Đồ án nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTE advanced

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến Tín hiệu tế bào chuẩn DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp EDGE Enhanced Data Rates for GSME volution Tốc

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

3G The third gerneration Thế hệ thông tin di động

thứ ba4G The fourth gerneration Thế hệ thông tin di động

thứ tư3GPP Third Generation

PartnershipProject

Dự án các đối tác thế hệ thứba

AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

AMPS Advanced Mobile

Phone System

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

Tín hiệu tế bào chuẩn

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

EDGE Enhanced Data Rates

for GSME volution

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho GSM phát triển

EPC Evolved Packet Core Mạng lõi gói phát triển

EPS Evolved Packet System Hệ thống gói dữ liệu phát

triểnFDD Frequency Division

Duplex

Phân chia tần số song công

GPRS General packet radio

service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System for

Mobile Communications

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

HARQ Hybrid Automatic

Repeat Request

Chuẩn yêu cầu lặp tự động

HSCSD High Speed Downlink

Truy nhập gói tốc độ cao

IP Internet Protocol Giao thức internet

ITU International

Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

MIMO Multiple Input Multiple

Output

Đa đầu vào, đa đầu ra

MME Mobility Managerment Phần tử quản lí tính di động

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

S-GW Serving Gateway Cổng phục vụ

SC-FDMA Single Carrier

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần

số đơn song mang

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ dữ liệu trên nhiễu

TD-SCDMA Time Division

Synchronous Code Division Multiple Access

Phân chia theo thời gian –

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ

TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời

gian

UE User Equipment Thiết bị người dùng

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

UTRAN Universal Terrestrial

Radio Access Network

Mạng truy cập vô tuyến mặtđất toàn cầu

WCDMA Wideband Code

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã bang rộng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lí do chọn đề tài

Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu,trước xu hướng tích hợp và IP hóa đã đặt ra yêu cầu mới đối vớicông nghiệp Viễn thông di động Trong bối cảnh đó người ta đãchuyển hướng sang nghiên cứu và triển khai hệ thống thông tin diđộng mới có tên gọi 4G dựa trên nền tảng là công nghệ LTE (LongTerm Evolution)

Hiện nay, trên thế giới, các nước Bắc Mỹ và Bắc Âu đã bắtđầu triển khai các mạng Viễn thông 4G dung công nghệ LTE TạiViệt Nam, công nghệ 4G/LTE đã được thử nghiệm bởi Ericssion phốihợp với Bộ thông tin và Truyền thông trong năm 2010 Đến nay, BộThông tin và Truyền thông đã cấp phép thử nghiệm 4G/LTE trongmột năm cho năm đơn vị, gồm: VNPT, Viettel, FPT, tập đoàn Côngnghệ CMC vf tổng công ty VTC Trong giai đoạn 1, dự án thửnghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng 4G/LTE sẽ phủ songtại khu vực Hà Nội có tốc độ truy cập Internet lên đến 60 Mbps.Trạm BTS dung công nghệ 4G/LTE đã được lắp xong vào ngày10/10/2010, đặt tại Cầu Giấy, Hà Nội

Công nghệ LTE ngày càng được cải tiến, sử dụng các côngnghệ được đổi mới từ đó công nghệ LTE đang là một trong nhữnglựa chọn hàng đầu cho các nhà cung cấp dịch vụ di động trên toàncầu

Xuất phát từ thực trạng trên, em đã lựa chọn đề tài “Nghiêncứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTE-Advanced”nhằm mục đích tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ mạng di độngthế hệ mới LTE

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu kiến thức về mạng LTE và phiên bản mới nhất làLTE-Advanced

- Tìm hiểu kĩ thuật chuyển tiếp trong mạng di đông LTE.

- Tìm hiểu về phần mềm Matlab và sử dụng phần mềm này

để mô phỏng kĩ thuật chuyển tiếp trong mạng LTE

1.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

- Nội dung đề tài nghiên cứu một cách tổng quan về côngnghệ mạng LTE cũng như kĩ thuật chuyển tiếp trong côngnghệ LTE

- Nội dung mô phỏng của đề tài dừng lại ở việc phân tíchđánh giá ưu điểm khi sử dụng trạm relay để giảm côngsuất tiêu thụ, không đi sâu vào cáo vấn đề khác

