Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP. Vinh

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT1G One Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất2G Second Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai3G Third Generation

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGHỆ AN - 2013

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU III TÓM TẮT ĐỒ ÁN IV DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VI DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIII

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ 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

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

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) 6

1.2 Tổng quan về mạng 4G 7

1.3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 9

1.4 Kết luận chương 1 10

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 11

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 11

2.1.1 Mục tiêu của LTE 12

2.1.2 Các đặc tính cơ bản của LTE 12

2.1.3 Các thông số lớp vật lý của LTE 13

2.2 Cấu trúc của LTE 15

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 20

2.4 Một số đặc tính của kênh truyền 21

2.4.1 Trải trễ đa đường 22

2.4.2 Các loại fading 22

2.4.3 Dịch tần Doppler 23

2.4.4 Nhiễu MAI đối với LTE 23

2.5 Các kỹ thuật cho truy nhập vô tuyến trong LTE 23

2.5.1 Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM và OFDMA 24

2.5.2 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA 32

2.5.3 Kỹ thuật đa anten MIMO 34

2.5.4 Mã hóa Turbo 36

2.5.5 Thích ứng đường truyền 37

2.5.6 Lập biểu phụ thuộc kênh 38

2.5.7 HARQ với kết hợp mềm 38

2.6 Chuyển giao 39

2.6.1 Mục đích chuyển giao 39

2.6.2 Trình tự chuyển giao 39

2.6.3 Các loại chuyển giao 42

2.6.4 Chuyển giao đối với LTE 45

2.7 Điều khiển công suất 46

2.7.1 Điều khiển công suất vòng hở 47

2.7.2 Điều khiển công suất vòng kín 48

2.8 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3 QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.VINH 51

3.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 51

3.2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ 52

3.2.1 Dự báo lưu lượng 52

3.2.2 Phân tích vùng phủ 53

3.3 Quy hoạch chi tiết 53

3.3.1 Quy hoạch vùng phủ 53

3.3.2 Quy hoạch dung lượng 68

3.4 Quy hoạch cho TP VINH 72

3.5 Tối ưu mạng 74

3.6 Điều khiển công suất kênh PUSCH của LTE 75

3.7 Kết luận chương 3 76

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MẠNG 4G LTE ÁP DỤNG CHO TP.VINH 78

4.1 Lưu đồ mô phỏng quy hoạch LTE 78

4.2 Quy hoạch mạng LTE 78

4.3 Kết luận chương 4 85

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC 88

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

Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối.Trong tương lai không xa với LTE, có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọinơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình,chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc”

Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng diđộng thế hệ thứ tư (4G) Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di

động hiện nay Trong bài đồ án tốt nghiệp này em xin trình bày đề tài: “Quy hoạch

mạng 4G LTE và áp dụng cho TP Vinh” Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương:

Chương 1 Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.Chương 2 Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan

Chương 3 Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP.VINH

Chương 4 Kết quả mô phỏng mạng 4G LTE áp dụng cho TP.VINH

Trong quá trình thực hiện đồ án, em còn có những hạn chế về khả năng vàcòn nhiều sai sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE và các yêu cầu củacông nghệ LTE như giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuậncao, cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ, nâng cao hiệu quảphổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ Để đạt được các mụcđích đó LTE có các tính năng quan trọng như sử dụng công nghệ truyền dẫn OFDMcho đường lên, SC-FDMA cho đường xuống, sử dụng công nghệ đa ăng ten MIMOcho hệ thông thu phát, truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao dùng băng thông rộng với cáccông nghệ khác như: thích ứng đường truyền và lập biểu, các kỹ thuật chuyển giao,điều khiển công suất và HARQ Các công nghệ mới này đã được áp dụng cho truycập vô tuyến cho phép tăng hiệu năng truyền dẫn vô tuyến của LTE Trong đồ ánnày cũng đã trình bày chi tiết quá trình quy hoạch mạng LTE cũng như sử dungphần mềm Visual Studio 2010 cho việc mô phỏng tính toán quy hoạch mạng LTE

