THUẬT TOÁN QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống LTE, mục tiêu thiết kế hệ thống và tiềm năng hệ thống. Nghiên cứu về các kỹ thuật được lựa chọn sử dụng trong LTE bao gồm: các kỹ thuật sử dụng cho đường lên và đường xuống, phân tích cấu trúc và nguyên lý hoạt động ở lớp dưới (lớp 2). Nghiên cứu các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến trong LTE. Đồng thời, lựa chọn và kết hợp tinh tế ưu điểm từ các cơ chế để đưa vào sử dụng trong mạng LTE.

Trang 1

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THUẬT TOÁN QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN

VÔ TUYẾN TRONG LTE

Giáo viên hướng dẫn: T.S NGUYỄN VIỆT HƯNG

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Trang 2

………

Điểm: ……(Bằng chữ: ………….)

Ngày tháng năm 2015 Người hướng dẫn T.s Nguyễn Việt Hưng

Trang 3

………

Điểm: ……(Bằng chữ: ………….)

Ngày tháng năm 2015 Người phản biện

Trang 4

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành công nghiệp viễn thông di động đang lao vào cuộc đua 4G với mục tiêucung cấp băng thông di động rộng hơn, tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn để đáp ứngcho xu hướng bùng nổ các dịch vụ đa truyền thông, thỏa mãn nhu cầu người dùngngày càng cao trong xu thế thiết bị đầu cuối đang ngày càng rẻ Băng thông rộng dànhcho di động hiện đang trở thành hiện thực bởi cơn sốt công nghệ mạng 4G hay còn gọi

là mạng LTE (Long Term Evolution) Đây là thế hệ thứ 4 được phát triển từ 3G hiệntại không chỉ mang lại lợi ích cho người tiêu dùng mà còn cho các nhà cung cấp mạng

di động Mạng LTE đang dần thay thế các công nghệ 2G và 3G trước đây để trở thànhmạng chủ lực trên thế giới Với sử mở rộng công nghệ LTE này thì các công nghệtrước đây như CDMA và GSM cũng sẽ cùng tồn tại trên thị trường cung cấp dịch vụmạng

Việt Nam không nằm ngoài xu hướng phát triển chung của thế giới và thời điểmtriển khai 4G tại Việt Nam đã chín muồi Dự kiến Bộ TTTT sẽ cấp phép triển khai 4Gtrong năm 2016 Qualcomm, Samsung cùng cho rằng, năm 2015 là thời điểm vàng đểViệt Nam triển khai 4G Các nhà cung cấp thiết bị đầu cuối tên tuổi trên thế giới đềuhào hứng với cuộc chơi mới mang tên 4G, trước triển vọng mạng băng thông rộng diđộng thế hệ mới sẽ “kích hoạt” một lượng lớn smartphone trang bị chip 4G LTE đangngày càng trở nên phổ biến, do giá thành giảm dần Một điều không thể phủ nhận làvới băng thông rộng, truyền thông tốc độ cao, 4G LTE sẽ tác động mạnh mẽ làm thayđổi nhiều ngành truyền thống như truyền hình, giáo dục, y tế, bán lẻ và nhiều lĩnh vựckhác

Để đảm bảo thực hiện các mục tiêu đề ra của LTE thì việc quản lý tài nguyên vôtuyến (RRM) luôn là vấn đề thiết yếu Chính vì vậy em chọn thực hiện nghiên cứu đềtài “quản lí tài nguyên vô tuyến trong LTE” cho đồ án tốt nghiệp của mình

Nội dung của đồ án gồm 3 chương:

o Chương I: Giới thiệu tổng quan về công nghệ LTE

o Chương II: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE

o Chương III: Các thuật toán quản lý tài nguyên

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếusót Em rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án của mình được hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ban lãnh đạo Học Viện Công Nghệ BưuChính Viễn Thông cùng các thầy cô giáo trong khoa Viễn Thông đã quan tâm, tạo điềukiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập Những kiến thức mà thầy cô đãtruyền đạt, cũng như những bài học những lời khuyên dành cho em chắc chắn sẽ là nhữnghành trang vô cùng quý giá để em bước đi trên con đường đầy chông gai sắp tới

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn đồ án tốtnghiệp T.s Nguyễn Việt Hưng, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quátrình làm đồ án tốt nghiệp Nếu không có sự giúp đỡ, hỗ trợ của thầy đồ án này sẽ khôngthể hoàn thành

Em cũng xin cảm ơn bố mẹ, và các thành viên trong gia đình em, những người bạn,người thân đã luôn động viên em, tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành tốt đề tài này.Cuối cùng, tôi cũng muốn cảm ơn tất cả những người bạn tuyệt vời ở ngôi trườngHọc Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Những người đã sát cánh cùng tôi tronggần 4 năm đại học, chúng tôi đã cùng nhau chia sẽ những khoảnh khắc vui vẻ và tuyệtvời, chính nó đã tạo lên quãng đời sinh viện đầy ý nghĩa và thú vị ở Học Viện

Xin chân thành cám ơn!