1.4 Kết quả dự kiến đạt được

- Có kiến thức tổng quan về công nghệ LTE

- Có kiến thức tổng quan về kic thuật chuyển tiếp trongcông nghệ mạng LTE

- Cài đặt và sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng sự cảithiện mức công suất tiêu thụ khi sử dụng các nút chuyểntiếp trong mạng LTE

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động

2.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệthống truyền tín hiệu tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiêncủa nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979 Những côngnghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất nào có thể kể đến là :

- NMT (Nordic Mobile Telephone – Điện thoại di động BắcÂu) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga

- AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – Hệ thống điệnthoại di đông tiên tiến) được sử dụng ở Mĩ và Úc

- TACS (Total Access Communication Sytem – Hệ thốngtruyền thông truy nhập toàn phần ) được sử dụng ở Anh.Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịchtruyền chủ yếu là thoại Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghetrộm bởi bên thứ ba Những điểm yếu của hệ thống 1G là dunglượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọikhông tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảomật… do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sửdụng

2.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Hệ thống thông tin thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến sốcho việc truyền tải Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượnglớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất Một kênh tần số thìđồng thời dược chia ra cho nhiều người dung (bởi việc chia theo

mã hoặc chia theo thời gian) Sự sắp xếp có trật tự các tế bào, mỗikhu vực phục vụ thì được bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bàolớn và một phần của những tế bào đã làm tăng dung lượng của hệthống xa hơn nữa Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: HệThống Thông Tin Di Động Toàn Cầu (GSM) và những dẫn xuất củanó; AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; vàMạng tế bào Số Cá Nhân (PDC) GSM đạt được thành công nhất vàđược sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G

- GSM: GSM cơ bản sử dụng bằng tần số 900MHz Sử dụng

kỹ thuật đa truy cập theo thời gian TDMA Tuy nhiên, GSMmới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và tin nhắn, trongkhi nhu cầu truy cập Internet và cá dịch vụ từ người sửdụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.5G

- EDGE (Ennhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ

số liệu tang cường để phát triển GSM: EDGE có thể pháttriển nhiều bit gấp 3 lần trong GPRS trong một chu kì

Mặc dù hệ thống thông tin di động 2G được coi là những tiến

bộ đáng kể nhưng vẫn gặp phải các hạn chế sau: Tốc độ thấp vàtài nguyên hạn hẹp Vì thế cần thiết phải chuyển đổi trên mạng

thông tin di động thế hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền sốliệu, nâng cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ… Mặt khác,khi các hệ thông thông tin di đông ngày càng phát triển, không chỉ

số lượng người sử dụng điện thoại di động tăng lên, mở rộng thịtrường mà người sử dụng còn đòi hỏi cá dịch vụ tân tiến hơn khôngchỉ là các dịch vụ cuộc gọi truyền thống vè dịch vụ số liệu tốc độthấp hiện có trong mạng hiện tại Nhu cầu thị trường có thể phânloại thành các lĩnh vực như: Dịch vụ dữ liệu trên máy tính, dịch vụviến thông, dịch vụ nội dung số như âm thanh hình ảnh Những lý

do trên thúc đẩy cá tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thôngtin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và đã áp dụng trongthực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động: Thông tin diđộng 3G

2.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)

Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (InternationalMobile telecommunication -2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểmchính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là :

- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

- Các dịch vụ tin nhắn (E-mail, fax, SMS, chat )

- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình,nghe nhạc…)

- Truy cập Internet (duyệt Web, tải tài liệu…)

Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tươngthích toàn cầu giữa các hệ thống Để thỏa mãn cá dịch vụ đaphương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập internet bangthông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưngthực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giaorất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới đượcđáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là

384 Kbs, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbs

Các hệ thống 3G điển hình là:

UMTS (Universal Mobile Telephone System) dựa vào côngnghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đangphát triển khai thác hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G UMTSđược hỗ trợ Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP tổ chứcchịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM,GPRS UMTS hoạt động ởbăng thông 5MHz, cho phép cá cuộc gọi có thể chuyển giao mộtcách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có Những đặcđiểm cỉa WCDMA như sau:

- WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữliệu Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh

- Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụđược phân tầng, không giống như mạn GSM, Ở trên cùng

là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm như triển khainhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa.Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp cácquy trình và cho phép mạng lưới có thể được phân chialinh hoạt Cuối cùng là tầng kết nối, bất kì công nghệtruyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu âmthanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP

- Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tậptrung vào UMTS tầng số cấp phát trong 2 băng đường lên(1885 MHz-2025 MHz) và đường xuống (2110 Mhz – 2200MHz) Sự phát triển của WCDMA lên 3.5G là HsxPA

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

sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMAtrong thế hệ 2 CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chứcđộc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS

CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps.

