tâm lớn của giới công nghiệp Tuy nhiên IMS cũng gặp phảinhững khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín để thuyết phục cácnhà cung cấp mạng đầu từ triển khai nó Kiến trúc IMS được cho là khá phứctạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác nhau

IMS dựa trên các nhà khai thác: Là IMS đã được tích hợp sẵn trong cấutrúc của hệ thống 3GPP

- IMS không dựa trên các nhà khai thác: Là IMS không được địnhnghĩa trong các chuẩn Các nhà khai thác có thể tích hợp dịch vụnày trong mạng của họ Các UE kết nối đến nó qua vài giao thứcđược chấp thuận và dịch vụ video streaming là 1 ví dụ

- Các dịch khác không được cung cấp bởi 3GPP và cấu trúc phụthuộc vào yêu cầu của dịch vụ Cấu hình điển hình sẽ được UE kếtnối đến máy chủ qua mạng chẳng hạn như kết nối đến trang chủ chodịch vụ lướt web.

 Cấu trúc của LTE liên kết với các mạng khác:

Hình 2.3 Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP

Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP và không phải 3GPP

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và liên mạng với CDMA

2000

Hệ thống 3GPP hiện tại (GSM và WCDMA/HSPA) và 3GPP2(CDMA2000 1xRTT, EV-DO) được kết hợp vào hệ thống mới thông quanhững giao diện chuẩn hóa, miễn là tối ưu tính di động với LTE Với hệ thống3GPP, điều này có nghĩa là một giao diện báo hiệu giữa SGSN (ServingGPRS Support Node) và mạng lõi mới, với hệ thống 3GPP2 cũng có một giaodiện báo hiệu giữa CDMA RAN và mạng lõi mới

Ví dụ tín hiệu điều khiển cho di động được xử lý bởi node MobilityManagement Entity (MME), tách rời với Gateway Điều này thuận tiện choviệc tối ưu trong triển khai mạng và hoàn toàn cho phép chia tỉ lệ dung lượngmột cách linh động Home Subscriber Server (HSS) nối đến Packet Core quamột giao diện IP, và không phải SS7 như đã sử dụng trong mạng GSM vàWCDMA Mạng báo hiệu cho điều khiển chính sách và tính cước được dựatrên giao diện IP Hệ thống GSM và WCDMA/HSPA hiện tại được tích hợpvào hệ thống mới qua những giao diện được chuẩn hóa giữa SGSN và mạnglõi mới Người ta cố gắng kết hợp truy nhập CDMA cũng sẽ đưa đến tính di

động liên tục giữa LTE và CDMA, cho phép sự mềm dẻo trong việc chuyểnlên LTE.

LTE-SAE tiếp nhận khái niệm QoS theo từng lớp Điều này cung cấpmột giải pháp đơn giản và đến bây giờ vẫn hiệu quả cho những nhà khai thác

có được sự phân biệt giữa những dịch vụ gói

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN

 Kênh vật lý: các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm:

- PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): phụ tải có ích (payload)

- PUSCH (Physical Uplink Shared Channel): PUSCH được dùng để

mang dữ liệu người dùng Các tài nguyên cho PUSCH được chỉ địnhtrên một subframe cơ bản bởi việc lập biểu đường lên Các sóng mangđược chỉ định là 12 khối tài nguyên (RB) và có thể nhảy từ subframenày đến subframe khác PUSCH có thể dùng các kiểu điều chế QPSK,16QAM, 64QAM

- PUCCH (Physical Uplink Control Channel): có chức năng lập biểu,

ACK/NAK

- PDCCH (Physical Downlink Control Channel): lập biểu, ACK/NAK.

- PBCH (Physical Broadcast Channel): mang các thông tin đặc trưng củacell

 Kênh logic: Được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:

- Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): Được sử dụng để truyền thông tin

điều khiển hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell Trướckhi truy nhập hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trênBCCH để biết được hệ thống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạnbăng thông hệ thống

- Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH): được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối

di động vì mạng không thể biết được vị trí của chúng ở cấp độ ô và vìthế cần phát các bản tin tìm gọi trong nhiều ô (vùng định vị)

- Kênh điều khiển riêng (DCCH): được sử dụng để truyền thông tin điều

khiển tới/từ một đầu cuối di động Kênh này được sử dụng cho cấuhình riêng của các đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giaokhác nhau

- Kênh điều khiển đa phương (MCCH): được sử dụng để truyền thông tin

cần thiết để thu kênh MTCH

- Kênh lưu lượng riêng (DTCH): được sử dụng để truyền số liệu của

người sử dụng đến/từ một đầu cuối di động Đây là kiểu logic được sửdụng để truyền tất cả số liệu đường lên của người dùng và số liệuđường xuống của người dùng không phải MBMS

- Kênh lưu lượng đa phương (MTCH): Được sử dụng để phát các dịch vụ

MBMS

 Kênh truyền tải: Bao gồm các kênh sau:

- Kênh quảng bá (BCH): có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung

cấp

- Nó được sử dụng để phát thông tin trên kênh logic.