Trang 6

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

MỤC LỤC 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 13

1.1.Giới thiệu 13

1.1.1 Định nghĩa 13

1.1.2 Mục tiêu của công nghệ LTE 13

1.1.3 Lợi ích từ mạng LTE 14

1.2 Yêu cầu của hệ thống LTE 14

1.2.1 Tính năng hệ thống 14

1.2.2 Hiệu suất hệ thống 15

1.2.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến 17

1.2.4 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai 17

Bảng 1.2: Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA 18

1.2.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển 20

1.3 Kiến trúc mô hình LTE 20

1.4 Tổng kết chương 22

CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE 25

2.1 Kỹ thuật đa truy nhập 25

2.1.1 Kỹ thuật phân chia theo tần số trực giao OFDM 25

2.1.2 Đường xuống OFDMA 35

2.1.3 Đường lên – SC-FDMA 36

2.2 Kỹ thuật MIMO 38

2.2.1 Mã hóa Turbo 39

2.2.2 Thích ứng đường truyền 40

2.6 Lập biểu phụ thuộc kênh 41

2.7 HARQ với kết hợp mềm 41

2.3 Lớp 2 (MAC, RLC, PDCP) 41

Trang 7

2.3.1 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) 41

2.3.2 MAC: điều khiển truy nhập môi trường 43

2.3.3 HARQ với kết hợp mềm 48

2.4 Tổng kết chương 49

CHƯƠNG III: 51

CÁC THUẬT TOÁN QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN 51

3.1 Các thuật toán lập biểu tài nguyên 51

3.1.1 Thuật toán phân bổ tài nguyên công bằng tỉ lệ 51

3.1.2 Kế hoạch lập biểu tài nguyên dựa trên nhiễu tối đa 52

3.1.3 Kế hoạch lập biểu quay vòng 52

3.1.4 Thuật toán lập biểu tài nguyên và tái sử dụng tần số 52

3.1.5 Thuật toán lập biểu tài nguyên dựa trên phân bổ động 53

3.1.6 Lập biểu đường lên 53

3.2 Các thuật toán triển khai 54

3.2.1 Xác suất nhiễu 54

3.2.2 Quản lý công suất đường lên 59

3.2.3 Thực hiện 60

3.3 Phân tích hiệu suất 61

3.3.1 Quản lý nhiễu tĩnh tái sử dụng tần số hệ số 1 và tái sử dụng tần số hệ số 3 61

3.3.2 Phương án quản lý nhiễu động 63

3.3.3 Cơ chế phân lập từng phần 64

TỔNG KẾT 67

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỤC LỤC 6

1.1.1 Định nghĩa 13

2.3 Lớp 2 (MAC, RLC, PDCP) 41

8

Trang 9

TỔNG KẾT 67

9

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỤC LỤC 6

1.1.1 Định nghĩa 13

2.3 Lớp 2 (MAC, RLC, PDCP) 41

Trang 11

TỔNG KẾT 67

Trang 12

ACK Acknowledgement Báo nhận

AGW Access Gateway Cổng truy nhập

AM Acknowledged Mode Chế độ công nhận

AMC Adaptive Modulation And

Coding

Mã hóa và điều chế thích ứng

ARQ Automatic Repeat-request Yêu cầu phát lại tự động

AWGN Additive Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng báBCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít

BLER Block-Error Rate Tỷ số lỗi khối

BSC Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

CP Cyclic Prefix Tiền tố chu trình

D DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DCH Dedicated Channel Kênh riêng

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc

DFTS-OFDM

DFT-Spread OFDM OFDM trải phổ

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Kênh số liệu vật lý riêng

Trang 13

ChannelDSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

E E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh dành riêng tăng cường

eNodeB E-UTRAN NútB Nút B của E-UTRAN

F

FCC Federal Communications

Commission

Ủy ban thông tin liên bang

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia

theo tần sốFDM Frequency Division

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global Sytem For Mobile

Communications

Hệ thống truyền thông diđộng toàn cầu

H

HSDPA High Speed Downlink

Packet Access

Truy nhập gói đường xuốngtốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSUPA High Speed Uplink Packet