2.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)

Hệ thống thông tin di động 4G đã được đưa vào khai thác và

sử dụng tại một số quốc gia phát triển trên thế giới từ năm 2012.Với sự đột phá về dung lượng, hệ thống thông tin di động 4G cungcấp những dịch vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt thường nhật,công việc cũng như có sự tác động lớn đến lối sống của chứng tatrong tương lai gần Cụ thể trong các khía cạnh của cuộc sốngđược trình bày dưới đây:

• Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học

Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bịđầu cuối, học sinh, sinh viên, nhà nghiên cứu khoa học có thể traođổi thông tin, hình ảnh cần thiết cho việc học tập, nghiên cứu màkhông có rào cản nào về mặt khoảng cách cũng như ngôn ngữ.Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống 4G (điện thoại, đồng hô…)

có tích hợp camera có chức năng thông dịch ngôn ngữ tự độnggiúp trao đổi thông tin trực tiếp

• Giải trí

Hệ thống di động 4G cho phép sử dụng hệ thống trò chơi, âmnhạc, video và các nội dung liên quan Những trò chơi, hình ảnh cóthể được truy cập ở bất kì nơi nào với những nội dung cực kì phongphú, đa dạng.

• Truyền thông hình ảnh

Hệ thống di động 4G cũng được ứng dụng trong việc trao đổithông tin giữa các điểm cách xa nhau Một đoạn phim của một sựkiện thể thao có thể được gửi bởi một máy quay gắn trên một máythu phát càm tay và được gửi tức thời đến bất kì đâu dù tỏng hayngoài nước

• Thương mại di động

Hệ thống di động 4G được ứng dụng trao đổi và thỏa thuậnmua bán hàng hóa Chỉ bằng thiết bị di động cầm tay người sửdụng có thể thu được các thông tin về sản phẩm, đặt hàng, thanhtoán bằng tài khoản di động thông qua thiết bị di động

• Cuộc sống thường nhật

Công nghệ xác thực cá nhân tiên tiến cho phép người sửdụng mua những hàng hóa đắt tiền một cách an toàn và thanhtoán bằng tài khoản thông qua mạng di động Dữ liệu được tải từ

cá thiết bị di động có thể sử dụng như các thẻ thanh toán, thẻ ravào, thẻ thành viên Các dịch vụ di động cũng được sử dụng trongcuộc sống như: tải các chương trình tivi trên các máy chủ đặt tạigia đình lên thiết bị di động và xem chúng khi đi ra ngoài hoặc sửdụng thiết bị cầm tay điều khiển robot từ xa

• Điều trị và chăm sóc sức khỏe

Những dữ liệu về sức khỏe có thể tự động gửi đến bệnh việntheo thời gian thực từ các thiết bị mang tên bệnh nhân, nhờ đó cácbác sĩ có thể thực hiện việc kiểm tra sức khỏe hoặc xử lý tức thìcác tình trạng khẩn cấp

• Điều trị trong các tình trạng khẩn cấp

Phương tiện truyền thống di động được sử dụng cho cấp cứukhẩn cấp ngay sau khi tai nạn giai thông xảy ra Vị trí của tai nạn

sẽ được thông báo tự động bằng cách sử dụng thông tin định vị,khi đó các bác sĩ tại trung tâm y tế đưa ra các chỉ dẫn sơ cứu chobệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhân qua màn hình Các

dữ liệu y tế cũng được truyền ngay lập tức tới các xe cứu thươnghoặc bệnh viện thông qua mạng di động

• Ứng dụng trong thảm họa thiên tai

Hệ thống thông tin báo động đóng vai trò là thiết bị thông tinquan trọng trong trường hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phéptruyền tin đi hình ảnh thực trạng của các khu vực xảy ra thảm họa

Do đó tại những nơi thảm họa không xảy ra tất cả các lãnh đạochính phủ, phương tiện truyền thông đại chúng và người dân nóichung có thể chia sẻ thông tin