ABSTRACT

This thesis was studied an overview of LTE technology and the requirements

of LTE as cost reducting compared to previous technologies, enhancing support forhigh-profit services and improving underwriting as well as providing support services,improving spectrum efficiency and user throughput, reducing latency To achievethese purposes, LTE have key features such as transmission technology using OFDMfor uplink and SC-FDMA for the downlink, transceiver system using multipleantenna technology (MIMO), radio transmission using high-speed broadband withother technologies such as adaptive transmission and scheduling, deliverytechniques, power control and HARQ These new technology have been applied towireless access part of LTE in order to enhance the wireless transmission performance

In this thesis was also introduced the process of LTE network planning as well asVisual Studio 2010 software for the simulation LTE network planning

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số lớp vật lý LTE 13

Bảng 2.2 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 14

Bảng 2.3 Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 32

Bảng 3.1 Ví dụ về quỹ đường lên của LTE 57

Bảng 3.2 Ví dụ của quỹ đường xuống LTE 58

Bảng 3.3 So sánh quỹ đường truyền lên của các hệ thống 60

Bảng 3.4 So sánh về quỹ đường truyền xuống của các hệ thống 61

Bảng 3.5 Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng 69

Bảng 3.6 Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông 70

Bảng 3.7 Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền .72 Bảng 3.8 Diện tích và dân số từng phường của TP.VINH 74

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào 01

Hình 2.1 So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE 15

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của LTE 16

Hình 2.3 Kiến trúc EPC cơ bản 18

Hình 2.4 Cấu hình cho EPC hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA 18

Hình 2.5 Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE 19

Hình 2.6 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA 25

Hình 2.7 Các sóng mang trực giao với nhau 26

Hình 2.8 Sơ đồ điều chế tín hiệu băng gốc OFDM 29

Hình 2.9 Sơ đồ biến đổi thu phát tín hiệu OFDM 28

Hình 2.10 Biến đổi FFT 29

Hình 2.11 Khoảng bảo vệ tìn hiệu OFDM 30

Hình 2.12 OFDM và OFDMA 31

Hình 2.13 Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên 34

Hình 2.14 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 35

Hình 2.15 Ghép kênh không gian 36

Hình 2.16 Điều chế thích nghi 37

Hình 2.17 Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao 41

Hình 2.18 Chuyển giao mềm 43

Hình 2.19 Chuyển giao mềm - mềm hơn 44

Hình 2.20 Chuyển giao cứng 44

Hình 2.21 Các loại chuyển giao 45

Hình 2.22 Điều khiển công suất vòng hở 48

Hình 2.23 Điều khiển công suất vòng kín 48

Hình 3.1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 51

Hình 3.2 Các tham số của mô hình Walfisch-Ikegami 64

Hình 3.3 Quan hệ giữa băng thông kênh truyền và băng thông cấu hình 72

Hình 4.1 Lưu đồ phần mô phỏng quy hoạch LTE 79

Hình 4.2 Giao diện phần quy hoạch mạng LTE 79

Hình 4.3 Quỹ đường truyền của LTE 80

Hình 4.4 Môi trường truyền sóng trong nhà 81

Hình 4.5 Môi trường truyền sóng ngoài trời 82

Hình 4.6 Quy hoạch vùng phủ LTE 83

Hình 4.7 Quy hoạch dung lượng LTE 84

Hình 4.8 Tính toán tốc độ đỉnh 85

Hình 4.9 Tối ưu số trạm 85

Hình 4.10 Giao diện mở đầu của phần mềm (VS) Visual Studio 2010 90

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1G One Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ nhất2G Second Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ hai3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ ba4G Four Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ tư3GPP Third Generation Patnership

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

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

DL-SCH Downlink Share Channel Kênh chia sẻ đường xuống

EDGE Enhance Data rates for GSM

Evolution

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho mạngGSM cải tiến

E- UTRAN Evolved UMTS Terrestrial

Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần sốFDD FrequencyDivision Ghép kênh phân chia theo tần sốFEC Duplexing Forward Error

GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

GERAN GSM/EDGE Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói vô tuyến thông dụng

HSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

HDTV High Definition Television Tivi có độ phân giải cao

HSOPA High Speed OFDM Packet

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Quản lý thuê bao

ITU International

Telecommunication Union Đơn vị viễn thông quốc tế

IMS IP Multimedia Sub-system Hệ thống đa phương tiện sử dụng IPISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược

LTE Long Term Evolution Tiến hóa lâu dài

MIMO Multi Input Multi Output Đa ngõ vào đa ngõ ra

MME Mobility Management Entity Quản lý tính di động

MAC Medium Access Control Điều khiển trung nhập trung bìnhMU-MIMO Multi User – MIMO Đa người dung – Đa ngõ vào đa ngõ ra

MCS Modulation Coding Scheme Kỹ thuật mã hóa và điều chế

OFDM Orthogonal Frequency Division

PDSCH Physical Downlink Shared

PUCCH Physical Uplink Control

PDCCH Physical Downlink Control

PBCH Physical Broadcast Channel Kênh vật lý quảng bá

PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tin nhắn

QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ

RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RB Resource Block Khối tài nguyên

RSRP Reference Signal Receive

RSRQ Reference Signal Receive

SDR Software - Defined Radio Phần mềm nhận dạng vô tuyến

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SC-FDMA Single Carrier Frequency

Division multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao đơn sóng mang

SMS Short Message Service Tin nhắn ngắn

SAE System Architecture Enhance Cấu trúc hệ thống tăng cường

SGSN Serving GPRS Support Node Nút cung cấp dịch vụ GPRS

SU-MIMO Single User Multi Input Multi

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gianTTI TTI Time Transmit Interval Khoảng thời gian phát

TDD Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

UTRAN UTMS Terrestrial Radio

Access Networks Mạng truy nhập vô tuyến mặt đấtUTMS Universal Telecommunication

Mobile System Hệ thống thông tin di động

VHE Virtual Home Environment Môi trường nhà ảo

WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã băngWAP Wireless Applicaion protocol Giao thức ứng dụng không dây

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MẠNG 4G

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Xãhội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên vàthông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó.Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từthế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới -thế hệ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính 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 vềthiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin diđộng sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệmtại ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đếnlĩnh vực thông t i n 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 kết hợp đượccác vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng

(CDMA2000) IS-95A

(OFDMA)

EV-DO CDMA2000

WiFi (OFDM) 802.16-2004(OFDM) 802.16-2005(OFDMA)

802.16M (OFDMA)

ANALOG

TACS

AMPS

GSM (TDMA)

3G LTE (OFDMA) HSPDA

UMTS (WCDMA) EDGE

GPRS

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào

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

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất(1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số(FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại diđộng Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tựcác kênh trong lĩnh vực tần số Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượttrội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truycập.

1.1.1.1 Đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)

Hầu hết các hệ thống ñều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủyếu là âm thanh Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba.Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex,DataTac Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọicao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không cóchế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng

- 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 MS trong cell

- Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS

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 Tuynhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dunglượng 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 tia

- 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, làmcho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác

- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng

kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưuđiểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy 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 chia theothời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi làGSM 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 động dựa trên côngnghệ số Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyềnthống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu vàcác dịch vụ bổ sung khác Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM đượcđưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rấthiệu quả với hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêuchuẩn 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 TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

Access 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 được chiathành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênhliên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ mộtkhung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuốigói, các bit đồng bộ và các bit dữ liệu Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMAtruyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số

 Một số đặc điểm của TDMA

- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước

và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, việc phân phátcác cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian Ngược lại trong phươngpháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu,nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch

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

- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông quaviệc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn đểtránh trùng lặp tín hiệu Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ dotruyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng 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 một băngtần Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuy nhiên, cáctín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã Thôngtin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thểchiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gâynhiễu 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

 Một số đặc điểm của CDMA

- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ

4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sửdụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đườngtốt hơn, chuyển vùng linh hoạt Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cầnphải 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 thể tăngthêm khi tất cả các kênh bị chiếm

- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin

di động tế bào Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tincủa 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 một giaiđoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiềukhe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồnglên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đãđược đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x Ở thế hệ thứ 3này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duynhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Để phân biệt với các

hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di độngthế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng

 Các tiêu chuẩn của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 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 TDMA như:GSM, IS-136

- CDMA2000: Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là

sự tiếp nối đối với cáchệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2.CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPPcủa UMTS CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps Hệ thốngCDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D-AMPScủa thế hệ thứ 2

 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 đưa vàophục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưngcũng 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 vô tuyến:

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

o 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:

o 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

o Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

o 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

NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbpskhi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải vàtruyền lên hình ảnh động chất lượng cao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụngphương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụngmạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác.