Telecommunications 2000

Thông tin di động quốc tế2000

L LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

M MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trườngMBS Multicast Broadcast Service Dịch vụ đa phương quảng

báMIMO Multiple Input Multiple Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Trang 14

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theotần số

trực giao

P

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên

trung bìnhPCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi

PCH Paging Channel Kênh tìm gọi

PDCCH Physical Downlink Control

ChannelPacket Data Convergence

Kênh điều khiển vật lýđường xuống

PDCP Packet Data Convergence

Protocol

Giao thức hội tụ số liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared

Channel

Kênh chia sẻ vật lý đườngxuống

PDU Protocol Data Unit Khối số liệu gói

S SC-FDMA Single Carrier FDMA FDMA đơn sóng mang

theo thời gian

UE User Equipment Thiết bị người dùng

UTRAN UMTS Terrestrial Radio

Access Network

Mạng truy nhập vô tuyếnmặt đất toàn cầu

CHƯƠNG I:

Trang 15

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1.Giới thiệu

1.1.1 Định nghĩa

Băng thông rộng dành cho di động hiện đang trở thành hiện thực bởi cơn sốt côngnghệ mạng 4G hay còn gọi là mạng LTE (Long Term Evolution) Đây là thế hệ thứ 4được phát triển từ 3G hiện tại không chỉ mang lại lợi ích cho người tiêu dùng mà còn chocác nhà cung cấp mạng di động

Mạng LTE đang dần thay thế các công nghệ 2G và 3G trước đây để trở thành mạngchủ lực trên thế giới Mở rộng công nghệ LTE vẫn cho phép các công nghệ trước đây nhưCDMA và GSM cũng sẽ cùng tồn tại trên thị trường cung cấp dịch vụ mạng Đặc biệt làtrong xã hội ngày nay nhu vầu về trao đổi thông tin , truyền dữ liệu, các dịch vụ trên cácthiết bị di động càng cao Các hệ thống thông tin di động 2G, 2,5G và đặc biệt là 3G vẫnđang hoạt động khá trơn chu và ngày càng phát triển với những thế mạnh của mình tuynhiên chúng vẫn phần nào chưa đáp ứng được nhưng mong đợi của nhưng khách hàng cónhu cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao Hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệLTE được phát triển sẽ giải quyết được những khó khăn trên

Tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài chocông nghệ di động LTE, đặt ra yêu cầu cao bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin,cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơngiản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết

bị đầu cuối Các sản phẩm LTE đã bắt đầu được các hãng tung ra thị trường

1.1.2 Mục tiêu của công nghệ LTE

- Tăng tốc độ truyền dữ liệu: trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữ liệuđường xuống đỉnh lên tới 326Mbps

- Dải tần co giãn được: có khả năng mở rộng từ 1,4MHz; 3MHz; 5 MHz; 10 MHz;15MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng đượchiệu quả băng thông Mức công suất cao hơn

- Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậmchí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần

- Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng: giảm thời gian để một thiết bị chuyểntừ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

- Sẽ không còn chuyển mạch kênh: tất cả sẽ dựa trên IP Chúng cho phép cung cấpcác dịch vụ linh hoạt hơn và đơn giản với các mạng di động

- Độ phủ sóng từ 5-100km: trong vòng bán kính 5-100km LTE cung cấp tối ưu về

Trang 16

lưu lượng người dùng.

- Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng LTEvẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điều này hết sức quantrọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầngmạng đã có

- Giảm chi phí: là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng

- Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: LTE phải cùng tồn tại và có thể phốihợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện cáccuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóngcủa LTE

1.1.3 Lợi ích từ mạng LTE

Lợi ích lớn nhất từ mạng LTE là khả năng truyền tải dữ liệu tốc độ cao về lý tuyết

có thể tải dữ liệu lớn hơn 100 Mbps và gởi dữ liệu với tốc độ cao hơn 50 Mbps tuỳ thuộcvào băng thông truyền tải dữ liệu mỗi kênh, cấu trúc MIMO và chất lượng mạng Hầu hếtmạng LTE sử dụng dữ liệu ở mức 5Mbps đến 25 Mbps nhưng trong tương lai với nhữngcải tiến mới thì tốc độ sẽ được nâng cao hơn phục vụ cho các dịch vụ Internet

