Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng

Tìm hiểu về công nghệ LTE trọng mạng băng rộng

PHẦN A.GIỚI THIỆU

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại trường, nhờ sự giúp đỡ và dạy dỗ của quý

thầy cô em đã tích lũy được một số kiến thức nền tảng cho nghề nghiệp sau này

Với tấm lòng tôn sư trọng đạo và tri ân sâu sắc, em xin bày tỏ lòng biết ơn

đến thầy Hà Văn Kha Ly ,người đã tận tình hướng dẫn, góp ý,động viên em

trong suốt quá trình thực hiện đề tài Với phương pháp làm việc khoa học, kinh

nghiệm thực tiễn, thầy đã truyền đạt cho em những lời khuyên quí báu để đồ án

tốt nghiệp này hoàn thành tốt đẹp

Em xin chân thành bày tỏ biết ơn sâu sắc đến tất cả các thầy trong trường

nói chung và thầy cô trong bộ môn Điện Tử Viễn Thông nói riêng

Cảm ơn tất cả bạn bè, những người đã luôn động viên, khuyến khích, giúp

đỡ để đồ án này hoàn thành đúng tiến độ

Sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

GVHD

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2012

GVPB

PHẦN B.NỘI DUNG

MỤC LỤC

PHẦN A.GIỚI THIỆU   1 

LỜI CẢM ƠN   2 

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN   3 

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN   4 

PHẦN B.NỘI DUNG   5 

CHƯƠNG I- GIỚI THIỆU HỆ THỐNG 4G LTE   9 

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE   9 

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE.   9 

1.1.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE.   10 

1.1.3 Mục tiêu thiết kế LTE.   11 

1.1.3.1 Tiềm năng công nghệ.   12 

1.1.3.2 Hiệu suất hệ thống.   13 

1.1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai   15 

1.1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)   18 

1.1.3.6 Độ phức tạp   19 

1.1.3.7 Những vấn đề chung   19 

1.1.4 Các thông số lớp vật lý của LTE   20 

1.1.5 Dịch vụ của LTE   21 

1.1.6 Tình hình triển khai mạng LTE tại Việt Nam   21 

1.2 Cấu trúc mạng   23 

1.2.1 Mạng lõi   25 

1.2.2 Mạng truy cập   27 

1.2.3 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến   29 

1.2.4 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng   30 

1.2.5 Cấu trúc chuyển vùng Roaming   31 

1.2.6 Kết nối với các mạng khác   31 

1.3 Kiến trúc giao thức   32 

1.3.1 Mặt phẳng người dùng   32 

1.3.2 Mặt phẳng điều khiển   33 

1.4 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN   36 

1.4.1 Kênh vật lý : các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm :   36 

1.4.2 Kênh logic : được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:   36 

1.4.3 Kênh vận chuyển: bao gồm các kênh sau   37 

1.5 Truyền dữ liệu hướng xuống   37 

1.5.1 Nguyên tắc cơ bản của OFDM   37 

1.5.2 Giải điều chế OFDM   39 

1.5.3 Chèn cyclic prefix   40 

1.5.4 Mô hình miền thời gian của truyền OFDM   42 

1.5.5 Tính đa dạng tần số với OFDM: điều quan trọng của mã kênh   43 

1.5.6 Lựa chọn những thông số cơ bản của OFDM   44 

2.5.6.1 Khoảng cách sóng mang con OFDM   45 

1.5.6.2 Số sóng mang con   45 

1.5.6.3 Chiều dài cyclic prefix   46 

1.5.7 Sự biến đổi công suất truyền tức thời   47 

1.5.8 OFDM như là kế hoạch đa truy nhập và ghép kênh.   47 

1.5.9 Truyền broadcast/multicast đa cell và OFDM   49 

1.6 Truyền dữ liệu hướng lên   51 

1.7 MIMO   53 

1.7.1 Cơ bản về MIMO LTE.   53 

1.7.2 SU-MIMO (Single user MIMO).   54 

1.7.3 MU-MIMO.   54 

1.8 MIMO-OFDM   56 

1.9 Một số đặc tính của kênh truyền   57 

1.9.1 Trải trễ đa đường   57 

1.9.2 Các loại fading   57 

1.9.2.1 Rayleigh fading   58 

1.9.2.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng   58 

1.9.3 Dịch tần Doppler   58 

1.9.4 Nhiễu MAI đối với LTE   59 

CHƯƠNG 2 -TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE ADVANCE   60 

2.1 TỔNG QUAN VỀ LTE ADVANCE.   60 

2.2 NHỮNG CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG LTE-ADVANCE   61 

2.2.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần   61 

2.2.2 Giải pháp đa anten   62 

2.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp   62 

2.2.4 Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp   63 

2.2.5 MCMC CDMA   64 

2.2.5.1 Hệ thống Multicarrier CDMA   64 