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giaoOFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần

số khác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiềutần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số) Thiết bị 4G sử dụng máy thu

vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sửdụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời Tổng đàichuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời giantruyền và nhận dữ liệu

1.2. Tổng quan về mạng 4G [6]

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 cho thuêbao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truycập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTEchưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyếtlên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông20MHz Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó làhướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tươngthích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên

Mục tiêu hướng đến của mạng 4G

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 vô tuyến trongkhu 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 1Gbps 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 thế giới

- Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz

ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băngthông 67 MHz)

- Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và2.25 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

SC-+ Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA

ở đường xuống: tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh conkhác nhau dựa trên điều kiện kênh

+ 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

là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số ngườidùng/cell so với WCDMA

Ưu điểm nổi bật của 4G LTE

- 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 nữa

- 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

- Tần số tái sử dụng linh hoạt

- 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: do tínhtrực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm cannhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự pháttriển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượttổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 Hai thông số quan trọng đặctrưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sửdụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện.Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó Đểtìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo

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

Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung cókhả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai Cơ sở hạ tầng 4G được thiết kế vớiđiều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng hiện tại

mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng Để thực hiện điều đó, cầntách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kếtnối) và các ứng dụng của người sử dụng Chương này sẽ trình bày hệ thống di động4G LTE: các đặc điểm kỹ thuật của LTE, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nóliên kết với các mạng khác ra sao, các kênh sử dụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sửdụng cho đường lên, đường xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liênquan đến giao diện vô tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất

2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng khôngdây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềmnăng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩatruyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho

di động tốc độ cao và di động tốc 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

cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễdàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạngGSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mụctiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu Hệthống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang(Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùngphủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-AveragePower Ratio PAPR) so với OFDMA Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệthống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6

2.1.1 Mục tiêu của LTE

Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân năm

2005 đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE Những mục tiêu

và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913 Những yêu cầu cho LTE được chia thành 07 phần khác nhau như sau:

 Tiềm năng, dung lượng

 Hiệu suất hệ thống

 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

 Quản lý tài nguyên vô tuyến

 Độ phức tạp

 Những vấn đề chung

 Tốc độ dữ liệu cao

 Độ trễ thấp

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

2.1.2 Các đặc tính cơ bản của LTE

- Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốtvới tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần

+ Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.

- VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS

- Liên kết mạng:

+ Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các

hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo

+ Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN

sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực 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 1.4MHz đến 20MHz, điều này có nghĩa

là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP Mạng LTE có thể hoạtđộng trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP Nó bao gồm băng tần lõicủa IMT-2000 (1.9-2GHz) và dải mở rộng (2.5GHz), cũng như tại 850-900MHz,1800MHz, phổ AWS (1.7- 2.1GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5MHz được địnhnghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao Tính linh hoạt về băng tầncủa LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần

Dài 16.7 µs

Ghép kênh không gian

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

2.2 Cấu trúc của LTE [1]

- Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Evolved Packet Core Network

RNC2

RNC1 SGSN

MSC

Packet Switch Core Network

LTE

Node B

Circuit Switch Core Network

Node B

Node B UMTS

X2

S1 interface

Lub interface Lu-ps interface

L u -e s in te rfa ce

UMTS and LTE: architecture

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

Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vôtuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó

là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua nhữngkênh gói được chia sẻ Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dunglượng hệ thống trở nên cao hơn Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhậpgói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những 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 Nhữngchức 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 phần của 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 phát triển đãchọn một cấu trúc đơn node Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truynhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B).Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyếnLTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2.Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi S1 chia làmhai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME là giao diệngiữa eNodeB và MME X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

SAEGW

EPC

E-UTRANeNodeB

User EquipmentUE

Gx

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của LTE

Kiến trúc mạng lõi LTE:

Khi bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn LTE RAN, công tác chuẩn hóa mạng lõi cũngđược bắt đầu Công tác này được gọi là phát triển kiến trúc hệ thống (SAE: SystemArchitecturre Evolution) Mạng lõi được định nghĩa trong công tác SAE là sự pháttriển triệt để từ mạng lõi GSM/GPRS và vì thế có tên gọi mới lõi gói phát triển(EPC: Elvolved Packet Core) Phạm vi SAE chỉ bao gồm chuyển mạch gói không

có miền chuyển mạch kênh

MME

Internet

eNodeB

GWS11

S1-US1-C

S5

Hình 2.3 Kiến trúc EPS cơ bản

SGSN UTRAN

GERAN

MME

Serving Gateway

HSS

PDN Gateway E-UTRAN

UE

PCRF

Operators IP Server

Rx Gx

SGi S1-U

S11 S6a S4 S12 S3

LTE-Uu S1-MME

Hình 2.4 Cấu hình cho EPS hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA

- EPS nối đến LTE RAN qua giao diện S1 và đến Internet qua giao diện SGi

- Ngoài ra EPC nối đến HSS (tương ứng với HLR trong mạng lõi GSM/WCDMA)qua giao diện S6a

- Giữa UE và mạng truy nhập vô tuyến có giao diện Uu

Untrusted Non-3GPP IP Access

Operators IP

Server

Trusted Non-3GPP IP Access

Serving Gateway

vPCRF

3GPP AAA Proxy

ePDG

PDN Gateway

HSS

hPCRF

Operators IP Server IMS, PSS

3GPP AAA Proxy S6a

STa

SWn GXa

S9 SGi

Hình 2.5 Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTEChức năng các node trong mạng lõi LTE:

Mobility Management Entity (MME):

MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năngmặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên

Serving Gateway: là node chấm dứt sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến

EUTRAN Serving Gateway có những chức năng bao gồm:

- Là node hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong quátrình thiết bị di động di chuyển

- Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP (chấm dứt sự truynhập vô tuyến bởi giao diện S4 và tiếp nhận kênh truyền tải từ mạng 2G, 3G vàPDN Gateway)

- Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn rỗi làđệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu dịch vụ

- Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink

- Tính toán chi phí của người dùng

- Cho phép cấp quyền truy nhập.

- Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói

- Hỗ trợ việc tính cước

PDN Gateway: là node chấm dứt giao diện SGi về phía PDN Nếu có 1UE truy

cập vào nhiều PDN, nó có thể cung cấp 1 hay nhiều hơn PDN phục vụ UE PDNbao gồm những chức năng sau:

- Thực thi chính sách

- Mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ khác nhau

- Tính phí hỗ trợ

- Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink

- Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập

- Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP

- Phân loại các gói

- Có chức năng như DHCP trong 3G (Dynamic Host Configuration Protocol:Giao thức cấu hình động máy chủ)

eNodeB: có cùng chức năng như NodeB và ngoài ra nó còn có hầu hết chức

năng RNC của WCDMA/HSPA Với những chức năng như:

- Thực hiện quyết định lập biểu cho cả đường lên và đường xuống

- Quyết định chuyển giao

- Chịu trách nhiệm về tài nguyên vô tuyến trong các ô của mình

- Thực hiện các chức năng lớp vật lý thông thường như mã hóa, giải mã, điềuchế, giải điều chế, đan xen, giải đan xen…

- Thực hiện cơ chế phát lại HARQ

Hỗ trợ cho những mạng không thuộc 3GPP:

Để hỗ trợ chuyển vùng; EPS có 3 dạng giao diện phục vụ cho những mạng khôngthuộc 3GPP là: S2a; S2b và S2c

- S2a cung cấp cho người dùng liên quan tới điều khiển và hỗ trợ di động giữanhững mạng không phải 3GPP và Gateway

- S2b cung cấp cho người dùng liên quan tới điều khiển và hỗ trợ tính năng diđộng giữa ePDG và Gateway

