Nghiên cứu về chuyển giáo trong mạng thông tin di động LTE luận văn tốt nghiệp đại học

Evolved UMTS Terrestrial Radio AccessForward Access ChannelFrequency Division Duplex Frequency Division Multiple Frequency Division Multiple AccessForward Error CorrectionGSM/EDGE Radio

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN GIAO TRONG

MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE

Sinh viên thực hiện : Võ Đình Sự

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

NGHỆ AN, 01-2012

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1

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

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

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

1.2 Xu hướng phát triển 6

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE 10

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 10

2.2 Mục tiêu thiết kế LTE 14

2.2.1 Các khả năng 14

2.2.2 Hiệu năng hệ thống 15

2.2.3 Các khía cạnh liên quan đến triển khai 17

2.2.4 Kiến trúc và chuyển dịch 20

2.2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến 22

2.2.6 Mức độ phức tạp 23

2.2.7 Các khía cạnh chung 23

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE 24

3.1 Mục đích của quá trình chuyển giao 24

3.2 Các trạng thái của LTE 24

3.3 Các thủ tục truy nhập LTE 26

3.3.1 Tìm cell 26

3.3.2 Truy nhập ngẫu nhiên 28

3.3.3 Tìm gọi (Paging) 29

3.4 Chuyển giao trong LTE 30

3.4.1 Thủ tục chuyển giao 31

3.4.2 Báo hiệu 33

3.4.3 Phép đo chuyển giao 36

3.4.4 Quan hệ láng giềng tự động 36

3.4.5 Chuyển giao liên hệ thống 38

3.5 Đo đạc chuyển giao và bộ lọc 39

3.5.1 Đo đạc chuyển giao và trung bình miền tần số 41

3.5.2 Trung bình miền thời gian (bộ lọc lớp 3) 43

3.5.3 Độ chính xác đo đạc chuyển giao 44

3.5.4 Quyết định và báo cáo chuyển giao 45

3.6 Chuyển giao trong mạng hỗn tạp 4G 51

3.6.1 Phân loại chuyển giao 52

3.6.2 Chuyển giao trong mạng hỗn tạp 4G 55

3.6.3 Quá trình chuyển giao 57

3.6.4 Chuyển đổi kết nối vô tuyến 59

3.6.5 Cấp phát kênh 60

3.6.6 Chuyển giao tự nguyện và cưỡng bức 60

3.6.7 Hàm quyết định chuyển giao dọc 62

3.6.8 Đánh giá hiệu suất 64

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH CHUYỂN GIAO 66

4.1 Mô phỏng thuật toán chuyển giao 66

4.1.1 Chuyển giao nội mạng LTE 66

4.1.2 Chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN 68

4.2 Giao diện chính chương trình 69

4.2.1 Chuyển giao nội mạng LTE 70

4.2.2 Chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN 73

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH 81

LỜI NÓI ĐẦU

Chuyển giao là một phần cần thiết của các hệ thống thông tin di động tế bào Nó diễn ra khi người sử dụng máy di động di chuyển từ cell này đến cell khác trong mạng thông tin di động tế bào và nó cũng có thể được sử dụng để cân bằng tải trong mạng thông tin Trong các hệ thống tế bào thứ nhất như AMPS, việc chuyển giao tương đối đơn giản Sang hệ thống thông tin di động thứ hai như GSM và PACS thì có nhiều cách đặc biệt hơn bao gồm các thuật toán chuyển giao được kết hợp chặt chẽ trong các hệ thống này và trễ chuyển giao tiếp tục được giảm đi

Tính di động là nguyên nhân dẫn đến những biến động về chất lượng đường dẫn và mức độ nhiễu trong hệ thống di động tế bào, đôi khi đòi hỏi một User cụ thể phải thay đổi trạm gốc dịch vụ của nó Trong mạng thông tin

di động LTE, tốc độ số liệu đỉnh tức thời đường xuống của nó lên đến 100Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnh đường lên 50Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20MHz (2,5bps/Hz) Băng thông LTE được cấp phát linh hoạt từ 1,25MHz lên đến 20MHz (gấp bốn lần băng thông 3G-UMTS) Điều đó ảnh hưởng rất lớn đến tính chất di động và chất lượng của dịch vụ làm cho quá trình chuyển giao được thực hiện một cách khó khăn hơn Hiểu được sự phức tạp trong quá trình chuyển giao trong mạng thông tin di động LTE chính vì vậy em đã chọn

đề tài cho đồ án tốt nghiệp này là: “Nghiên cứu về chuyển giao trong mạng thông tin di động LTE”

Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến cô TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Các thầy cô trong hội đồng đã giúp em hoàn thiện đồ án này

Tuy nhiên do LTE là công nghệ đang được nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện cũng như là do những kiến thức của em còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được nhiều

sự góp ý của thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện hơn cho đồ án của mình.

Đồ án của em trình bày bao gồm bốn chương với nội dung khái quát như sau:

Chương 1 Các hệ thống thông tin di động và xu hướng phát triển Chương này sẽ trình bày khái quát về sự phát triển của các hệ thống thông tin

di động, sự phát triển từ các mạng thế hệ thứ nhất lên các mạng vượt trên 3G trong đó có LTE Đồng thời chương 1 cũng đưa ra các xu hướng phát của các

hệ thống thông tin di động

Chương 2 Giới thiệu về công nghệ và mục tiêu thiết kế LTE Chương trình này khái quát về công nghệ LTE, sau đó sẽ giới thiệu về các mục tiêu thiết kế LTE

Chương 3 Nghiên cứu về chuyển giao trong mạng thông tin di động LTE Chương này trình bày các khía cạnh khác nhau của chuyển giao trong mạng thông tin di động LTE và tập trung vào các quá trình chuyển giao nội mạng LTE và chuyển liên hệ thống giữa các hệ thống thông tin di động

Chương 4 Phân tích và đánh giá mô hình chuyển giao Chương này mô phỏng quá trình chuyển giao nội mạng LTE cũng như quá trình chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN

Nghệ An, Ngày 2 tháng 1 năm 2012 Sinh viên thực hiện

Võ Đình Sự

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Trong đồ án này, quá trình chuyển giao đã được nghiên cứu bao gồm: chuyển giao nội mạng LTE và chuyển giao liên hệ thống Một thuật toán chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR đường xuống, cùng với bộ lọc L3 tuyến tính và dB đã được đề cập Kết quả cho thấy chuyển giao dựa trên đo đạc RSS thực hiện tốt hơn so với chuyển giao dựa trên đo đạc CIR về giảm số lần chuyển giao, còn CIR thể hiện tốt hơn RSS về mặt tăng tỉ số CIR trung bình đường xuống Ngoài ra, quá trình chuyển giao nội mạng LTE cũng như chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN đã được mô phỏng Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán chuyển giao dùng Handover Margin sẽ giảm hiện tượng ping-pong khi UE di chuyển ở vùng biên của hai cell hoặc hai mạng khác nhau

ABSTRACT

In this thesis, Handover process has been studied including net handover of LTE and inter system handover A handover algorithm based on RSS and CIR downlink measurements, linear and dB domain L3 filter will be provided The results suggest that handover based on RSS measurement performs better than handover based on CIR measurement in terms of reduced number of handovers and handover based on CIR measurement performs better in terms of average downlink CIR In addition, the handover process as well as LTE net handover between the LTE and WLAN along has been simulated Simulation results show handover algorithm using Handover Margin will reduce ping-pong effect when UE moves across cell edges

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số lớp vậy lý LTE 13

Bảng 2.2 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 13

Bảng 2.3 Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất sử dụng phổ tần 16

Bảng 2.4 Các yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA 18

Bảng 3.1 Độ lệch chuẩn của các sai số đo đạc 45

Bảng 4.1 Kịch bản mô phỏng chuyển giao nội mạng LTE 66

Bảng 4.2 Kịch bản mô phỏng chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN 68

Bảng 4.3 Handover Margin và độ trễ chuyển giao 73

Bảng 4.4 Handover Margin và độ trễ chuyển giao 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào 1

Hình 2.1 Cấp phát phổ băng ‘lõi’ IMT-2000 tại 2GHz 19

Hình 2.2 Ví dụ về quá trình chuyển dịch từng bước của LTE vào vùng phổ WCDMA hiện đã triển khai 19

Hình 2.3 Phân chia chức năng giữa mạng truy cập và mạng lõi 21

Hình 3.1 Các trạng thái của LTE 25

Hình 3.2 Tín hiệu đồng bộ thứ nhất và thứ hai 27

Hình 3.3 Thủ trục truy nhập ngẫu nhiên 29

Hình 3.4 Sự tiếp nhận không liên tục (DRX) cho tìm gọi 30

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong tần số 31

Hình 3.6 Chuyển đổi mặt phẳng sử dụng trong chuyển giao 32

Hình 3.7 Chuẩn bị chuyển giao 33

Hình 3.8 Thực hiện chuyển giao 35

Hình 3.9 Hoàn thành chuyển giao 35

Hình 3.10 Nhận dạng cell láng giềng trong tần số tự động 37

Hình 3.11 Tổng quan chuyển giao inter-RAT từ E-UTRAN tới UTRAN/ GERAN 38

Hình 3.12 Các giai đoạn của quá trình chuyển giao 1) Đo đạc chuyển giao, 2) Xử lý đo đạc đường xuống, 3) Báo cáo đường lên, 4) Quyết định và thực hiện chuyển giao 40

Hình 3.13 Thủ tục chuyển giao Intra-LTE 41

Hình 3.14 Cấu trúc tín hiệu tham chiếu đường xuống cho LTE PRB với một cổng antenna và tiền đồ chu kỳ (cyclic prefix) ngắn 42

Hình 3.15 Giai đoạn khởi tạo chuyển giao bao gồm đo đạc chuyển giao, lọc và báo cáo trong UE 43

Hình 3.16 Tác động của trung bình miền tần số (bộ lọc L1) đến sai số trên mỗi TTI 44

Hình 3.17 Chu kỳ đo đạc chuyển giao Tm và chu kỳ cập nhật quyết định Tu 46

Hình 3.18 Hiệu năng chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR dùng các bộ lọc tuyến tính và dB đối với các băng thông đo đạc khác nhau Tốc độ người dùng là 3kmph, Hm=2dB, Tm=150ms và Tu=300ms 47

Hình 3.19 Hiệu năng chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR dùng các bộ lọc tuyến tính và dB đối với các băng thông đo đạc khác nhau Tốc độ người dùng là 120kmph, Hm=2dB, Tm=150ms và Tu=300ms 48

Hình 3.20 Hiệu năng chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR dùng các bộ lọc tuyến tính và dB đối với các băng thông đo đạc khác nhau Tốc độ người dùng là 120kmph, Hm=2dB, Tm=150ms và Tu=3000ms 49

Hình 3.21 Chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR đối với tốc độ người dùng băng thông đo đạc 1,25MHz với Hm=2dB và Tu=300ms 50

Hình 3.22 Chuyển giao dựa trên đo đạc RSS và CIR đối với biên chuyển giao (handover margin) đối với tốc độ người dùng khác nhau ở băng thông đo đạc 1,25MHz với Hm=2dB và Tu=300ms 51

Hình 3.23 Cây phân loại chuyển giao 52

Hình 3.24 Chuyển giao ngang và chuyển giao dọc 56

Hình 3.25 Sơ đồ phân loại đề xuất các quyết định chuyển giao dọc 62

Hình 3.26 Topology của mạng được mô phỏng 64

Hình 3.27 Tác động của lưu lượng nền đến tổng thông lượng của mạng 65

Hình 4.1 Mô hình chuyển giao nội mạng LTE 66

Hình 4.2 Sơ đồ khối thuật toán chuyển giao intra-frequency LTE 67

Hình 4.3 Mô hình chuyển giao dọc giữa LTE và WLAN 68

Hình 4.4 Cường độ tín hiệu nhận được (RSS) từ hai eNodeB của mạng LTE

70

Hình 4.5 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph và không có Handver Margin 71