2.2.5.2 Hệ thống Multicode CDMA   66 

2.2.5.3 Hệ thống MCMC CDMA   70 

CHƯƠNG 3- CÁC THỦ TỤC TRUY CẬP LTE   73 

3.1 Dò tìm tế bào (cell search)   73 

3.1.1 Thủ tục dò tìm cell (cell search)   73 

3.1.2 Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ   75 

3.1.3 Dò tìm cell ban đầu và kế cận   77 

3.2 Truy cập ngẫu nhiên   78 

3.2.1 Bước 1: Truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên   79 

3.2.2 Bước 2: Đáp ứng truy cập ngẫu nhiên   82 

3.2.3 Bước 3: Nhận dạng đầu cuối   83 

3.2.4 Bước 4: Giải quyết tranh chấp   84 

3.3 Tìm gọi   85 

PHẦN C KẾT LUẬN   86 

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT  88 

TÀI LIỆU THAM KHẢO   91 

CHƯƠNG I- GIỚI THIỆU HỆ THỐNG 4G

LTE 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới

Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ

di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, 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, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Các mục tiêu của công nghệ này là:

Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20Mhz:

1.6 Mhz, 10Mhz, 15Mhz và 20Mhz cả chiều lên và chiều xuống Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kĩ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kĩ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần

số trực giao), kĩ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output) Ngoài ra

hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP Network), và hỗ trợ cả hai chế

độ FDD và TDD

1.1.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE.

Các tập đoàn viễn thông hướng đến LTE

Nhận thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này, ngành công nghiệp di dộng đang đoàn kết xung quanh hệ thống LTE với hầu hết các công ty viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericson, France Telecom/Orange, Nokia, Nokia Siemens Network, AT&T, T-Mobile, Vodafone, China Mobile, Huawei,

LG Electronic, NTT DoCoMo, Samsung, Signalion, Telecom Italia, ZTE…

Kế hoạch thử nghiệm và triển khai công nghệ này đang được các công ty trên cùng hợp tác thúc đẩy, dự kiến vào khoảng năm 2009-2010 sẽ được thương mại hóa đến với người dùng

Mạng NTT DoCoMo của Nhật sẽ đi tiên phong khi đặt mục tiêu khai trương dịch vụ vào năm 2009

Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, và China Mobile tuyên bố hợp tác thử nghiệm LTE vào năm nay Việc triển khai cơ sở hạ tầng cho LTE sẽ bắt đầu vào nửa sau của năm 2009 và kế hoạch cung cấp dịch vụ sẽ bắt đầu vào năm 2010

Với việc giành được số lượng giấy phép sử dụng băng tần 700Mhz thứ 2 sau Verizon, mạng AT&T cũng lên kế hoạch sử dụng băng tần này cho LTE Hãng này tuyên bố có đủ băng thông 20Mhz dành cho LTE để phủ sóng 82% dân số của 100 thành phố hàng đầu của Mỹ Như vậy 2 mạng chiếm thị phần lớn nhất của Mỹ đều chọn LTE là giải pháp tiến lên 4G

Mạng Telstra của Úc gần đây cũng đã xác nhận phát triển theo hướng LTE Hãng TeliaSonera, nhà cung cấp lớn nhất cho thị trường Bắc Âu và vùng Baltic cũng cam kết sẽ sử dụng công nghệ LTE cho các thị trường của mình.

Ngày 11/6/2008, theo Financial Times, cổ phiếu của Nortel, nhà sản xuất viễn thông nổi tiếng của Canada, đã tăng 13% khi hãng tuyên bố tập trung các nỗ lực nghiên cứu không dây vào công nghệ LTE thay vì công nghệ đối thủ Wimax

Tại các triễn lãm viễn thông quốc tế gần đây, các nhà sản xuất Huawei, Motorola, Ericson… cũng đã biểu diễn LTE với các ứng dụng như xem tivi chất lượng cao HDTV, chơi game online…

Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ khả năng tuyệt vời của công

nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất

gần

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

1.1.3 Mục tiêu thiết kế LTE

Hình 2.2 Mục tiêu thiết kế

LTE

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

năm 2005 đã được xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE Những mục tiêu và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913 Những yêu cầu cho LTE được chia thành 7 phần khác nhau như sau:

- Tiềm năng dung lượng

- Hiệu suất hệ thống

- Các vấn đề khi triển khai

- Quản lý tài nguyên vô tuyến

- Kiến trúc và sự dịch chuyển (migaration)