- S2c cung cấp cho người dùng liên quan tới điều khiển và hỗ trợ di động giữa

UE và những mạng thuộc 3GPP và không thuộc 3GPP

ePDG: Chức năng của ePDG bao gồm: điều khiển sự phân bổ địa chỉ IP trong

ePDG được sử dụng như là CoA khi mà S2c được sử dụng

- Chức năng để vận chuyển một địa chỉ IP từ xa như là một địa chỉ IP cụ thể đểPDN một khi S2b được sử dụng

- Định tuyến các gói dữ liệu từ / đến PDN

- Can thiệp hợp pháp

Thực thi các chính sách QoS dựa trên thông tin nhận được thông qua cơ sở hạ tầng AAA

Hỗ trợ truy nhập từ các mạng không thuộc 3GPP: Để hỗ trợ cho việc chuyển

giao, kiến trúc mạng lõi EPC có 3 giao diện hỗ trợ truy nhập:

- S2a: là giao diện giữa mạng không thuộc 3GPP với PDN Gateway

- S2b: là giao diện giữa ePDG và PDN Gateway

- S2c: là giao diện giữa UE và Gateway

2.3. Các kênh sử dụng trong E-UTRAN [8]

- 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 định trên một subframe

cơ bản bởi việc lập biểu đường lên Các sóng mang được chỉ định là 12 khối tàinguyên (RB) và có thể nhảy từ subframe này đến subframe khác PUSCH có thểdùng các kiểu điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

+ PUCCH (Physical Uplink Control Channel): có chức năng lập biểu,ACK/NAK

+ PBCH (Physical Broadcast Channel): mang các thông tin đặc trưng của cell

- Kênh logic: được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm: [8]

+ Kênh điều khiển quảng bá (BCCH): Được sử dụng để truyền thông tinđiều khiển hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell Trước khi truy nhập

hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết được hệthống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng 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 vì thế cần phátcác bản tin tìm gọi trong nhiều ô (vùng định vị)

+ Kênh điều khiển riêng (DCCH): được sử dụng để truyền thông tin điềukhiển tới/từ một đầu cuối di động Kênh này được sử dụng cho cấu hình riêng củacác đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác nhau

+ Kênh điều khiển đa phương (MCCH): được sử dụng để truyền thông tincần 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 sử dụng để truyền tất

cả số liệu đường lên của người dùng và số liệu đường xuống của người dùng khôngphải MBMS

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

- Kênh truyền tải: bao gồm các kênh sau [8]

+ Kênh quảng bá (BCH): có khuôn dạng truyền tải cố định dochuẩn 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 kênhPCCH, PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm côngsuất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trước

+ Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH): là kênh truyền tải để phát số liệuđường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích ứng tốc độđộng và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số Nó cũng hổtrợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giácluôn kết nối giống như cơ chế CPC 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 hợpphát đa ô sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải đượcđiều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN

2.4 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 cách khắcphục nhiễu MAI.

2.4.1 Trải trễ đa đường

Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản

xạ Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua mộtkhoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thờigian Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thờigian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng Trongthông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thốngkhông có cách khắc phục Đối với LTE, sử dụng kỹ thuật OFDM đã tránh đượcnhiễu xuyên ký tự ISI

2.4.2 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 vànước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua

2.4.2.1. Rayleigh fading

Fading 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 tín hiệu phát đi tuân theo phân

- Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băngthông của tín hiệu Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụthuộc tần số.

2.4.3 Dịch tần Doppler

Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler Dịch tầnDoppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sựchuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu Cụ thể là: khi nguồn phát vànguồn 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 xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm

đi Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau: f  f0 c v (2.2)Trong đó f: là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát, v là vậntốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng Đối với LTE, đểkhắc phục hiện tượng dịch tần Doppler, người ta chọn khoảng cách giữa các sóngmang đủ lớn (f = 15 KHz)

2.4.4 Nhiễu MAI đối với LTE

Đối với LTE, ở đường lên sử dụng kỹ thuật SC-FDMA, nó cũng nhạy cảm vớidịch tần Các user khác nhau luôn có dịch tần số sóng mang CFO (Carrier FrequencyOffset) Khi tồn tại nhiều CFO, tính trực giao giữa các sóng mang bị mất Nhiễuliên sóng mang (ICI: Inter Carrier Interference) và MAI (Multi Access Interference)tạo ra đã làm giảm chất lượng của tín hiệu thu được Một phương pháp triệt ICIcũng như MAI, là dựa trên các ký hiệu hoa tiêu khối (block type pilots)