Các thiết bị như máy tính xách tay, smartphone, tablet và thậm chí là thiết bị điện tửhay camera đều sử dụng mạng LTE để truy cập mà không còn sợ những vấn đề như cáccông nghệ trước đang gặp

Các dịch vụ VoIP sử dụng mạng LTE sẽ dần thay thế các dịch vụ gọi và nhắn tinthông thường mang lại lợi ích trong việc tiết kiệm chi phí xây dựng và bảo trì hệ thống,bên cạnh đó là những khả năng như “plug and play”, tự cấu hình và tối ưu sẽ là một lợithế mới đối với công nghệ LTE

1.2 Yêu cầu của hệ thống LTE

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

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h Vẫn hoạt độngtốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển vớitốc độ từ 120 – 350 km/h( thaaajmchis 500km/h tùy băng tần)

- Băng tần sử dụng: LTE có thể triển khai ở nhiều băng tần khác nhau như ở tần số700MHz, 900MHz, 1800MHz, 1900MHz, 2300Mhz

Trang 17

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.4Hz, 3MHz, 5MHz,10MHz, 15MHz và 20MHz cả chiều lên và xuống Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài bănglên và băng xuống bằng nhau hoặc không.

- LTE cung cấp các tốc độ dữ liệu cao hơn cho cả đường lên và đường xuống

- Ngoài làm tăng tốc độ số liệu thữ LTE còn làm giảm trễ gói

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

- Hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹ thuật điềuchế bậc cao 64QAM Mã hóa turbo, mã hóa xoắn cùng với các kỹ thuật vô tuyến bổ sungnhư kỹ thuật MIMO kết quả là thông lượng trung bình tăng lên năm lần so với HSPA

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

và kiến trúc đơn giản hóa Đây là bước chuyển đổi của 3GPP từ hệ thống mạng lõi đangtồn tại kết hợp song song trước đó là chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói sang mạnglõi chỉ sử dụng chuyển mạch gói

LTE phải có thời gian chuyển đổi trạng thái nhỏ hơn 100ms vào trạng thái tích cực

Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ vào trạng tháitích cực Cần đảm bảo trễ trong mặt phẳng U nhỏ hơn 10ms Trễ mặt phẳng U được địnhnghĩa là trễ một chiều giữa một gói lóp IP trong UE (hoặc nút biên của UTRAN) đến lớp

IP trong nút biên của UTRAN (hoặc UE) Nút biên của UTRAN là nút giao diện UTRANvới mạng lõi Cần phải đảm bảo trễ mặt phẳng U của LTE nhỏ hơn với 5ms trong điềukiện không tải (nghĩa là một người sử dụng với một luồng số liệu) đối với gói nhỏ (chẳnghạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề) Rõ ràng rằng các chế độ ấn định băng thông củaLTE có thể ảnh hưởng đáng kể lên trễ

Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất

200 thiết bị đầu cuối di động ở trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần 5MHz.Trong mỗi phân bố rộng hơn 5MHz thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ Sốlượng thiết bị đầu cuối không tích cực trong ô không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể làcao hơn một cách đáng kể

Trang 18

được áp dụng Tương tự, ghép kênh không gian cũng không được áp dụng trong hệ thốngchuẩn.

Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố ngườidùng trung bình và tại sự phân bố người dùng phân vị thứ 5 (khi mà 95% người dùng cóđược chất lượng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ, và trong thuộc tínhnày thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo ô tính theo bit/s/MHz/ô.Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong Bảng 1.1

Bảng 1.1: Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

Phương pháp đo hiệu suất Mục tiêu đường xuống

Hiệu suất phổ (bit/s/Hz/ô) 3 – 4 lần 2 – 3 lần

Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết bị đầucuối di động Tại tốc độ thấp, 0-15 km/h thì hiệu suất đạt được là tối đa, và cho phép giảm

đi một ít đối với tốc độ cao hơn Tại vận tốc lên đến 120 km/h, LTE vẫn cung cấp hiệusuất cao và đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống phải duy trì được kết nối trên toànmạng ô Tốc độ tối đa có thể quản lý đối với một hệ thống LTE có thể được thiết lập đến

350 km/h (hoặc thậm chí đến 500 km/h tùy thuộc vào băng tần) Một yếu tố quan trongđặc biệt là dịch vụ thoại được cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lượng màWCDMA/HSPA hỗ trợ

Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi ô (bán kính), nghĩa làkhoảng cách tối đa từ tâm ô đến thiết bị đầu cuối di động trong ô Đối với phạm vi ô lênđến 5 km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫnđược đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những ô có bán kínhlên đến 30 km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng và hiệu suất phổthì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được Tuy nhiên, yêu cầu

về độ di động vẫn được đáp ứng Khi mà phạm vi ô lên đến 100 km thì không thấy có đặctính kỹ thuật về yêu cầu hiệu suất nào được nói rõ trong trường hợp này

Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: quảng bá và đơn hướng.Nhìn chung, LTE sẽ cung cấp những dịch vụ tốt hơn so với những gì có thể trong phiênbản 6 Yêu cầu đối với trường hợp quảng bá là hiệu suất phổ 1 bit/s/Hz, tương ứng vớikhoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300 kbit/s trong mỗi phân bố phổ

Trang 19

tần 5MHz Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ một dịch vụ trên mộtsóng mang, cũng như là kết hợp với các dịch vụ non-MBMS khác Và như vậy thì đươngnhiên đặc tính kỹ thuật của LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch

vụ MBMS

1.2.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau : hỗ trợ nângcao cho chất lượng dịch vu đầu cuối tới đầu yêu cầu cải thiện sự giữa thích ứng dịch vụ,ưng dụng và các điaàu kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn ) với tài nguyênRAN và các đặc tính vô tuyến

Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khảnăng cung cấp cơ cấu để hỗ trọ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ởlớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu đề IP( IP header).Việc hỗ trợ chia sẻ tài nguyên và quản lý chính sách thông qua các công nghệ truycập vô tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đén việc lựa chọn lại các cơ cấu để địnhhướng các thiết bị đầu cuối di động như là hỗ trọ QoS end to end trong quá trình chuyểngiao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến

1.2.4 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

Các yêu cầu liên quan đến việc triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, độ linhhoạt phổ, trải phổ, sự cùng tồn tại và làm việc với nhau giữa LTE với các công nghệ truycập vô tuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/HSPA Những yêu cầu về kịch bảntriển khai bao gồm: trường hợp mà hệ thống LTE được triển khai như là một hệ thống độclập và trường hợp mà LTE được triển khai đồng thời với WCDMA/HSPA hoặc GSM Do

đó mà yêu cầu này sẽ không làm giới hạn các tiêu chuẩn thiết kế

Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các hệ thống 3GPP khác vànhững yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh động giữa LTE vàGSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di động hỗ trợ những côngnghệ này Bảng 1.2 liệt kê những yêu cầu về sự gián đoạn, đó là, thời gian gián đoạn dàinhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển giữa các công nghệ truy cập vô tuyến khácnhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Có một điều đáng chú ý lànhững yêu cầu này không được chặt chẽ cho lắm đối với vấn đề gián đoạn trong chuyểngiao và hy vọng khi mà triển khai thực tế thì sẽ đạt được những giá trị tốt hơn đáng kể

Trang 20

Bảng 1.2: Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA

Yêu cầu về việc cùng tồn tại và có thể làm việc với nhau cũng xác định việc chuyểnđổi lưu lượng đa phương từ phương pháp quảng bá trong LTE thành phương pháp đơnhướng trong cả GSM hoặc WCDMA, mặc dù không có số lượng cho trước

Độ linh hoạt phổ và việc triển khai

Nền tảng cho những yêu cầu về độ linh hoạt phổ là những điều kiện để LTE có thểđược triển khai trên những băng tần IMT-2000 hiện hành, nghĩa là khả năng cùng tồn tạivới các hệ thống đã được triển khai trên những băng tần này, bao gồm WCDMA/HSPA

và GSM Một phần liên quan đến những yêu cầu LTE về mặt độ linh hoạt phổ là khả năngtriển khai việc truy nhập vô tuyến dựa trên LTE cho dù phân bố phổ là theo cặp hay đơn

lẻ, như vậy LTE có thể hỗ trợ cả song công phân chia theo tần số (FDD) và song côngphân chia theo thời gian (TDD)

Sơ đồ song công hay việc quy hoạch song công là một thuộc tính của công nghệ truycập vô tuyến Tuy vậy, một phân bố phổ cho trước thì cũng được liên kết với một quyhoạch song công cụ thể Hệ thống FDD được triển khai theo một cặp phân bố phổ, vớimột dải tần cho truyền dẫn đường xuống và một dải tần khác dành cho đường lên Còn hệthống TDD thì được triển khai trong các phân bố phổ đơn lẻ

Hình 1.1: Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000

Lấy một ví dụ là phổ của IMT-2000 tại tần số 2 GHz, gọi là băng tần lõi IMT-2000.Như trình bày trong Hình 1.1, nó bao gồm cặp băng tần 1920-1980 MHz và 2110-2170MHz dành cho truy cập vô tuyến dựa trên FDD, và hai băng tần là 1910-1920 MHz và

Trang 21

2010-2025 MHz dành cho truy cập vô tuyến dựa trên TDD Chú ý là có thể vì những quiđịnh của địa phương và vùng mà việc sử dụng phổ của IMT-2000 có thể khác so vớinhững gì được trình bày ở đây.