- Độ phức tạp

- Những vấn đề chung

1.1.3.1 Tiềm năng công nghệ.

Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbit/s và cho đường lên là 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 Mhz Khi mà phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo Do

đó, điều kiện đặt ra là có thể biểu diễn được 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5 bit/s/Hz cho đường lên Như sẽ được thảo luận dưới đây, LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời Do đó mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời Mặt khác, đối với trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho phép quá trình phát và thu đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý thuyết ở trên

Yêu cầu về độ trễ được chia thành: yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển và yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng Yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển xác định độ trễ của việc chuyển từ trạng thái thiết bị đầu cuối không tích cực khác nhau sang trạng thái tích cực, khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể gửi và nhận dữ liệu Có hai cách xác định: cách xác định thứ nhất được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (camped state) chẳng hạn như trạng thái Release 6 Idle mode, khi đó thì thủ tục chiếm 100ms; cách xác định thứ hai đ ợc thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ chẳng hạn như trạng thái Release 6 Cell-PCH Khi đó thì thủ tục chiếm 50ms Trong cả hai thủ

tục này thì độ trễ chế độ ngủ và việc báo hiệu non-RAN đều được loại trừ (Chế

độ Release 6 idle là 1 trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là mạng truy nhập vô tuyến không có

chỉ định một tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối có thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe hệ thống mạng tại những khoảng thời gian cụ thể Trạng thái Release 6 Cell-PCH là trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết

bị đầu cuối đang ở trong tế bào nào nh ng thiết bị đầu cuối lại không được cấp phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế độ ngủ)

Yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện qua thời gian để truyền một gói IP nhỉ từ thiết bị đầu cuối tới nút biên RAN hoặc ngược lại được đo từ lớp

IP Thời gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5ms trong mạng không tải (unloaded network), nghĩa là không có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện trong tế bào

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

bị dầu cuối được hỗ trợ Số lượng thiết bị đầu cuối không tích cực trong tế bào không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể

Vì thế, mặc dù thiết bị đầu cuối trong hệ thống chuẩn được giả định là có hai

anten thu thì một bộ thu RAKE đơn giản vẫn được áp dụng Tương tự, ghép kênh không gian cũng không được áp dụng trong hệ thống chuẩn.

Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố người dùng trung bình và tại sự phân bố người dùng vị thứ 5 (khi mà 95% người dùng có được chất lượng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ, và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo

tế bào tính theo bit/s/Mhz/cell Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết bị đầu cuối 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 hiệu suất cao và đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống phải duy trì đ ợc kết nối trên toàn mạng tế bào Tốc độ tối đa có thể quản

lí đối với một hệ thống LTE có thể được thiết lập lên đến 350 km/h (hoặc thậm chí đến 500 km/h tùy thuộc vào băng tần) Một yếu tố quan trọng đặc biệt là dịch vụ thoại được cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lượng mà WCDMA/HSPA hỗ trợ

Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi tế bào (bán kính), nghĩa là khoảng cách tối đa từ vùng tế bào (cell site) đến thiết bị đầu cuối

di động trong cell Đối với phạm vi tế bào lên đến 5 km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những tế bào có phạm vi lên đến 30

km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng và hiệu suất phổ thì 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 tế bào lên đến 100 km thì không thấy có đặc tính kĩ 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: broadcast (quảng bá) và unicast Nhìn chung, LTE sẽ cung cấp dịch vụ tốt hơn so với những gì có thể trong phiên bản 6 Yêu cầu đối với tr ờng hợp broadcast là hiệu suất phổ

1 bit/s/Hz, tương ứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300 kbit/s trong mỗi phân bố phổ tần 5 Mhz Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ một dịch vụ trên một sóng mang, cũng như là kết hợp các dịch vụ non-MBMS khác Và như vậy thì đương nhiên đặc tính kĩ thuật của LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch vụ MBMS

1.1.3.3 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 linh hoạt phổ, trải phổ, sự cùng tồn tại và làm việc với nhau giữa LTE với các công nghệ truy cập vô tuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/HSPA

Những yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm: trường hợp mà hệ thống LTE được triển khai như là một hệ thống độc lập 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 và những yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh động giữa LTE và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di động hỗ trợ những công nghệ này Bảng 2.4 liệt kê những yêu cầu về sự gián đoạn,

đó là, thời gian gián đoạn dài nhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Có một điều đáng chú ý là những yêu cầu này không được chặt chẽ cho lắm đối với vấn đề gián đoạn trong chuyển giao và hi vọng khi triển khai thực tế thì sẽ đạt được những giá trị tốt hơn đáng kể

Yêu cầu về việc cùng tồn tại và có thể làm việc với nhau cũng xác định việc chuyển đổi lưu lượng multicast từ phương pháp trong LTE thành phương pháp unicast trong cả GSM hoặc WCDMA, mặc dù không có số lượng cho trước.