Hình 4.6 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph, Handover Margin=3dB, 6dB 72

Hình 4.7 Trạng thái UE trong mạng LTE với tốc độ UE=5kmph, Handover Margin=9dB 73Hình 4.8 Cường độ tín hiệu nhận được từ eNodeB LTE và WLAN 74Hình 4.9 Trạng thái của UE trong hai mạng LTE và WLAN với tốc độ UE=10kmph và không có Handover Margin 75Hình 4.10 Trạng thái của UE trong hai mạng LTE và WLAN với tốc độ UE=10kmph, Handover Margin=3dB, 6dB 76Hình 4.11 Trạng thái của UE trong hai mạng LTE và WLAN với tốc độ UE=10kmph, Handover Margin=9dB và tốc độ UE=120kmph, Handover Margin=3dB 77

3rd Generation Partnership Project

3rd Generation Partnership Project 2

AcknowledgementAccess GatewayAutomatic Repeat-reQuestBit Error Rate

Base StationBase Tranceiver Station Band Width

Code Division Multiple Access

Carrier to Interference Ratio

Common Pilot channelCircuit Switch

Discrete Fourier TranformDownlink

Downlink Share Channel

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

Đề án đối tác thế hệ thứ ba - 2

Tín hiệu xác nhậnCổng truy nhậpYêu cầu phát lại tự động

Tỷ số lỗi bitTrạm gốcTrạm thu phát gốcBăng rộng

Đa truy cập phân chia theo mã

Tỷ lệ sóng mang trên nhiễu

Kênh hoa tiêu chungChuyển mạch kênhBiến đổi Fourier rời rạcĐường xuống

Kênh chia sẻ đường xuống

Evolved UMTS Terrestrial Radio Access

Forward Access ChannelFrequency Division Duplex

Frequency Division Multiple

Frequency Division Multiple AccessForward Error CorrectionGSM/EDGE Radio Access Network

Guard IntervalGeneral Packet Radio Service

Global System for MobileGateway

High Definition TelevisionHandover

High Speed Downlink Packet Access

Kênh điều khiển vật lý riêng

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho mạng GSM cải tiến

Nút B của E-UTRANTruy nhập vô tuyến mặt đất UMTS phát triển

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

Kênh truy nhập đường xuốngGhép song công phân chia theo tần số

Ghép kênh phân chia theo tần số

Đa truy cập phân chia theo tần số

Hiệu chỉnh lỗi trướcMạng truy nhập vô tuyến GSM/ EDGE

Khoảng bảo vệDịch vụ vô tuyến gói chung

Hệ thống di động toàn cầuCổng

Tivi có độ phân giải caoChuyển giao

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

Infinite Impulse Reponse

IP Multimedia SubsystemInternational Mobile TelecommunicationsInternet ProtocolInternational Telecommunication UnionInter-Symbol InterferenceLong Term EvolutionLayer 1

Layer 3Multimedia Broadcast Multicast ServiceMulti Input Multi Output Mobility Management Entity

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple AccessPaging Channel

Probability Density

Truy cập gói OFDM tốc độ cao

Truy nhập gói tốc độ caoServer thuê bao nhàTruy nhập gói đường lên tốc độ cao

Phản ứng xung động vô hạnPhân hệ đa phương tiện IPThông tin di động quốc tế

Giao thức internetLiên minh viễn thông quốc tế

Nhiễu liên ký tựPhát triển dài hạnLớp vật lý 1Lớp vật lý 3Dịch vụ quảng bá đa phương đa phương tiện

Nhiều đầu vào nhiều đầu raQuản lý tính di động

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

Kênh tin nhắnChức năng xác suất mật độ

Physical Resource BlockQuality of ServicesRadio Access NetworkRadio Access TechnologyRadio Frequency

Radio Link ControlRadio Resource ControlReference Signal Receive Power

System Architecture Evolution

Serving cellSingle Carrier Frequency Division multiple AccessService Data Unit

Single Frequency NetworkSubscriber Identity ModuleSignal to Interference RatioSignal to Noise Ratio

Target cellTime Division Duplexing

Time Synchronous Code Division Multiple Acess

Division-Mạng di động mặt đất băng rộng

Khối tài nguyên vật lýChất lượng dịch vụMạng truy nhập vô tuyếnCông nghệ truy nhập vô tuyếnTần số vô tuyến

Điều khiển liên kết vô tuyếnĐiều khiển tài nguyên vô tuyếnCông suất thu tín hiệu tham khảoPhát triển kiến trúc mạng

Ô phục vụ

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

Đơn vị số liệu dịch vụMạng tần số đơnMôđun nhận dạng thuê bao

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

Ô mục tiêuGhép song công phân chia theo thời gian

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ - phân chia theo thời gian

Universal Mobile System Telecommunications System

UMTS Subcriber Identity Module

UMTS Terrestrial Radio Access

UTMS Terrestrial Radio Access Networks

Voice over IPWide Area NetworkWideband Code Division Multiple Access

Wireless Internet Service Provider

Wireless Local Area Network

Wireless Wide Area Network

Lớp mạng truyền tảiKhoảng thời gian phátThiết bị người sử dụng

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Mô đun nhận dạng thuê bao UMTSTruy nhập vô tuyên mặt đất UMTSMạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Thoại sử dụng IPMạng diện rộng

Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng

Nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây

Mạng nội vùng không dâyMạng diện rộng không dây

CHƯƠNG 1 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ XU HƯỚNG

PHÁT TRIỂN

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

Khi các ngành thông tin quảng bá về 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 thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến 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 kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải quyết được bài toán khó về dung lượng [5]

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào [5]

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 di động Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật

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

 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

MS trong cell

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

 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 nhập 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 bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

- Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fadinh 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 là ở Châu

Âu, làm cho 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 nhập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2 [5]

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

Với sự phát triển nhanh chóng về số lượng thuê bao, hệ thống thông tin

di động thế hệ thứ hai được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động Ở Châu Âu, hệ thống toàn cầu dành cho truyền thông di động có tên gọi là GSM (Global System for Mobile Communications) được triển khai