Cặp phân bố cho FDD trong hình 1.2 là 2 x 60 MHz, nhưng phổ khả dụng cho mộtnhà khai thác mạng đơn lẻ có thể chỉ là 2 x 20 MHz hoặc thậm chí là 2 x 10 MHz Trongnhững băng tần khác phổ khả dụng có thể còn ít hơn nữa Ngoài ra, sự dịch chuyển củaphổ đang được sử dụng cho những công nghệ truy cập vô tuyến khác cần phải diễn ra mộtcách từ từ để chắc chắn rằng lượng phổ còn lại phải đủ để hỗ trợ cho những người dùnghiện tại Vì vậy, lượng phổ ban đầu được dịch chuyển tới LTE có thể tương đối nhỏ,nhưng sau đó có thể tăng lên từ từ, được thể hiện trong hình 1.2 Sự khác nhau của nhữngdiễn tiến phổ có thể xảy ra sẽ dẫn đến một yêu cầu về độ linh hoạt phổ cho LTE dướidạng băng thông truyền dẫn được hỗ trợ

Yêu cầu về độ linh hoạt phổ đòi hỏi LTE phải có khả năng mở rộng trong miền tần

số và có thể hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau Yêu cầu về độ linh hoạt được liệt

kê thành danh sách các dải phổ của LTE (1,25; 1,6; 2,5; 5; 10; 15 và 20 MHz) Ngoài ra,LTE còn có khả năng hoạt động theo cặp phổ cũng như là đơn lẻ LTE cũng có thể triểnkhai trong nhiều băng tần khác nhau Những băng tần được hỗ trợ được chỉ rõ dựa vào

“độc lập phiên bản”, nghĩa là phiên bản đầu tiên của LTE không phải hỗ trợ tất cả cácbăng tần ngay từ đầu

Hơn nữa, LTE sẽ cùng tồn tại và lắp đặt chung với GSM và WCDMA trên nhữngtần số lân cận, cũng như là sự cùng tồn tại giữa những nhà khai thác và hệ thống mạng lâncận trên những quốc gia khác nhau nhưng sử dụng phổ chồng nhau Ở đây cũng có mộtđiều kiện là không có hệ thống nào khác được yêu cầu hợp lệ khi một thiết bị đầu cuốitruy cập vào LTE, nghĩa là LTE cần phải có tất cả tín hiệu điều khiều cần thiết được yêucầu cho việc kích hoạt truy nhập

Hình 1.2: Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của

một hệ thống GSM đã được triển khai

Trang 22

Triển khai phổ tần

Yêu cầu LTE làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau:

- Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm với GERAN/UTRAN trêncác kênh lân cận

- Đồng tồn tại trên các kênh lân cận hoặc chồng lấn tại biên giới các nước

- LTE phải có khả năng hoạt động đọc lập (không cần sóng mang con khác)

- Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyên tắc băngtần độc lập

Cần lưu ý rằng trong trường hợp các yêu cầu điều phối biên giới, các vấn đề khácnhư các giải pháp lập biểu cần được xem xét cùng với các hoạt động khác của lớp vật lý

1.2.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển

Một vài nguyên tắc chỉ đạo cho việc thiết kế kiến trúc LTE RAN được đưa ra bởi3GPP:

- Một kiến trúc đơn LTE RAN được chấp nhận

- Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói, tuy vậy lưu lượng lớp thoại và thời gianthực vẫn được hỗ trợ

- Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hiện diện của “những hư hỏng cục bộ”

mà không cần tăng chi phí cho đường truyền

- Kiến trúc LTE RAN có thể đơn giản hóa và tối thiểu hóa số lượng giao tiếp đãđược giới thiệu

- Tương tác lớp mạng vô tuyến và lớp mạng truyền tải có thể được loại trừ nếu chỉcần quan tâm đến vấn đề cải thiện hiệu suất hệ thống

- Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS từ đầu cuối đến đầu cuối TNL có thể cungcấp QoS thích hợp khi được yêu cầu bởi RNL