Bảng 2.4 Yêu cầu về thời gian gián đoạn, GSM và

LTE-WCDMA

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 thể được triển khai trên những băng tần IMT-2000 hiện hành, nghĩa là khả năng cùng tồn tại với 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 năng triển 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 công phân chia theo thời gian (TDD)

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

1910-Mhz và 2010-2025 1910-Mhz dành cho truy cập vô tuyến TDD Chú ý là có thể vì những

qui định của địa phương và vùng mà việc sử dụng phổ của IMT-2000 có thể khác

so với những gì được trình bày ở đây

Hình 2.3 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 Ghz của nguyên bản IMT-2000

Cặp phân bố cho FDD trong hình 2.3 là 2x60 Mhz, nhưng phổ khả dụng cho một nhà khai thác mạng đơn lẻ có thể chỉ là 2x20 Mhz hoặc thậm chí là 2x10 Mhz Trong những băng tần khác phổ khả dụng có thể còn ít hơn nữa Ngoài ra,

sự dịch chuyển của phổ đang được sử dụng cho những công nghệ truy cập vô tuyến khác cần phải diễn ra một cách từ từ để chắc chắn rằng lượng phổ còn lại phải đủ để hỗ trợ cho những người dùng hiện 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 2.4 Sự khác nhau của những diễn tiến phổ có thể xảy ra sẽ dẫn đến một yêu cầu về độ linh hoạt phổ cho LTE dưới dạng băng thông truyền dẫn được hỗ trợ

Hình 2.4 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ

của một hệ thống GSM đã được triển khai

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 trong tài liệu tham khảo được liệt kê thành danh sách các phân bố 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 triển khai trong nhiều băng tần khác nhau Những băng tần được hỗ trợ được chỉ rõ dựa vào “độc lập phiên bản” (“release independence”), nghĩa là phiên bản đầu tiên của LTE không phải hỗ trợ tất cả các băng tần ngay từ đầu.

Hơn nữa, tài liệu tham khảo cũng xác định về vấn đề cùng tồn tại và lắp đặt chung với GSM và WCDMA trên những tần số lân cận, cũng như là sự cùng tồn tại giữa những nhà khai thác và hệ thống mạng lân cận trên những quốc gia khác nhau nh ng sử dụng phổ chồng nhau (overlapping spectrum) Ở đây cũng có một điều kiện là không có hệ thống nào khác đ ợc yêu cầu hợp lệ khi một thiết bị đầu cuối truy cập vào LTE, nghĩa là LTE cần phải có tất cả tín hiệu điều khiển cần thiết được yêu cầu cho việc kích hoạt truy nhập

1.1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

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

Một kiến trúc đơn LTE RAN được chấp nhận

Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói (packet), tuy vậy l u lượng lớp thoại và thời gian thực vẫn đ ợc hỗ trợ

Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hiện diện của “những hư hỏng cục bộ” (“single points of failure”) mà không cần tăng chi phí cho đường truyền (backhaul)

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

Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS end-to-end

để mang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao: lưu lượng mặt phẳng điều khiển, lưu lượng mặt phẳng người dùng,…

LTE RAN có thể được thiết kế theo lối làm giảm biến đổi trễ (delay

variation-jitter)

đối với lưu lượng cần độ jitter thấp

1.1.3 5 Quản lí tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lí tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lí chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau

Việc hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end yêu cầu cải thiện sự thích ứng giữa dịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) với tài nguyên RAN và các đặc tính vô tuyến

Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu

đề IP (IP header)

Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để định hướng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập vô tuyến thích hợp đã được nói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến

1.1.3.6 Độ phức tạp

Yêu cầu về độ phức tạp trong LTE xác định độ phức tạp của toàn hệ thống cũng như là độ phức tạp của thiết bị đầu cuối di động Về cơ bản thì những yêu cầu này đề cập đến số lượng những tùy chọn để có thể tối thiểu hóa với những đặc tính dư thừa không bắt buộc Điều này cũng đưa đến việc tối giản những trường hợp kiểm thử cần thiết

1.1.3.7 Những vấn đề chung

Phần này đề cập đến những yêu cầu chung trong LTE về những khía cạnh liên quan

đến chi phí và dịch vụ Rõ ràng, mong muốn đặt ra là giảm thiểu các chi phí trong khi vẫn duy trì hiệu suất yêu cầu cho tất cả các dịch vụ Các vấn đề về đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí Như vậy không chỉ giao tiếp vô tuyến, mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lí cũng phải được xác định rõ Một yêu cầu quan trọng về giao tiếp nhiều nhà cung cấp (multi-vendor interfaces) cũng thuộc vào loại yêu cầu này.