để cung cấp một tiêu chuẩn mang tính thống nhất Điều này cho phép các dịch

vụ không kết nối ra khỏi Châu Âu bằng phương thức chuyển vùng quốc tế

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai được giới thiệu vào cuối những năm

1980 của thế kỷ trước Các nghiên cứu trong các nước Châu Âu khác nhau đã kết luận rằng hệ thống số là phù hợp hơn hệ thống tương tự nên hệ thống GSM sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số Do vậy, so với các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất thì hiệu suất phổ của thế hệ thứ hai cao hơn, dịch vụ dữ liệu và khả năng chuyển vùng tốt hơn

Các đặc tả hệ thống GSM xuất hiện vào giữa năm 1988 Tuy nhiên, do không thể xác định mọi đặc điểm của hệ thống để kịp buổi khai trương vào năm 1991 nên đặc tả được chia thành 2 pha Các đặc tả của Pha 1 (các dịch vụ chung nhất) hoàn thành vào năm 1990 Pha 2 sẽ xác định các dịch vụ còn lại đồng thời sửa lỗi và cải thiện chất lượng của hệ thống Pha 1 Theo yêu cầu của Anh, một phiên bản của GSM hoạt động trong dải 1800MHz cũng được đưa vào trong quá trình xây dựng đặc tả Phiên bản này được gọi là hệ thống

tế bào số tại 1800MHz Pha 2 hoàn thành năm 1993 và tiếp sau là Pha 2+, gồm 1 số đặc điểm mới như mã hóa tiếng nói bán tốc, tăng tốc độ di chuyển của máy di động (vẫn đảm bảo liên lạc)

Hệ thống GSM sớm nhất hoạt động ở băng tần 900MHz với băng thông tổng cộng là 50MHz Hệ thống GSM 900MHz làm việc trong một băng tần hẹp, dải tần cơ bản từ (890-960MHz) Băng tần gồm 124 sóng mang con được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200kHz Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên xuống gọi là kênh song công Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz

Ngoài ra nó cũng có thể hoạt động ở các băng tần khác như 1800MHz, 1900MHz Băng tần 1800MHz có thể được sử dụng ý nghĩa và phổ biến hơn đối với người sử dụng đặc biệt trong những khu vực đông dân cư GSM cung cấp một tiêu chuẩn chung nhằm giúp các thuê bao di động liên lạc bên trong khu vực phục vụ của hệ thống GSM GSM cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, dịch vụ fax, dịch vụ SMS (Short Message Service)

và các dịch vụ IN (Intelligent Network),… Nó cũng được thiết kế hoạt động cùng với các tiêu chuẩn khác nhau

GSM là một công nghệ mở được xây dựng nhằm thỏa mãn các nhu cầu trong tương lai GSM định ra các chức năng và giao diện chi tiết nhằm cho phép các nhà thiết kế phần cứng linh hoạt về cách thức đưa ra chức năng, vì vậy các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông có thể mua các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau Suốt quá trình phát triển hơn 20 năm của nó, công nghệ GSM mới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn, trong khi nhu cầu truy nhập Internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nên nó

đã liên tục được cải tiến để cung cấp các dịch vụ có chất lượng tốt hơn trên thị trường

Mặc dù hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai được coi là những tiến bộ đáng kể nhưng vẫn gặp phải các hạn chế như: tốc độ thấp và tài nguyên hẹp Vì thế phải cần thiết chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế

hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền số liệu nâng cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ

Khi các hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển, không chỉ số lượng người sử dụng điện thoại di động tăng lên, mở rộng thị trường mà người sử dụng còn đòi hỏi các dịch vụ tiên tiến hơn không chỉ là các dịch vụ cuộc gọi truyền thống và dịch vụ số liệu tốc độ thấp hiện có trong mạng Những lý do trên thúc đẩy các tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông tin di động đã nghiên cứu và áp dụng trong thực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động đó là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba [7]

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 giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x

Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hòa nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2Mbit/s Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông 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 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp 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 phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin 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 TDMA như: GSM, IS-136

- CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng 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 đưa vào phục vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2

oTốc độ của thế hệ thứ 3 được xác định như sau:

- 384Kbps đối với vùng phủ sóng rộng

- 2Mbps đối với vùng phủ sóng địa phương

oCác 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: 1885-2025MHz

 Đường xuống: 2110-2200MHz

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

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

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

- 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 liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

- Dễ hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện [5]

có thể cho ra đời chuẩn này một vài năm tới Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay

Cho đến hiện nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông qua Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G Các sở cứ quan trọng để ITU thông qua cho chuẩn 4G đó chính là từ hỗ trợ của các công ty di động toàn

cầu, các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt là sự xuất hiện của ba công nghệ cho việc phát triển mạng di động tế bào LTE (Long-Term Evolution), UMB (Ultramobile Broadband) và WiMax II (IEEE 802.16m) Ba công nghệ này có thể được xem là các công nghệ tiền 4G Chúng sẽ là các công nghệ quan trọng giúp ITU xây dựng các phát hành cho chuẩn 4G trong thời gian tới.