- Các cơ cấu QoS có thể tính toán đến các dạng lưu lượng đang tồn tại khác nhau đểmang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao: lưu lượng mặt phẳng điều khiển, lưu lượngmặt phẳng người dùng, lưu lượng O&M, v.v…

- LTE RAN có thể được thiết kế để làm giảm thiểu các thay đổi trễ cho thông tin góiTCP/IP

1.3 Kiến trúc mô hình LTE

Hai kiến trúc mô hình được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3GPP) đề xuất cho

kiến trúc LTE được cho trên các hình 1.3 và hình 1.4

Trang 23

Hình 1.3: Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng

Trên mô hình kiến trúc hình 1.3 các ký hiệu được sử dụng như sau R1, R2 và R3 làtên các điểm tham khảo Gx+ ký hiệu cho Gx mở rộng PCRF1 thể hiện chức năng các quytắc tính cước và chính sách phát triển Các đường nối và các vòng tròn không liên tục thểhiện các phần tử và các giao diện mới của kiến trúc LTE

Hình 1.4: Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó R h đảm bảo chức năng

chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt

Trên mô hình kiến trúc hình 1.4 các ký hiệu được sử dụng như sau Rh thể hiện chứcnăng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Dự kiến giao diện này sẽ tương đối

Trang 24

tổng quát để đảm bảo các tổ hợp khác nhau của RAT Gx+ thể hiện Gx có thêm hỗ trợ diđộng giữa các hệ thống truy nhập Wx+ ký hiệu cho Wx có thêm hỗ trợ di động giữa các hệthống Inter-AS MM ký hiệu cho quản lý di động giữa các hệ thống truy nhập PCRF2 thểhiện chức năng quy tắc tính cước và chính sách Các đường nối và các vòng tròn khôngliên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mới của kiến trúc LTE.

1.4 Tổng kết chương

Chương này đã trình bày các nội dung tổng quan về LTE Mục tiêu chính của côngnghệ LTE đều nhằm cải thiện hiệu năng và giảm giá thành so với các công nghệ trước nó:

- Tăng tốc độ số liệu đỉnh

- Tăng tốc độ bít tại biên ô

- Cải thiện hiệu năng sử dụng phổ tần

- Giảm trễ vòng

- Sử dụng băng thông linh hoạt

- Giảm chi phí đầu tư mạng

- Giảm mức độ phức tạp, giá thành cũng như công suất tiêu thụ của thiết bị đầu cuối

- Tương thích với các công nghệ vô tuyến khác

- Tối ưu hóa cho tốc độ đi động thấp đồng thời hỗ trợ tốc độ di động cao

Trang 25

Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn Sau đó được táchthành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồng tín hiệugốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu.

Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trực giaovới nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vài khuyết điểmcần khắc phục

2.1.1 Kỹ thuật phân chia theo tần số trực giao OFDM

Hình 2.1: Theo thứ tự là: Truyền đơn sóng mang, Nguyên lý của FDMA, Nguyên lý

đa sóng mang

Trang 26

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản là một trường hợp đặc biệt của phương phápđiều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần sốsử dụng trong đó các sóng mang con ( hay sóng mang phị, sub- carier) trực giao với nhau.

Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ thuộc này được cho phéo chống lấn lên nhau

mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn tín hiệu này làmcho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chếthông thường

Hình 2.2: Theo thứ tự là: So sánh phổ tần của OFDM với FDMA, Tần sô thời gian

của tín hiệu của OFDM

LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các ưu điểm sau:

Trang 27

- OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí tự ISI (Inter- symbol Interfence)nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênhtruyền.

- Thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu nối tiếp sang song song nên thời gian symboltăng lên do sự phân tán theo thời gian gây bởi trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống

- Tối ưu hiệu quả phổ tần do phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế ảnhhưởng của falding bằng cách chia kênh falding chọn lọc tần số thành các kênh con phẳngtương 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 tàn 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 angten liên kết

Hình 2.3: Các sóng mang trực giao với nhau

Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong hệ thống thông tin di động là cần dịch các tần

số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời Dịch tần số phá hỏng tính trữ giao củacác cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập Vì vậy nó rất nhạy cảm với dịch tần Ở LTEchọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15 KHz, đói với khoảng cách này là khoảngcách đủ lớn với dịch tần Doppler

Để điều chế hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữa miền thờigian và miền tần số