1.1.4 Các thông số lớp vật lý của LTE

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

Băng thông 1.5MHz, 2.5 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz,

20 MHz

Khoảng cách sóng mang con 15KHz

Chiều dài CP Ngắn 4.7µs

Ghép kênh không gian 1 lớp cho UL/UE

Lên đến 4 lớp cho DL/UE

Điều chế DL QPSK, 16QAM, 64QAM

16QAM, 64QAM

Bảng 2.6 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

1.1.5 Dịch vụ của LTE

Qua việc kết nối của đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu suất

sử dụng phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch

vụ đa dạng hơn Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện Tất cả các dịch vụ

sẽ cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với

khách hàng là doanh

nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng video hội nghị tốt…LTE sẽ mang đặc tính của “Web 2.0” ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên Dọc theo sự bảo đảm về thương mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi và chia sẻ tập tin

1.1.6 Tình hình triển khai mạng LTE tại Việt Nam

VNPT và tập đoàn viễn thông Altech Telecom (Nga) đã kí kết thỏa thuận hợp tác lập liên doanh RusViet Telecom để cung cấp dịch vụ dựa trên nền tảng công nghệ di động thế hệ tiền 4G LTE

Ngay sau khi được Bộ Thông tin và Truyền thông cấp giấy phép thử nghiệm dịch vụ công nghệ 4G, Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT) đã

nỗ lực khẩn trương triển khai và lắp đặt thành công trạm BTS công nghệ LTE đầu tiên tại Việt Nam vào ngày 10/10/2010

VNPT là một trong năm doanh nghiệp được Bộ Thông tin và Truyền thông cấp giấy phép thử nghiệm dịch vụ công nghệ 4G với thời hạn giấy phép là 1 năm

Trạm BTS công nghệ LTE này được đặt tại nhà Internet, lô 2A, làng Quốc tế Thăng Long, Cầu Giấy, Hà Nội (trụ sở của công ty Điện toán và truyền số liệu VDC) Với tốc độ truy cập Internet lên đến 60Mb/s, dịch vụ truy cập Internet vô tuyến LTE hứa hẹn sẽ mang tới cho khách hàng các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn như video, HDTV, giải trí trực tuyến,…

Theo dự kiến, giai đoạn 1 dự án thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE của VNPT-VDC sẽ phủ sóng toàn bộ khu vực Hà Nội trước ngày26/10, ngày khai mạc hội nghị thượng đỉnh về Thương mại và Đầu tư ASEAN(ASEAN BIS)2010

Hình 2.5 Bộ thu phát sóng

Hình 2.6 Hệ thống mạng lõi

1.2 Cấu trúc mạng

Như đã đề cập, LTE được thiết kế để hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói, đối lập với chuyển mạch kênh truyền thống Nó hướng đến cung cấp các kết nối IP giữa các UE (User Equipment) và PDN (Packet Data Network), mà không có bất kì sự ngắt quãng nào đối với những ứng dụng của người dùng trong suốt quá trình di chuyển Trong khi thuật ngữ LTE đề cập quanh sự tiến triển việc truy cập vô tuyến thông qua E-UTRAN (Evolved-UTRAN), nó còn được kết hợp cùng với các phương diện cải tiến “ không vô tuyến” dưới thuật ngữ SAE (System Architecture Evolution)_bao gồm mạng lõi gói cải tiến EPC (Evolved Packet Core) LTE cùng với SAE tạo thành hệ thống gói cải tiến EPS (Evolved Packet System)

Hình 2.7 Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN

Hình 2.7 cho thấy các thành phần chính của một mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến LTE So sánh với UMTS, mạng vô tuyến ít phức tạp hơn Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số Node Vì vậy, người ta đã quyết định rằng các RNC nên được gỡ bỏ, và chức năng của chúng đã được chuyển một phần sang các trạm cơ sở

và một phần sang nút Gateway của mạng lõi Để phân biệt với các trạm cơ sở UMTS, các trạm cơ sở của LTE được gọi là Enhanced NodeB (eNodeB) Bởi vì không còn phần tử điều khiển ở trung ương trong mạng vô tuyến nữa nên giờ đây các trạm cơ sở thực hiện chức năng quản lí dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và bảo đảm chất lượng dịch vụ Tuy nhiên các RNC vẫn điều khiển các kênh truyền tải dành cho dịch vụ thoại chuyển kênh