HSDPA (High Speed Downlink Packet Access: truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) là một mở rộng của các hệ thống 3G WCDMA UMTS có thể cung cấp tốc độ lên đến 10Mbps trên đường xuống HSDPA là một chuẩn tăng cường của 3GPP nhằm tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường lên trong chuẩn HSUPA (High Speech Uplink Packet Access) Hai công nghệ truy nhập HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA (High Speed Packet Data) Để làm cho công nghệ 3GPP UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh hơn nữa (chủ yếu là để cạnh tranh với các công nghệ mới của 3GPP2 và WiMax), 3GPP quyết định phát triển E-UTRA và E-UTRAN (E: Elvolved ký hiệu cho phát triển) còn được gọi là siêu 3G (Super-3G) hay LTE (Long Term Evolution) mà thực chất là giai đoạn đầu 4G Công việc phát triển sẽ tiến hành trong 10 năm và sau đó như là sự phát triển dài hạn (LTE: Long Term Evolution) của công nghệ truy nhập vô tuyến 3GPP Trong giai đoạn này tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông 20MHz Tiếp sau LTE, IMT-Adv (IMT tiên tiến) sẽ được phát triển, đây sẽ là thời kỳ phát triển của 4G với tốc độ từ 100 đến 1000Mbps và băng thông 100MHz

Sau đây xem xét ba công nghệ được xem là các công nghệ tiền 4G, đó

là các công nghệ làm sở cứ để xây dựng nên chuẩn 4G trong tương lai, gồm:

 LTE (Long-Term Evolution)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động 3G UMTS 3GPP bao gồm các tổ chức chuẩn hóa của các nước châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ đã bắt đầu chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G là LTE

LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM, vì thế nó dễ dàng thay thế và triển khai cho nhiều nhà cung cấp dịch vụ Nhưng khác với GSM, LTE

sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất về lý thuyết của LTE có thể đạt tới 250Mbps khi độ rộng băng tần là 20MHz LTE khác với các công nghệ tiền 4G khác như WiMax II ở chỗ nó chỉ sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao ở hướng lên, còn ở hướng xuống nó sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang

để nâng cao hiệu quả trong việc điều khiển công suất và nâng cao thời gian sử dụng pin cho thiết bị đầu cuối của khách hàng LTE là một trong số các con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ

là IMT Adv LTE cho phép chuyển đổi từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G sau đó sang IMT Adv Chuyển đổi từ LTE sang IMT Adv là chìa khóa của thành công trên thị trường Ngoài LTE của 3GPP ta cũng cần nghiên cứu các hướng chuyển đổi khác sang 4G 3GPP2 cũng đã và đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đề xuất là UMB (Ultra Mobile Band) [10]

 UMB (Ultra Mobile Broadband)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ thông tin di động 3G CDMA2000 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) được thành lập và phát triển bởi các tổ chức viễn thông của Nhật, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc đã đề xuất phát triển UMB Thành viên của 3GPP2, Qualcomm là người đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù công ty này cũng chú tâm cả vào việc phát triển LTE

UMB dựa trên CDMA có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz đến 20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số UMB được đề xuất với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho luồng xuống và 75Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz Công nghệ này sẽ cung cấp kết

nối thông qua các sóng mang dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã CDMA [7].

 IEEE 802.16m (WiMax II)

Như chúng ta đã biết, WiMax hay chuẩn 802.16 ban đầu được xây dựng cho mục đích chính là cung cấp các dịch vụ mạng cố định Chuẩn IEEE 802.16e được phát triển thêm tính năng di động từ các chuẩn WiMax trước

đó IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả

cố định và di động, là công nghệ truyền thông, truy nhập diện rộng, nó cũng được gọi với một tên khác là WiMax WiMax hoạt động trong dải tần từ 10GHz đến 66GHz

IEEE 802.16 (WiMax) cũng đang hoàn thiện khái niệm của mình và hướng đến đề xuất cho IMT-Adv trong 802.16m IEEE 802.16m hay còn gọi

là WiMax II là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA WiMax II được phát triển lên từ chuẩn IEEE 802.16e Công nghệ WiMax II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100Mbps cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gbps cho các người dùng tĩnh Khoảng cách truyền cho WiMax II sẽ khoảng 2km ở môi trường thành thị và là khoảng 10km cho các khu vực nông thôn [7]

LTE, UMB và WiMax đều là những công nghệ sáng giá cho 4G Tuy nhiên ta thấy công nghệ LTE vượt trội hơn UMB, WiMax về cả tính năng di động và tốc độ truyền dữ liệu LTE là đại diện cho một bước tiến trọng yếu trong những khả năng của thông tin di động Phổ tần linh hoạt, phạm vi hoạt động rộng… sẽ là nền tảng để kích thích sự phát triển các dịch vụ và ứng dụng mới Để tìm hiểu thêm về LTE, chúng ta qua chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ

LTE

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông 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 cho cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn ứng dụng dịch vụ khác, do đó người sử dụng có thể

dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các 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 dịch vụ chất lượng,

độ trễ tối thiểu Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy nhập OFDMA và SC-FDMA Thêm vào đó, FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp Không giống như TDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng một thời điểm Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE Truy nhập tuyến lên dựa vào truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequyency Division Multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6 [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

 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 tiếu hướng tới là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz 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 -“EUTRAN”- 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 dụng trong thương mại

- Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA được sử dụng cho đường lên [6]

 Các đặc tính cơ bản của LTE

- Độ trễ: nhỏ hơn 5ms

- Phổ tần số:

• Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD.

• Độ phủ sóng từ 5-100km

• Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5MHz

- Chất lượng dịch vụ:

• 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 thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo

• Thời gian trễ trong công 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 Trong thực tế, hiệu suất thực tế của LTE phụ thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ

và không có sự lựa chọn phổ tần của chính nó Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi 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 bao gồm băng tần lõi 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 định nghĩa bởi ITU thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng đã tồn tại của họ [6]

 Các thông số vật lý của LTE

Thông số của LTE được cho bởi các bảng sau:

Bảng 2.1 Các thông số lớp vật lý LTE

Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA)

DL OFDMABăng thông 1,4MHz, 3MHz , 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz

Khoảng cách sóng mang con 15KHz

Chiều dài CP Ngắn 4,7µs

Dài 16,7µs

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 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

2.2 Mục tiêu thiết kế 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 thiết kế 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

Các yêu cầu cho LTE này được chia thành bảy lĩnh vực khác nhau:

Các yêu cầu trễ được chia thành các yêu cầu cho mặt phẳng điều khiển

và các yêu cầu cho mặt phẳng người sử dụng Các yêu cầu trễ mặt phẳng điều khiển đề cập đến trễ để chuyển từ các trạng thái không tích cực khác nhau của máy đầu cuối sang trạng thái tích cực khi đầu cuối có thể phát và (hoặc) thu

số liệu Tồn tại hai số đo:

1 Số đo được biểu thị như thời gian chuyển từ trạng thái rỗi (trạng thái rỗi trong R6 là trạng thái trong đó mạng truy nhập vô tuyến không biết

UE và nó không có context, ngữ cảnh của UE cũng như không ấn định

tài nguyên cho UE UE có thể ngủ và định kỳ thức giấc để nghe thông tin từ mạng trong các đoạn thời gian quy định), yêu cầu này là 100ms

2 Số đo khác biểu thị thời gian chuyển từ trạng thái dormant (trạng thái Cell_PCH trong R6, trong trạng thái này mạng truy nhập vô tuyến biết

UE và biết nó ở ô nào nhưng không ấn định tài nguyên cho nó UE có thể ngủ và định kỳ thức giấc để nghe thông tin từ mạng trong các đoạn thời gian quy định), yêu cầu này là 50ms

Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng được biểu diễn như là thời gian cần thiết để phát một gói IP nhỏ từ đầu cuối đến nút biên của RAN hoặc ngược lại tại lớp IP Thời gian truyền dẫn một chiều không được vượt quá 5ms trong mạng không tải, nghĩa là không có các đầu cuối khác trong ô Đối với cả hai yêu cầu, trễ chế độ ngủ và báo hiệu không phải RAN được loại trừ

Một yêu cầu bổ sung đối với yêu cầu trễ mặt phẳng điều khiển là LTE phải hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối di động trong trạng thái tích cực trong băng thông 5MHz Đối với băng thông rộng hơn 5MHz, ít nhất 400 đầu cuối phải được hỗ trợ Số đầu cuối không tích cực không được công bố rõ ràng, nhưng phải cao hơn đáng kể [10]

2.2.2 Hiệu năng hệ thống

Các mục tiêu thiết kế hiệu năng hệ thống của LTE đề cập đến thông lượng của người sử dụng, hiệu suất sử dụng phổ tần, vùng phủ và MBMS tăng cường hơn

Nói chung, các yêu cầu hiệu năng của LTE được biểu diễn tương đối so với hệ thống tham khảo sử dụng R6 HSPA Đối với trạm gốc, giả thiết là một anten phát và một anten thu, trong khi đó đầu cuối có cực đại một anten phát

và hai anten thu Tuy nhiên cần nhấn mạnh rằng một số tính năng tiên tiến của HSPA không được đưa ra trong mô hình tham khảo Vì thế đầu cuối trong hệ thống tham khảo có hai anten thu, một máy thu RAKE đơn giản Tương tự ghép kênh không gian không có trong hệ thống tham khảo

Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở hai điểm: vùng phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất sử dụng phổ tần cũng đã được đặc tả, trong đó hiệu suất sử dụng phổ tần được định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/MHz Các mục tiêu thiết kế nói trên được cho trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất sử dụng

Lưu lượng người dùng

tại biên tế bào (trên

độ cao hơn Đối với các tốc độ lên đến 120km/giờ, LTE phải đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tổ ong Hệ thống LTE có thể quản

lý tốc độ đến 350km/giờ (hay thậm chí 500km/giờ phụ thuộc vào băng tần) LTE phải đảm bảo dịch vụ thoại ngang bằng với WCDMA/HSPA

Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính) ô, nghĩa là khoảng cách cực đại từ trạm ô đến một thiết bị đầu cuối trong ô Yêu cầu đối với các kịch bản không bị giới hạn nhiễu là phải đáp ứng các yêu cầu về thông lượng của người sử dụng, hiệu suất sử dụng phổ tần và di động cho các

ô có bán kính đến 5km Đối với các ô có vùng phủ lên đến 30km, cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ Tuy nhiên vẫn phải đáp ứng tính di động Tiêu chuẩn cũng không được cản trở các vùng phủ đến 100km, tuy nhiên các yêu cầu về hiệu năng trong trường hợp này không được công bố

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập đến chế độ quảng bá và chế độ phát đơn phương Tổng quát, LTE phải đảm bảo các dịch vụ MBMS tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần 1bit/s/Hz, tương đương với 16 kênh TV, trong đó mỗi kênh sử dụng 300kbps trong băng thông 5MHz Ngoài ra phải có thể cung cấp dịch vụ MBMS như là dịch vụ duy nhất trên một sóng mang, đồng thời cũng có thể cung cấp dịch vụ này trộn lẫn với các dịch vụ khác không phải MBMS Tất nhiên chuẩn LTE phải đảm bảo cung cấp đồng thời các dịch vụ thoại và các dịch vụ MBMS [10]

2.2.3 Các khía cạnh liên quan đến triển khai

Các yêu cầu liên quan đến triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linh hoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các công nghệ truy nhập vô tuyến của 3GPP khác chẳng hạn GSM, WCDMA/HSPA

Yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm cả trường hợp hệ thống LTE được triển khai độc lập lẫn trường hợp nó được triển khai cùng với WCDMA/HSPA và (hoặc) GSM Như vậy trong thực tế yêu cầu này không giới hạn các tiêu chí thiết kế Các yêu cầu về tính linh hoạt phổ tần được trình bày cụ thể hơn trong (*)

Sự đồng tồn tại và tương tác với các hệ thống 3GPP khác và các yêu cầu tương ứng đã đặt ra yêu cầu về tính di động giữa LTE và GSM, giữa LTE

và WCDMA/HSPA cho các đầu cuối hỗ trợ các công nghệ này Bảng 2.4 liệt

kê các yêu cầu về gián đoạn, nghĩa là gián đoạn cho phép cực đại trên đường truyền vô tuyến khi chuyển động giữa hai công nghệ truy nhập khác nhau,

cho các dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Cần lưu ý rằng các yêu cầu này là rất nhỏ đối với thời gian gián đoạn chuyển giao và có thể kỳ vọng

là các giá trị này tốt hơn nhiều trong các triển khai thực tế

Yêu cầu đồng tồn tại và tương tác cũng đề cập đến chuyển mạch lưu lượng truyền đa phương được LTE cung cấp theo kiểu quảng bá đến lưu lượng đơn phương được GSM hoặc WCDMA cung cấp Mặc dù không con

số nào được đưa ra [10]