2.2 Kiến trúc mạng LTE và tổng quan về mạng Advanced

hệ thống 3G Một thay đổi lớn nữa là phần điều khiển mạng vôtuyến (RNC) được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nóhiện nay được thành lập ở eNB Một số ích lợi của một nút duynhất trong mạng truy nhập là giảm độ trễ và phân phối của việc xử

lý tải RNC vào nhiều eNB Việc loại bỏ RNC ra khỏi mạng truy nhập

có thể một phần do hệ thống LTE không hỗ trợ chuyển giaomềm

Hình 2-1: Kiến trúc cơ bản của mạng LTE

UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ởlớp kết nối Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thốnggói phát triển (EPS) Chức năng chính của lớp này là cung cấp kếtnối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất.Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên IP, tất cả các nútchuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong Cấu trúc 3GPPtrước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC Công nghệ IP chiếm ưuthế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động vàtruyền tải trên IP

Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút Bphát triển (eNode B) Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó,tức là eNB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có

liên quan E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeBđược kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2.

Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõitrong hệ thống 3G, và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói Vìvậy, nó có một cái tên mới: Evolved Packet Core (EPC)

Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đãđược giảm EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳngngười dùng và mặt phẳng điều khiển Một node cụ thể được địnhnghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết nối mạngLTE với internet và những hệ thống khác EPC gồm có một vài thựcthể chức năng

a) Thiết bị người dùng (UE)

UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc.Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thôngminh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn đang sử dụng hiệntại trong mạng 2G và 3G Hoặc nó có thể được nhúng vào, ví dụmột máy tính xách tay UE cũng có chứa các mođun nhận dạngthuê bao toàn cầu (USIM) USIM được sử dụng để nhận dạng vàxác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việctruyền tải trên giao diện vô tuyến

Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyềnthông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ cácliên kết thông tin người dùng cần Điều này bao gồm các chứcnăng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết

bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng Có lẽ quantrọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử dụng cho ngườidùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được sử dụng để thiếtlập một cuộc gọi thoại

b) E-UTRAN NodeB (eNodeB)

Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB (eNodeB) Đơngiản đặt eNB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức

năng vô tuyến liên quan trong phần cố định của hệ thống Cáctrạm gốc như eNB thường phân bố trên toàn khu vực phủ sóng củamạng Mỗi eNB thường cư trú gần các anten vô tuyến hiện tại củachúng

Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp là

UE và EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến vềphía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kếtnối IP cơ bản tương ứng về phía EPC Trong vai trò này các EPCthực hiện mã hóa giải mã các dữ liệu UP, và cũng có nén giải néntiêu đề IP, tránh việc gửi đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếptrong tiêu đề IP.eNB cũng chịu trách nhiệm về nhiều các chứcnăng của mặt phẳng điều khiển (CP) eNB chịu trách nhiệm vềquản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm sóat việc sử dụnggiao diện vô tuyến, bao gồm: phân bổ tài nguyên dựa trên yêucầu, ưu tiên và lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, và liêntục giám sát tình hình sử dụng tài nguyên

Ngoài ra eNodeB còn có vai trò quan trọng trong quản lý tính

di động (MM) Điều khiển eNB và đo đạc phân tích mức độ của tínhiệu vô tuyến được thực hiện bởi UE Điều này bao gồm trao đổi tínhiệu chuyển giao giữa eNB khác và MME Khi một UE mới kích hoạttheo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNB cũng chịu tráchnhiệm về việc định tuyến khi này nó sẽ đề nghị các MME mà trướcđây đã phục vụ cho UE, hoặc lựa chọn một MME mới nếu mộttuyến đường đến các MME trước đó không có sẵn hoặc thông tinđịnh tuyến vắng mặt

Hình 2-2: ENodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính

Hình trên cho thấy các kết nối với eNB đã đến xung quanhcác nút logic, và tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này.Trong tất cả các kết nối eNB có thể là trong mối quan hệ một –nhiều hoặc nhiều – nhiều Các eNB có thể phục vụ đồng thờinhiều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kếtnối tới một eNB trong cùng một thời điểm Các eNB sẽ cần kết nốitới các eNB lân cận với nó trong khi chuyển giao có thể cần thựchiện

Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại, có nghĩa là một tậphợp các nút được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNB

Từ một viễn cảnh eNB đơn này có nghĩa là nó có thể cần phải kếtnối tới nhiều MME và S-GW Tuy nhiên mỗi UE sẽ được phục vụ bởichỉ có một MME và S-GW tại một thời điểm và eNB phải duy trìtheo dõi các liên kết này Sự kết hợp này sẽ không bao giờ thayđổi từ một điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ cóthể thay đổi khi kết hợp với sự chuyển giao liên eNodeB

c) Cổng phục vụ ( S-GW)

Trong cấu hình Cấu trúc cơ bản hệ thống, chức năng cao cấpcủa S-GW là quản lý đường hầm UP và chuyển mạch S-GW là mộtphần của hạ tầng mạng nó được duy trì ở các phòng điều hànhtrung tâm của mạng.