Hình 2.9 Các thành phần trong mạng EPS

EPS cung cấp cho người dùng một kết nối IP đến một PDN để truy cập Internet, cũng như là thực thi các dịch vụ như VoIP Một thông báo EPS điển hình được kết hợp với một QoS Nhiều thông báo có thể được thiết lập cho một người dùng để cung cấp nhiều dòng QoS khác nhau hoặc để kết nối đến các PDN khác nhau Ví dụ như, người dùng vừa thực hiện cuộc gọi VoIP, vừa duyệt Web hoặc download FTP (File Transfer Protocol) Một thông báo VoIP sẽ cung cấp QoS cần thiết cho cuộc gọi thoại, trong khi một thông báo best-effort sẽ thích hợp cho duyệt Web hoặc phiên FTP

Hình 2.9 chỉ ra một cấu trúc mạng EPS bao gồm nhiều thành phần mạng và các giao diện chuẩn Ở tầng cao, mạng gồm có Core Network CN (EPC) và mạng truy cập E-UTRAN Trong khi CN bao gồm những nút vật lí thì mạng truy cập chỉ có một nút duy nhất, đó là eNodeB (evolved NodeB), phần tử kết nối đến các UE Mỗi phần tử sẽ kết nối với các phần tử khác thông qua những giao diện chuẩn cho phép tương kết

1.2.1 Mạng lõi

Mạng lõi CN (được gọi là EPC trong SAE) đáp ứng cho việc điều khiển UE và thiết lập các thông báo Các Node chính của EPC:

PDN Gateway (P-GW)

Serving Gateway (S-GW)

Mobility Management Entity (MME)

Hình 2.10 Phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC

Ngoài các Node này, EPC cũng gồm có những Node và chức năng vật lí khác như HSS (Home Subscriber Server) và PCRF (Policy Control Charging Rules Function)

Chức năng:

như điều khiển các thực thể trong PCEF (Policy Control Enforcement Function) thường trú trong P-GW PCRF cấp phép cho QoS quyết định cách thức một dòng dữ liệu hoạt động trong PCEF và đảm bảo phù hợp thuê bao người dùng

Nó cũng giữ thông tin về các PDN mà người dùng có thể kết nối Ngoài ra, HLR còn nắm giữ thông tin động như là việc nhận dạng người dùng đang đăng kí của

MME HLR còn tích hợp AuC (Authentication Centre)_phần tử phát mã bảo vệ

QoS

- GW: tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua GW,

S-GW như một trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi UE di chuyển giữa các eNodeB Nó cũng giữ lại thông tin về các thông báo khi UE trong tình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE Thêm vào đó, S-GW còn thực hiện các chức năng điều khiển trong mạng khách như là thu thập thông tin để tính cước

(ví dụ như lưu lượng dữ liệu gửi và nhận từ người dùng)

MME: điều khiển các Node xử lí tín hiệu giữa UE và CN Giao thức giữa

UE và CN là Non-Access Stratum (NAS)

Chức năng chính của MME được phân loại như sau :

Các chức năng liên quan đến quản lí thông báo : chức năng này bao gồm thiết lập, duy trì và gởi đi các thông báo và được điều khiển bởi lớp quản lí phiên trong giao thức NAS

Các chức năng liên quan đến quản lí kết nối : bao gồm việc kết nối và bảo mật giữa mạng và UE được điều khiển bởi lớp quản lí tính di động hoặc kết nối trong giao thức NAS

Các thủ tục lớp không truy cập NAS (Non-Acess Stratum)

Các thủ tục NAS là các thủ tục quản lí kết nối đặc biệt, về cơ bản giống với UMTS Sự khác biệt chính với UMTS là EPS cho phép ghép nối nhiều thủ tục để

sự thiết lập của các kết nối và thông báo nhanh hơn

như hình 2.7

Các trạm cơ sở giờ đây còn chịu trách nhiệm thực hiện các cuộc chuyển giao cho các UE tích cực Vì mục đích này, giờ đây các eNodeB có thể liên lạc trực tiếp với nhau thông qua các đường giao tiếp X2 Các đường giao tiếp này được dùng để chuẩn bị những cuộc chuyển giao và cũng có thể được dùng để gửi chuyển tiếp dữ liệu người dùng (các gói IP) từ mạng cơ sở hiện tại sang mạng cơ sở mới để giảm thiểu dữ liệu người dùng thất thoát trong quá trình chuyển giao Bởi lẽ các đường giao tiếp X2 không bắt buộc phải có, nên các trạm cơ sở cũng có khả năng liên lạc với nhau thông qua Gateway truy cập để chuẩn bị các cuộc chuyển giao Tuy nhiên trong trường hợp này, dữ liệu người dùng không được chuyển tiếp trong quá trình chuyển giao Điều đó nghĩa là một số dữ liệu đã được mạng gửi đi tới trạm cơ sở hiện tại có thể thất thoát, bởi vì sau khi một quyết định chuyển giao được thực hiện,