Bảng 2.4 Các yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA

Phi thời gian thực (ms) Thời gian thực (ms)

 Tính linh hoạt phổ và triển khai (*)

Cơ sở đối với các yêu cầu về tính linh hoạt phổ là yêu cầu đối với hệ thống LTE được triển khai trong các băng tần đã có của IMT-2000, có nghĩa

là sự đồng tồn tại giữa các hệ thống đã triển khai trong các băng này bao gồm GSM và WCDMA/HSPA Yêu cầu tính linh hoạt phổ của LTE là phải có khả năng triển khai truy nhập vô tuyến dựa trên LTE trong cả các ấn định băng kép và băng đơn, nghĩa là LTE phải hỗ trợ cả ghép song công phân chia theo tần số (FDD) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD)

Sơ đồ ghép song công hay sắp xếp ghép song công là một thuộc tính của công nghệ vô tuyến Tuy nhiên một cấp phát tần phổ cho trước thường lên kết với một cách sắp xếp song công đặc thù Các hệ thống FDD được triển khai trong các ấn định kép với một băng cho truyền dẫn đường xuống và một băng khác cho truyền dẫn đường lên Các hệ thống TDD được triển khai trong các ấn định băng đơn

Ta xét thí dụ phổ tần IMT-2000 tại 2GHz (có thể coi như “băng gốc” của IMT-2000) Như thấy trên hình 2.1, phổ này gồm một cặp băng tần 1920-

1980MHz và 2110-2170MHz dành cho truy nhập vô tuyến theo FDD và hai băng tần 1910-1920MHz và 2010-2025MHz dành cho truy nhập vô tuyến TDD Lưu ý rằng các quy định địa phương và vùng có thể sử dụng phổ IMT-

2000 khác với phổ được chỉ ra ở đây

Hình 2.1 Cấp phát phổ băng ‘lõi’ IMT-2000 tại 2GHz [10]

Cấp phát băng kép cho FDD trên hình 2.1 là 2x60MHz, nhưng phổ khả dụng cho một nhà khai thác có thể là 2x20MHz hay thậm chí 2x10MHz Trong các băng tần khác thậm chí phổ khả dụng có thể ít hơn

Hình 2.2 Ví dụ về quá trình chuyển dịch từng bước của LTE vào vùng phổ

WCDMA hiện đã triển khai [10]

Ngoài ra việc chuyển dịch vào phổ hiện đang được sử dụng cho các công nghệ truy nhập vô tuyến khác phải được thực hiện từ từ để đảm bảo đủ lượng phổ còn lại cho hỗ trợ các người sử dụng hiện có Như vậy lượng phổ chuyển cho LTE lúc đầu có thể khá nhỏ, nhưng sẽ tăng dần (hình 2.2) Sự

thay đổi các kịch bản phổ có thể có cho thấy cần có một yêu cầu về tính linh hoạt phổ đối với LTE để hỗ các trợ băng thông truyền dẫn.

Yêu cầu tính linh hoạt phổ của LTE chỉ ra rằng LTE phải có khả năng định lại kích cỡ trong miền tần số và hoạt động trong các băng tần khác nhau Yêu cầu tính linh hoạt đưa ra danh sách các ấn định phổ của LTE (1,25; 1,6; 2,5; 5; 15 và 20MHz) Ngoài ra LTE cũng phải có khả năng làm việc trong phổ đơn cũng như phổ kép LTE phải có thể được triển khai trong các băng tần khác nhau Các băng tần được hỗ trợ phải được đặc tả dựa trên “tính độc lập với phát hành”, nghĩa là phát hành đầu của LTE không cần phải hỗ trợ tất

cả các băng ngay từ đầu

Ngoài ra tiêu chuẩn cũng đề cập đến đồng tồn tại với GSM và WCDMA trên các tần số lân cận cũng như đồng tồn tại giữa các nhà khai thác trên các tần số lân cận và các mạng trong các nước khác nhau sử dụng phổ chồng lấn nhau Ngoài ra cũng yêu cầu rằng không cần có thêm hệ thống nào khác để một đầu cuối có thể truy nhập LTE, có nghĩa là LTE phải có tất cả các báo hiệu điều khiển cần thiết cho truy nhập [10]

2.2.4 Kiến trúc và chuyển dịch

3GPP công bố một số nguyên tắc mang tính hướng dẫn cho thiết kế kiến trúc LTE RAN như sau:

- Kiến trúc LTE RAN đơn nhất phải được đồng thuận

- Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói, mặc dù lưu lượng thời gian thực và hội thoại được hỗ trợ

- Kiến trúc LTE RAN phải giảm thiểu sự tồn tại ‘một điểm sự cố’ mà không làm tăng giá thành đường trục

- Kiến trúc LTE RAN phải đơn giản hóa và giảm thiểu số giao diện được đưa ra

- Tương tác giữa lớp mạng vô tuyến (RNL: Radio Network Layer) và lớp mạng truyền tải (TNL: Transport Network Layer) phải không bị cấm nếu cần cải thiện hiệu năng hệ thống

- LTE RAN phải hỗ trợ QoS đầu cuối đầu cuối TNL phải đảm bảo QoS tương ứng do RNL yêu cầu.