Hình 2-3: Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính

Trong hình trên cho thấy S-GW được kết nối tới các nút logickhác và danh sách các chức năng chính trong các giao diện này.Tất cả các giao diện được cấu hình theo kiểu một – nhiều từ S-GWđược thấy Một S-GW có thể chỉ phục vụ một khu vực địa lý nhấtđịnh với một tập giới hạn các eNodeB, và tương tự có thể có mộttập giới hạn của các MME điều khiển khu vực đó S-GW có thể kếtnối tới bất kỳ PGW nào trong toàn bộ mạng lưới, bởi vì P-GW sẽkhông thay đổi trong khi di chuyển, trong khi S-GW có thể đượcđịnh vị lại trong khi UE di chuyển Với các kết nối có liên quan tớimột UE, S-GW sẽ luôn báo hiệu với chỉ một MME và các điểm UPtới một eNodeB tại một thời điểm Nếu một UE được phép kết nốitới nhiều các PDN thông qua các P-GW khác nhau, thì S-GW cầnkết nối tới các thành phần riêng biệt Nếu giao diện S5/S8 là dựatrên PMIP thì S-GW sẽ kết nối tới một PCRF cho mỗi P-GW riêngđược UE sử dụng

d) Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW)

Cổng mạng dữ liệu gói ( P-GW, cũng thường được viết tắt làPDN-GW) là tuyến biên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bênngoài Nó là nút cuối di động mức cao nhất trong hệ thống, và nóthường hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho UE Nó thựchiện các chức năng chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi cácdịch vụ được đề cập Tương tự như S-GW, các P-GW được duy trìtại các phòng điều hành tại một vị trí trung tâm

Hình 2-4: P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính

Điển hình là P-GW cấp phát các địa chỉ IP cho UE, và UE sửdụng nó để giao tiếp với các máy chủ IP khác trong các mạng bênngoài.( ví dụ như Internet ) Nó cũng có thể là PDN bên ngoài mà

UE đã được kết nối cấp phát các địa chỉ đó là để sử dụng bởi các

UE, các đường hầm P-GW cho tất cả lưu lượng vào mạng đó Địachỉ IP luôn được cấp phát khi UE yêu cầu một kết nối PDN, nó sẽdiễn ra ít nhất là khi UE được gắn vào mạng, và nó có thể sảy rasau khi có một kết nối PDN mới Các P-GW thực hiện chức nănggiao thức cấu hình máy chủ động (DHCP) khi cần, hoặc truy vấnmột máy chủ DHCP bên ngoài

2.2.2 Tổng quan về mạng LTE-Advanced

LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) là bước pháttriển mới của công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này đượcchuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9 Dự án đượcnghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với các đặc tảđược hoàn thành vào quí 2 năm 2010 như là một phần của Release

10 nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệcông nghệ vô tuyến di động thứ 4 (4G) IMT-Advance được thiết lậpbởi ITU LTE Advance sẽ tương thích ngược và thuận với LTE, nghĩa

là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE-Advanced mới vàcác mạng LTE cũ

Gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT-Advance nhằm tạo

ra định nghĩa chính thức về 4G Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên cácmạng tuân theo các yêu cầu của IMT-Advance xoay quanh báo cáoITU-R M.2134 Một số yêu cầu then chốt bao gồm:

 Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 40 MHz

 Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)

 Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử sửdụng MIMO 4x4)

 Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6,75 b/s/Hz (giả sử sửdụng MIMO 4x4)

 Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1,5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/sthường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G)

Hiện tại chưa có công nghệ nào đáp ứng những yêu cầu này Nó đòi hỏi nhữngcông nghệ mới như là LTE-Advanced và IEEE 802.16m Một số người cố gắng dánnhãn các phiên bản hiện tại của WiMAX và LTE là 4G nhưng điều này chỉ chínhxác đối với phiên bản tiến hóa của các công nghệ trên, chẳng hạn LTE-Advanced,còn LTE chỉ có thể gọi với cái tên không chính thức là 3,9G LTE sử dụng kỹ thuật

đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ở đường xuống Trong khi đó,

ở đường lên, LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóngmang SC-FDMA Một số tính năng khác của LTE:

 Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 326Mb/s với độ rộng băng tần 20MHz

 Tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 86,4 Mb/s với độ rộng băng tần 20MHz

 Hoạt động ở cả chế độ TDD và FDD

 Độ rộng băng tần có thể lên đến 20 MHz bao gồm cả các độ rộng băng 1,4;3; 5; 10; 15 và 20 MHz

 Hiệu quả sử dụng phổ tăng so với HSPA ở Release 6 khoảng 2 đến 4 lần

 Độ trễ giảm với thời gian trễ vòng giữa thiết bị người sử dụng và trạm gốc là

10 ms và thời gian chuyển từ trạng thái không tích cực sang tích cực nhỏ hơn

100 ms

2.3 Những công nghệ thành phần đề xuất cho Advanced

LTE-2.3.1 Truyền dẫn băng rộng và chia sẻ phổ tần.

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ

có thể được thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộngbăng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được cung cấp ở Releaseđầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100 MHzđược thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced Việc mở rộng

độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tínhtương thích phổ Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng

“khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều sóng mang thành phầnLTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cầnthiết Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽxuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầucuối LTE-Advanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kếttập

Hình 2-5 minh họa trường hợp các sóng mang thành phầnliên tiếp nhau mặc dù ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải

là điều kiện tiên quyết Truy nhập đến một lượng lớn phổ liên tục ở

bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên Do đó, LTE-Advanced cóthể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để

xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhaukhông sẵn có Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền

kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi Vì vậy, mặc dù khốikết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổphân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất

Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyềndẫn cao hơn không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quantrọng hơn là công cụ cho việc mở rộng vùng phủ sóng với các tốc

độ số liệu trung bình.

Hình 2-5: Ví dụ về khối kết tập sóng mang 2.3.2 Giải pháp đa anten

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghépkênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn

có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọnghơn trong LTE-Advanced Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấplên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tươngứng ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã.Cấu trúc này cung cấp cả sự ghép theo không gian lên đến bốnlớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như là định dạngchùm (dựa trên sổ mã) Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toànphần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được

tốc độ đỉnh là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced.

Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian trênđường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced Việc tăng số lớptruyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và cóthể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnhthông qua sự mở rộng băng tần

2.3.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải

thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ởthiết bị đầu cuối Định dạng chùm là một cách Ở các mạng hiệntại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị

xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả vềchi phí Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình

xử lí băng gốc ở một nút đơn được mô tả ở hình 2-6 Ở đườngxuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn.Phụ thuộc vào quy mô mở rộng, có 3 phương án A, B, C như sau:

Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyềndẫn xuất phát từ nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý Ở đây, cùng

sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở bộ thu cho truyền dẫn đơnđiểm Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyền đangtồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết

bị cụ thể Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiệndiện của truyền dẫn đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể(sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụng cho việcđánh giá kênh Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cungcấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần

và kết quả là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ởtrong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất

ở trạng thái rỗi

Hình 2-6: Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phảnhồi trạng thái kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuốnghiển thị đối với một thiết bị đầu cuối riêng, trong khi quá trình xử lí

bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn điểm Ở phía mạng,bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực hiệnphối hợp các hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở các điểmtruyền dẫn khác nhau Có thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đitheo không gian đến một thiết bị riêng để giảm can nhiễu giữanhững người sử dụng Loại truyền dẫn đa điểm phối hợp này nóichung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ởtrên nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nócòn cho phép phối hợp can nhiễu giữa những người sử dụng để cảithiện hơn nữa SNR Bởi vì thiết bị đầu cuối không nhận biết việc xử

lí chính xác ở mạng nên cần có các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể

Ở phương án C, báo cáo trạng thái kênh giống như phươngpháp B Tuy nhiên, không giống như B, thiết bị đầu cuối được cungcấp thông tin nhận biết truyền dẫn phối hợp chính xác (từ nhữngđiểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao nhiêu….) Thông tin này có

thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía thiết bịđầu cuối.

Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính đòi hỏi cách ápdụng xử lí tín hiệu thích đáng ở bộ thu Ở nhiều khía cạnh, điềunày tương tự như phân tập ô lớn, vốn đã sử dụng trong nhiều hệthống mạng tế bào hiện nay

2.3.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giảipháp chuyển tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát vàmáy thu xuống và cho phép tăng tốc độ số liệu Các bộ lặp đơngiản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự thu được Khiđược cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được màkhông quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của

nó hay không Những bộ lặp như vậy không hiển thị đối với cả thiết

bị đầu cuối và trạm gốc Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộlặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng

có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tíchcực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điềukhiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực.Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể cũngđược xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng mà trong đócác bộ lặp được bật lên Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn

và lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thườngtrong suốt từ khía cạnh di động

Hình 2-7: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced

Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì sốliệu thu được, ưu tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục

vụ Đây thường được xem là chuyển tiếp giải mã hóa-và-truyềntiếp Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối số liệu thuđược thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms Tuynhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sựthích nghi tốc độ có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗikết nối

Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụthuộc vào các tính năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn haibước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới) nhưng ở mức cao, có thể phânbiệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp được thực hiện ởlớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tựchuyển tiếp (self backhauling))

Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ,không khuếch đại tạp âm), giải pháp self backhauling không yêucầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào để chuẩn hóa bởi

vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thể được

ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN

3.1 Tìm hiểu công nghệ chuyển tiếp (relaying)

3.1.1 Giới thiệu

Trong quá trình chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệtiếp theo, như là 3GPP LTE_advanced, công nghệ trạm chuyển tiếpđang được xem xét và nguyên cứu Một cơ sở hạ tầng mạng dầyđặc có thể được triển khai bằng cách triển khai các trạm chuyểntiếp Relay, điều này làm giảm khoảng cách người dùng thiết bị diđộng UE đến trạm phát sóng do đó đạt tốc độ truyền tải cao hơn.Bán kính vùng phủ sóng và năng lực tại vùng biên giới của Cellphủ sóng vẫn còn tương đối nhỏ do tỉ số SINR thấp Việc phát triểncác Node trạm chuyển tiếp Relay tại các vùng biên giới của Cell

phủ sẽ giúp tăng cường năng lực vùng phủ và mở rộng bán kínhvùng phủ sóng

3.1.2 Phân loại relay

Có một số cách phân loại khác nhau về công nghệ relay Dựatheo phương diện truyền tải ta có hai loại là: Khuếch đại và chuyểntiếp - AF (Amplify-And-Forward), giải mã và chuyển tiếp – DF(Decode-and-Forward) Dựa theo các lớp giao thức được sử dụngtại các trạm chuyển tiếp (RN) ta có ba loại là: relay lớp 1 (hoặc lớp0), relay lớp 2, relay lớp 3

a) AF và DF relay

AF relay và DF relay được phân loại dựa vào cách chúng xử lí

và chuyển tiếp tín hiệu Trong AF relay, các node relay là cácrepeaters, chỉ cần tăng cường độ của tín hiệu nhận được từ nguồn

DF relay có cơ chế chuyển tiếp thông minh hơn và không lặplại toàn bộ tín hiệu DF tiền hành giải mã tín hiệu và tái tạo lại tínhiệu từ nguồn gửi Do đó giải pháp này giúp tận dụng tối ưu đườngtruyền và kiểm soát nhiễu Tuy nhiên, đặc điểm này đi kèm với sựgia tăng về độ phức tạp và chi phí.

Hình 3-2: DF relay

Trong AF relay, tín hiệu nhận được của UE được gửi từ DeNB

và khuếch đại bởi RN Các tạp âm và nhiễu nhận được từ RN cũngđược khuếch đại Vì vậy, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại một UEkết nối với RN có thể được thể hiện như công thức sau:

Ở đây là công suất thu được tại RN từ DeNB, N là

cường độ của tạp âm, PL RN-UE là độ tiêu hao đường truyền giữ a RN

và UE, β là độ khuếch đại của RN

Một DF relay node là một repeater thông minh hơn, chỉtái tạo và khuếch đại những tín hiệu liên quan đến thiết bị ngườidùng được nhắm đến Vì vậy không có tạp âm và nhiễu đượckhuếch đại trong phương án chuyển tiếp DF Do đó, tỉ lệ tín hiệutrên tạp âm và nhiếu (SINR) cho các UE sẽ tăng lên Tỷ lệ SNR ở