nó phải được thi hành càng nhanh càng tốt trước khi đường truyền vô tuyến mất đi Không giống trong UMTS, các mạng vô tuyến LTE chỉ thực hiện các cuộc chuyển giao cứng, tức là vào mỗi thời điểm chỉ có một cell liên lạc với UE

Đường giao tiếp nối các eNodeB với các nút gateway giữa mạng vô tuyến và mạng lõi là đường S1 Nó hoàn toàn dựa trên giao thức IP, nên không biết gì về công nghệ vận chuyển tầng thấp cả Đây là một khác biệt lớn với UMTS Trong UMTS, các đường giao tiếp giữa các NodeB, các RNC và SGSN nhất thiết dựa trên giao thức ATM dành cho các tầng thấp Giữa RNC và NodeB, IP không hề được dùng cho việc gửi chuyển tiếp các gói Tuy cho phép đồng bộ hóa dễ hơn giữa các nút, song việc cần phải sử dụng ATM để vận chuyển dữ liệu trên các tầng thấp khiến kết cấu không linh hoạt và phức tạp Trong những năm gần đây, tình hình này càng tệ hơn do nhu cầu thông lượng tăng cao không còn phù hợp với những đường truyền ATM trên các kênh E1 2 Mbit/s nữa Vì vậy, chuẩn UMTS sau này đã được cải tiến

để cũng dùng IP làm một giao thức vận chuyển giữa mạng lõi và trạm cơ sở Nhưng LTE thì ngay lúc bắt đầu đã hoàn toàn dựa trên vận chuyển IP trên mạng vô tuyến Các trạm cơ sở được trang bị những cổng Ethernet 100 Mbit/s hoặc 1Gbit/s quen thuộc trong thế giới PC, hoặc các cổng cáp quang Gigabit Ethernet

Giao thức giữa các eNodeB và UE là giao thức lớp truy cập AS (Access Stratum)

E-UTRAN chịu trách nhiệm về các chức năng liên quan đến vô tuyến, gồm có :

- Quản lí nguồn tài nguyên vô tuyến

- Nén Header

- Bảo mật

- Kết nối với EPC

Về phương diện mạng, mỗi EnodeB sẽ quản lí một số lượng cell nhất định Khác với 2G hay 3G, LTE tích hợp chức năng bộ điều khiển vô tuyến trong eNodeB Điều này cho phép sự tương tác thích hợp giữa những lớp giao thức khác nhau của mạng truy cập vô tuyến, vì vậy có thể giảm trễ và cải thiện hiệu suất Việc điều khiển phân phối sẽ tránh được tình trạng đòi hỏi một bộ điều khiển

xử lí chuyên sâu, do đó, sẽ giảm giá thành Hơn nữa, khi LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm thì không cần chức năng liên kết dữ liệu tập trung trong mạng

1.2.3 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến

Như trong hình 2.9, nút Gateway giữa mạng truy nhâp vô tuyến và mạng lõi được phân ra thành hai thực thể luận lí: Serving Gateway (Serving-GW) và Mobility Manager Entity (MME) Kết hợp với nhau, chúng thực hiện những công việc tương tự như SGSN (Serving GPRS Support Node) trong các mạng UMTS Trong thực tế, cả hai thành phần luận lí này có thể được thực hiện trên cùng một thiết bị phần cứng hoặc có thể được tách ra để có thể tăng giảm kích cỡ độc lập với nhau

Bởi vì đường giao tiếp S1 được dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với Serving_GW) lẫn dữ liệu báo hiệu (nối với MME), nên kiến trúc của các giao thức tầng cao hơn được phân ra thành hai bộ giao thức khác biệt: S1-C và S1-U Giao thức S1-C (điều khiển) được dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa một

UE và MME Như được trình bày bên dưới, các thông điệp này được trao đổi qua các kênh “non-IP” đặc biệt trên giao tiếp vô tuyến rồi sau đó được eNodeB đặt vào

trong các gói IP trước khi chúng được gửi chuyển tiếp đến MME Tuy nhiên, dữ liệu người dùng đã được truyền với tính cách các gói IP qua giao tiếp vô tuyến, và chúng được gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) đến Serving-GW