Các user khác nhau giao tiếp với trạm gốc tại các khe thời gian khác nhau.Phương pháp này lấy trực tiếp thành phần nhiễu bằng cách lợi dụng các ký hiệu hoatiêu khối, vì vậy nó không cần sử dụng ước lượng CFO nhiều lần Sau đó, ma trậncan nhiễu có thể được khôi phục lại và ảnh hưởng của các CFO có thể được triệt dễdàng bằng cách sử dụng phương pháp đảo ma trận Phương pháp triệt nhiễu MAI cụthể được đề cập ở

2.5 Các kỹ thuật cho truy nhập vô tuyến trong LTE

LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA chotruy cập đường lên Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứngđường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai ghép.

2.5.1 Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM và OFDMA [1] 2.5.1.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM [1]

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phươngpháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trongvùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier)trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phépchồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sựchồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớnhơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

Tiết kiệm băng thông

Tần số Phổ OFDM

Tần số Phổ FDM

- Các sóng mang con trực giao với nhau và khoảng cách giữa 2 sóng mangcon liền kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mangcon Vì thế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDMA.

- Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nênthời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyềndẫn đa đường giảm xuống

- Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con.Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần sốthành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

- OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc

độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối vớichất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

- Cấu trúc máy thu đơn giản

- Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số

- Tương thích với các bộ thu và các anten tiên tiến

2.5.1.1.1 Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM

Tồn tại 2 tiêu chí cần cân nhắc trong việc chọn sóng mang con:

- Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớncàng tốt) để giảm thiểu tỉ lệ chi phí cho CP: TCP/(TFFT + TCP)

- Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm củatruyền dẫn OFDM với trải Doppler

Khi truyền qua kênh phadinh vô tuyến, do trải Doppler lớn, kênh có thể thayđổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến trực giao hóa giữa các sóngmang bị mất và nhiễu giữa các sóng mang

Trong thực tế, đại lượng nhiễu giữa các sóng mang có thể chấp nhận rất lớntùy thuộc vào dịch vụ cần cung cấp và mức độ tín hiệu thu chịu được tạp âm và cácnhân tố gây giảm cấp khác chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỉ số tín hiệu trên tạp

âm cộng nhiễu có thể khá thấp khi tốc độ số liệu thấp Vì thế một lượng nhỏ nhiễu

bổ xung giữa các sóng mang con do trải Doppler có thể bỏ qua Tuy nhiên trongtrường hợp tỷ lệ số tạp âm cộng nhiễu cao (chẳng hạn trong các ô nhỏ hay tại vị trígần BS), khi cần cung cấp tốc độ số liệu cao, cùng một lượng nhiễu giữa các sóngmang con như trên cũng có thể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều

2.5.1.1.2 Số lượng các sóng mang con

Số lượng các sóng mang con được xác định dựa trên băng thông khả dụng vàphát xạ ngoài băng

Độ rộng băng tần cơ sở của tín hiệu OFDM bằng P∙∆f, nghĩa là số sóng mangcon nhân với khoảng cách giữa các sóng mang con Tuy nhiên phổ của tín hiệuOFDM cơ sở giảm rất chậm bên ngoài độ rộng băng tần OFDM cơ sở Lý do gây raphát xạ ngoài băng lớn là do việc sử dụng tạo dạng xung chữ nhật dẫn đến các búpsóng bên giảm tương đối chậm tuy nhiên trong thực tế lọc hoặc tạo cửa sổ miềnthời gian được sử dụng để loại bỏ phần lớn các phát xạ ngoài băng của OFDM.Trong thực tế cần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đối với tín hiệu OFDMchẳng hạn nếu băng thông khả dụng là 5MHz thì độ rộng băng tần OFDM (P∙∆f) chỉ

có thể vào khoảng 4,5MHz Giả sử LTE sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang

là 15KHz, thì điều này tương đương với vào khoảng 300 sóng mang con trong5MHz.