- Kênh tìm gọi (PCH): được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh

PCCH, PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiếtkiệm công suất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại cácthời điểm quy định trước

- Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH): là kênh truyền tải để phát số liệu

đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thíchứng tốc độ động và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian vàmiền tần số Nó cũng hổ trợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầucuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống như cơ chếCPC trong HSPA DL-DCH TTI là 1ms

- Kênh đa phương (MCH): được sử dụng để hỗ trợ MBMS Nó được đặc

trưng bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh Trong

trường hợp phát đa ô sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôndạng truyền tải được điều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN

2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols)

Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng nhưchức năng của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề Vì vậy, các giao thức liênquan của lớp vô tuyến được chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNCbây giờ chuyển thành giữa UE và eNodeB

Hình 2.6 Giao thức của UTRAN

Hình 2.7 Giao thức của E-UTRANGiao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêmL1 và MAC mới.

Hình 2.8 Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP

Chức năng của MAC (Medium Access Control) bao gồm:

- Lập biểu

- Điều khiển ưu tiên (Priority handling)

- Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC, cũngnhư trong WCDMA có chức năng sau:

 Truyền lại trong trường hợp giao nhận ở các lớp thấp (MAC và L1)

bị hỏng, tương tự trong trường hợp ở chế độ ACK của RLC ởUTRAN

 Phân đoạn để phù hợp cho các giao thức đơn vị dữ liệu

 Cung cấp các kênh vật lý cho các lớp cao hơn

Chức năng của PDCP bao gồm:

- Mã hóa (ciphering)

- Chèn tiêu đề

Trong suốt năm 2006, PDCP vẫn được giả sử trong mạng lõi, nhưngquyết định hiện tại là đưa PDCP vào eNodeB bao gồm mã hóa Điều này làmcho chức năng vô tuyến của LTE tương tự như của HPSA cải tiến

Trong giao diện điều khiển, chức năng của giao thức RRC thì cũnggiống như bên UTRAN Giao thức RRC cấu hình các thông số kết nối, điềukhiển báo cáo đo lường thiết bị đầu cuối, các lệnh chuyển giao…Mã ASN1được sử dụng cho RRC của LTE, nó dãn cách sự khác biệt giữa các phiên bản

ở đường tương thích lùi Giao thức RRC sẽ bao gồm ít trạng thái hơnEUTRAN Chỉ có trạng thái “tích cực” hay “rỗi” được dự đoán bởi vì đặc tínhlinh động của sự phân bố nguồn tài nguyên Các trạng thái của RRC trongLTE là:

- RRC - rỗi: thiết bị sẽ quan sát bản tin paging và sử dụng cell cho diđộng Không có RRC nào lưu trữ trong bất kỳ eNodeB cá nhân nào

UE chỉ có duy nhất một ID nhận dạng nó ở trong vùng di chuyển

- RRC - kết nối: biết vị trí của UE ở cell nào và dữ liệu được phát vànhận

Kết nối RRC tồn tại đến một eNodeB Điều khiển chuyển giao bởi mạng được

sử dụng cho di động

2.5 Một số đặc tính của kênh truyền

Ta tìm hiểu một số đặc tính của kênh truyền ảnh hưởng đến việc truyềntín hiệu, các đặc tính này bao gồm trải trễ, fading, dịch tần Doppler, ảnhhưởng của dịch tần Doppler đối với tín hiệu OFDM, nhiễu MAI, và cáchkhắc phục nhiễu MAI

2.5.1 Trải trễ đa đường

Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phầnphản xạ Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền quamột khoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theothời gian Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênhlệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuốicùng Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếunhư hệ thống không có cách khắc phục Đối với LTE, sử dụng kỹ thuậtOFDM đã tránh được nhiễu xuyên ký tự ISI

2.5.2 Các loại fading

Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu

do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản

xạ của đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua

2.5.2.1 Rayleigh fading

Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường(Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu bị suy giảm so với mức tínhiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh

 Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thôngcủa tín hiệu Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong mộtdải tần số.

 Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơnbăng thông của tín hiệu Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang vớimức thay đổi phụ thuộc tần số

2.5.3 Dịch tần Doppler

Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler Dịchtần Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồnphát do sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu Cụ thể là:khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được

sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xanhau thì tần số thu được sẽ giảm đi Khoảng tần số dịch chuyển trong hiệntượng Doppler tính theo công thức sau :

(2.1)Trong đó là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát,

v là vận tốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng.Đối với LTE, để khắc phục hiện tượng dịch tần Doppler, người ta chọnkhoảng cách giữa các sóng mang đủ lớn (∆f = 15 Khz)

2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE

Đối với LTE, ở đường lên sử dụng kỹ thuật SC-FDMA, nó cũng nhạycảm với dịch tần Các user khác nhau luôn có dịch tần số sóng mang CFO(Carrier Frequency Offset) Khi tồn tại nhiều CFO, tính trực giao giữa cácsóng mang bị mất Nhiễu liên sóng mang (ICI: Inter Carrier Interference) vàMAI (Multi Access Interference) tạo ra đã làm giảm chất lượng của tín hiệuthu được Một phương pháp triệt ICI cũng như MAI, là dựa trên các ký hiệuhoa tiêu khối (block type pilots)