- Các cơ chế QoS phải xét đến các kiểu lưu lượng khác nhau để đảm bảo sử dụng băng thông hiệu quả: lưu lượng mặt phẳng điều khiển, lưu lượng mặt phẳng người sử dụng, lưu lượng khai thác và bảo dưỡng…

- LTE RAN phải được thiết kế để giảm thiểu thay đổi trễ (Jitter), chẳng hạn cho TCP/IP

- Kiến trúc phẳng Trong phát triển kiến trúc, trạm gốc được bổ sung thêm trí tuệ, tương tự như xu thế đối với HSPA Lúc đầu kiến trúc UMTS được định nghĩa theo phân cấp, trong đó các chức năng liên quan đến vô tuyến được đặt trong RNC Trong kiến trúc phẳng các chức năng liên quan đến vô tuyến được đặt trong trạm gốc Khi lập biểu gói được đặt trong trạm gốc, quá trình lập biểu sẽ nhanh hơn kể cả lập biểu miền tần số

RB (Radio Bearer): Kênh mang vô tuyến

MME (Mobility Management Entity): Thực thể quản lý di động

SAE (System Archtecture Evolution): Phát triển kiến trúc hệ thống

PDN (Packet Data Network): Mạng số liệu gói

Hình 2.3 Phân chia chức năng giữa mạng truy cập và mạng lõi [10]

3GPP quyết định đặt toàn bộ chức năng vô tuyến trong trạm gốc (hình 2.3) Các chức năng vô tuyến mới trong BTS so với HSPA là: điều khiển liên

kết vô tuyến (RLC), điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) và giao thức hội tụ

số liệu gói PDCP Kiến trúc trên hình 2.3 cho thấy sự phân chia chức năng giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi Trong khi mạng truy nhập vô tuyến chỉ còn một phần tử duy nhất là eNodeB thì nhiều phần tử hơn được sử dụng trong mạng lõi

Từ quan điểm mạng truy nhập vô tuyến, xu thế quan trọng là không cần chuyển giao mềm trong hệ thống Đây cũng là xu thế đã được thực hiện trong HSDPA Trong HSDPA chỉ thông tin điều khiển lớp vật lý là vẫn có phân tập

vĩ mô còn số liệu của người sử dụng không có Đây là một trong các lý do cho phép đặt tất cả các chức năng vô tuyến vào một eNodeB nhờ vậy có thể hỗ trợ kiến trúc phẳng dễ hơn Cũng có thể hỗ trợ phân tập vĩ mô trong kiến trúc phẳng, nhưng cần có các yêu cầu bổ sung đối với các liên kết truyền dẫn giữa các trạm gốc [10]

2.2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Các yêu cầu quản lý tài nguyên vô tuyến được chia thành: (1) hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối, (2) hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn, (3) hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách trên các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau

Hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối yêu cầu một “dịch vụ phối hợp cải tiến” và các yêu cầu về giao thức (bao hàm cả báo hiệu lớp cao hơn) cho các tài nguyên RAN và các đặc tính RAN

Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn yêu cầu rằng LTE RAN phải cung cấp các cơ chế hộ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơn trên giao diện vô tuyến, chẳng hạn nén tiêu đề IP

Hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách trên các công nghệ truy nhập

vô tuyến khác nhau yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hướng dẫn các đầu cuối di động chuyển đến các công nghệ truy nhập vô tuyến tương ứng trong tất cả các kiểu trạng thái cũng như hỗ trợ QoS đầu cuối - đầu cuối trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến [10]

2.2.6 Mức độ phức tạp

Các yêu cầu về mức độ phức tạp của LTE đề cập đến độ phức tạp của toàn bộ hệ thống cũng như độ phức tạp của máy di động đầu cuối Thực chất, các yêu cầu này có nghĩa là phải giảm thiểu các tùy chọn và đảm bảo các tính năng bắt buộc không bị thừa Ngoài ra điều này cũng dẫn đến giảm thiểu số lượng các trường hợp thử nghiệm cần thiết [10]

2.2.7 Các khía cạnh chung

Các yêu cầu chung đối với LTE đề cập đến các khía cạnh liên quan đến giá thành và dịch vụ Rõ ràng rằng cần giảm thiểu giá thành trong khi vẫn đảm bảo hiệu năng mong muốn cho các dịch vụ dự kiến Đối với giá thành, các vấn đề về đường trục, bảo dưỡng và khai thác được đề cập Như vậy không chỉ giao diện vô tuyến mà cả truyền tải đến các trạm BS và hệ thống quản lý cũng phải được đề cập trong LTE Trong số các yêu cầu này cũng có một yêu cầu rất mạnh đối với giao diện giữa các nhà cung cấp thiết bị Ngoài

ra cũng yêu cầu đầu cuối phải có giá thấp và tiêu thụ ít công suất [10]

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG THÔNG

TIN DI ĐỘNG LTE

3.1 Mục đích của quá trình chuyển giao

Lý do cơ bản của quá trình chuyển giao là kết nối vô tuyến không thỏa mãn một bộ tiêu chuẩn nhất định và do đó hoặc UE hoặc E-UTRAN sẽ thực hiện các công việc để cải thiện kết nối đó Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gói, chuyển giao thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gói không thành công Các điều kiện chuyển giao thường gặp là: điều kiện chất lượng tín hiệu, tính chất di chuyển của thuê bao, sự phân bố lưu lượng, băng tần…

Điều kiện chất lượng tín hiệu là điều kiện khi chất lượng hay cường độ tín hiệu vô tuyến bị suy giảm dưới một ngưỡng nhất định Chuyển giao phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được thực hiện cho cả hướng lên hoặc hướng xuống của đường truyền dẫn vô tuyến

Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng xảy ra khi lưu lượng của cell đạt tới một giới hạn tối đa cho phép hoặc vượt quá ngưỡng giới hạn đó Khi

đó các thuê bao ở ngoài rìa của cell (có mật độ tải cao) sẽ được chuyển giao sang cell bên cạnh (có mật độ tải thấp)

Số lượng chuyển giao phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thuê bao Khi UE di chuyển theo một nhất định không thay đổi, tốc độ di chuyển của

UE càng cao thì càng có nhiều chuyển giao thực hiện trong E-UTRAN

Quá trình chuyển giao sẽ giúp cho các UE không bị mất kết nối trong quá trình di chuyển từ cell này đến cell khác, từ mạng này đến mạng khác

3.2 Các trạng thái của LTE

Trong LTE, đầu cuối có thể nằm trong một số trạng thái như minh họa trên hình 3.1 Khi bật nguồn, đầu cuối di động nhập vào trạng thái LTE-DETACHED Trong trang thái này mạng không biết đầu cuối Trước khi có thể thực hiện bất kỳ một cuộc truyền tin nào giữa đầu cuối di động và mạng,