2.5.1.1.3 Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập

Trên đường xuống, OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh cho nhữngngười sử dụng Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM, toàn bộ các sóng mangcon khả dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho những người

sử dụng khác nhau để truyền đến các đầu cuối khác nhau

Trên đường lên cũng tương tự, OFDM được sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập.Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM toàn bộ các sóng mang con khả dụngđược chia thành các tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khácnhau để truyền từ các đầu cuối khác nhau đến trạm gốc

Trong trường hợp OFDMA được sử dụng cho đường lên, tín hiệu OFDM đượcphát đi từ các máy đầu cuối khác nhau được ghép kênh theo tần số, điều quan trọng

là khi truyền dẫn từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với trạm gốc phải đếntrạm gốc một cách đồng bộ theo thời gian Đặc biệt là sự mất đồng bộ giữa cáctruyền dẫn từ các đầu cuối di động khác nhau tại trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP

để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thu được từ các đầu cuối di độngkhác nhau để tránh nhiễu giữa những người sử dụng

Do khác nhau về khoảng cách từ các máy đầu cuối di động đến trạm gốc và vìthế dẫn đến khác nhau về thời gian truyền lan, nên phải điều khiển định thời phátcủa từng đầu cuối Điều khiển định thời phát nhằm điều chỉnh định thời phát củatừng đầu cuối di động để đảm bảo rằng các truyền dẫn đường lên được đồng bộ tạitrạm gốc Do thời gian truyền lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong

ô, điều khiển định thời phát phải là một quá trình tích cực liên tục điều chỉnh địnhthời phát cho từng đầu cuối di động

Ngay cả khi điều khiển định thời phát hoàn hảo, vẫn luôn có một lượng nhiễugiữa các sóng mang con do sai số tần số trong trường hợp sai số tần số hợp lý vàtrải Doppler nhỏ thì nhiễu này thường tương đối nhỏ Tuy nhiên điều này chỉ xảy rakhi coi rằng các sóng mang con khác nhau được thu tại trạm gốc với công suất gầnnhư nhau trên đường lên do khoảng cách từ các máy đầu cuối đến trạm gốc là khác

nhau, vì thế suy hao đường truyền của các đường truyền này cũng có thể rất khácnhau Nếu 2 đầu cuối phát cùng một công suất thì do khoảng cách khác nhau nêncông suất tín hiệu thu tại tram gốc từ 2 đầu cuối này có thể rất khác nhau và vì thếtín hiệu thu từ trạm đầu cuối mạnh hơn sẽ gây nhiễu đối với tín hiệu thu yếu hơncho dù vẫn duy trì được trực giao hoàn hảo giữa các sóng mang con Để tránh điềunày cần phải thực hiện điều khiển công suất phát của các đầu cuối ở một mức độnhất định Đối với OFDMA đường lên bằng cách giảm công suất của đầu cuối ởgần trạm gốc để đảm bảo công suất của các tín hiệu thu gần như nhau.

2.5.1.1.4 Thu phát tín hiệu OFDM

Điều chế

Tín hiệu OFDM băng gốc

RECEIVER

Hình 2.8 Sơ đồ khối điều chế tín hiệu băng gốc OFDMNhững tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những banklớn các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự Hình dưới là

sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu Phần máy phát biến đổi dữ liệu sốcần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễnphổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo(inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse FastFourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDTF, ngoại trừ rằng nó tínhhiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Đểtruyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được phátlên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịchtính hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh

(FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ và pha của các tải phụđược chọn ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số Biến đổi nhanh Fourierđảo (IFFT) và biến đổi Fourier nhanh(FFT) là hàm bổ sung và thuật ngữ thích hợpnhất được dùng phụ thuộc vào liệu tín hiệu đang được thu hoặc đang được phát.Trong nhiều trường hợp tín hiệu là độc lập với sự phân biệt này nên thuật ngữ FFT

và IFFT có thể được sử dụng thay thế cho nhau

khu ch đ i

t

A a

b c d e

f

a b c d e

01 11

FFT

detect

detect detect

t n

t

A a

b c d e

f

a b c d e

detect detect

Hình 2.9 Sơ đồ biến đổi thu phát tín hiệu OFDM2.5.1.1.5 Điều chế tín hiệu OFDM

Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữamiền thời gian và miền tần số