Trang 28

Hình 2.4: Biến đổi FFT

Chiều dài biến đổi FFT là 2^n với n là số nguyên Với LTE chiều dài có thể là 512hoặc 1024 Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi điều chế đượcchuyển đổi từ nối tiếp sang song song Sau đó được đưa đến bộ biến đổi IFFT Mỗi ngõvào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt (thành phần tần số riêng biệtcủa tín hiệu miền thời gian) và mỗi song mang được điều chế đọc lập với các sóng mangkhác Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu được chèn thêm tiền tố vòng (CP) vàphát đi Ở bộ thu ta làm ngược lại

Trang 29

(Chuỗi bảo vệ GI)

Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP) Sự sao chép này có tác dụng chốnglại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường

Trang 30

Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiềudài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài Tg thì tính hiệu này có chiều dài là

T = Ts + Tg Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiềuđường khác nhau Trong hình vẽ, hình a, tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, cácđường thứ hai và thứ ba đều bị trê một khoảng thời gian so với đường thứ nhất Tín hiệuthu được ở máy thu sẽ tổng hộ của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồnglấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tuwownjng ISI Do trong OFDM có sửdụng chuỗi bảo vệ có độ dài Tg sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này Trong trường hượpTg>=τMAX như hình vẽ mô tả thi phần bị chồng lán ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo

vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vãn an toàn Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ,còn thành phần tín hiệu có ích vãn an toàn Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ trướckhi gửu tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM Do đó, ddiefu kiện cần thiết để cho hệ thốngOFDM không bị ảnh hưởng bới ISI là: Tg>=τMAX

Như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lán ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ,còn thành phàn có tín hiệu coisch vãn an toàn Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệtrước khi gửu tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM Do đó, ddiefu kiện càn thiết để cho hệthống OFDM không bị ảnh hưởng là: Tg>=τMAX (Với τMAX là trễ truyền dẫn tối đacủa kênh )

Hình 2.6: Tác dụng của chuỗi bảo vệ: Không có GI, Có GI

Trang 31

OFDM lượng tử hóa trong miền tần số dựa trên ước lượng đáp ứng tần số của kênh.

Do đó nó hoạt dộng đơn giản hơn WCDMA và nó không phụ thuộc vào chiều dài củakênh (chiều dài của đa đường trong các chíp) như lượng tử WCDMA Trong khiWCDMA các cell khác nhau được phân biệt bởi các mã trải phổ khác nhau nhưng trongOFDM trái phổ không có giá trị, nó sử dụng các kí hiệu tham khảo riêng biệt giữa các cellhoặc giữa các angten khác nhau

LTE sử dụng OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho tuyếnlên OFDMA gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là công nghệ đa truy cậpphân chia theo song mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng của mô hìnhđiều chế số OFDM

Kỹ thuật đa truy nhập của OFDM cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào mộtkênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con cho một người dùng tạimột thời điểm Ở các thời điểm khác nhau, nhóm sóng mang con cho 1 người dùng khácnhau Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng

Hình 2.7: Theo thứ tự là: OFDM và OFDMA, Sóng mang con OFDMA

Tài nguyên thời gian – tần số được chia nhỏ theo cáu trúc : 1 radio frame có chiềudài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chieefi dài là 1ms, và mỗisubframe nhỏ lại chia thành 1 slot với chiefu dài của mỗi slot là 0.5ms Mỗi slot sẽ baogồm 7 kí tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 6 kí tự OFDM trongnhững trường hợp CP mở rộng

Trong OFDMA, việc chỉ địng sóng mang con cho người dùng không dựa vào từngsóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource Block) Mỗi khối tàinguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoarmng thời gian 1 slot và khỏng cách giữa cácsóng mang con là 15Mhz, dẫn đến kết quả băng thông tối thiếu của nó là 180KHz Đơn

Trang 32

vik nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài nguyên (RE), nó bao gồm một sóng mangcon đối với khoảng thowefi gian của moojy ký tự OFDM Một RB bao gồm 84 RE (tức7x12) trong trường hợp chiều dài CP thông thường vf 72RE (6x12) trong trường hươpchiefu dài CP mở rộng.

Hình 2.8: Chỉ định tài nguyên của OFDM trong LTE

Bảng 2.1: Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền:

Băng thông kênh

truyền( MHz)

Trang 33

Hình 2.9: Cấu trúc của một khối tài nguyên

Tín hiệu tham khảo (RS): LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt đẻ dễ dàngước lượng dịch són mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộ thừi gian Các tín hiệu thamkhảo được bố trí như hình sau:

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	2,25 MB