Nếu MME và Serving-GW được thực hiện riêng biệt, đường giao tiếp S11 sẽ được dùng để liên lạc giữa hai thực thể đó Cần có sự liên lạc giữa hai thực thể đó, ví dụ như để tạo ra các kênh truyền khi người dùng nối vào mạng, hoặc để sửa đổi một đường hầm khi một người dùng nào đó di chuyển từ cell này sang cell khác

Không giống như các mạng vô tuyến không dây trước đó, khi một Gateway của mạng truy nhập (SGSN) chịu trách nhiệm đối với một số RNC nhất định và mỗi RNC đến lượt nó lại chịu trách nhiệm đối với một số trạm cơ sở nhất định, đường giao tiếp S1 hậu thuẫn một kiến trúc nối kết mắc lưới (mesh) Thế có nghĩa là không phải chỉ một mà là vài MME và Serving-GW có thể liên lạc với từng eNodeB, và số lượng MME và Serving-GW có thể khác biệt Điều này làm giảm số lượng các cuộc chuyển giao liên-MME khi người dùng di chuyển, và cho phép số lượng MME phát triển độc lập với số lượng Serving-GW, bởi vì dung lượng của MME lệ thuộc vào tải trọng báo hiệu, còn dung lượng của Serving-GW lệ thuộc vào tải trọng dữ liệu truyền của người dùng Những dung lượng này có thể phát triển khác nhau qua thời gian Một kiến trúc mắt lưới của giao tiếp S1 cũng bổ sung tính dự phòng cho mạng Nếu một MME hỏng, thì một MME thứ hai có thể tự động tiếp quản nếu nó được cấu hình để phục vụ những cell giống như MME kia Tác hại duy nhất của một cơ chế khôi phục tự động khi gặp hỏng hóc như vậy là, những người dùng được phục vụ bởi MME hỏng phải đăng kí lại với mạng Những khả năng mắt lưới của giao tiếp S1 được dùng trong thực tế như thế nào là tùy thuộc vào chính sách của các nhà cung cấp dịch vụ mạng và vào kiến trúc của mạng vận chuyển bên dưới

1.2.4 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng

Một đường giao tiếp quan trọng nữa trong các mạng lõi LTE là đường giao

tiếp S6 nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thuê bao Trong UMTS/GPRS/GSM, cơ sở dữ liệu này được gọi là HLR (Home Location Register) Trong LTE, HLR được sử dụng lại và được đổi tên thành HSS (Home Subscriber Server) Về cơ bản, HSS là một HLR cải tiến, và chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS, UMTS, LTE Đường giao tiếp S6 dùng giao thức Diameter dựa trên IP HSS

là một cơ sở dữ liệu kết hợp, và nó được sử dụng đồng thời bởi các mạng GSM, UMTS và LTE thuộc cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng Vì thế, ngoài đường giao tiếp S6 dành cho LTE ra, nó tiếp tục hậu thuẫn đường giao tiếp MAP truyền thống

1.2.5 Cấu trúc chuyển vùng Roaming

Hình 2.11 Cấu trúc chuyển vùng truy cập với P-GW trong mạng nhà

Một mạng hoạt động trong một quốc gia được gọi là mạng di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) Chuyển vùng, nơi người dùng được cho phép kết nối đến các PLMN khác, là một điểm nổi bật của mạng di động, và LTE/SAE cũng không phải là ngoại lệ Khi người sử dụng chuyển vùng, họ sẽ được kết nối đến E-UTRAN, MME và S-GW của mạng LTE khách Tuy nhiên, LTE/SAE chỉ cho phép sử dụng P-GW hoặc của mạng khách hoặc của mạng nhà Sử dụng P-GW mạng nhà cho phép người sử dụng truy cập các dịch vụ của mạng nhà ngay khi đang ở trong mạng khách Một P-GW trong mạng khách cho phép một ngắt cục bộ (local breakout) đối với mạng Internet trong mạng khách

1.2.6 Kết nối với các mạng khác

EPS cũng hỗ trợ kết nối và chuyển giao với các mạng dùng kĩ thuật truy cập

vô tuyến khác như GSM, UMTS, CDMA2000 và WIMAX Kiến trúc đó được chỉ ra trên hình

Hình 2.12 Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS

S-GW hoạt động như một trạm di động (mobility anchor) dùng để kết nối với các

kĩ thuật 3GPP nh GSM và UMTS trong khi P-GW cho phép kết nối với các mạng không phải của 3GPP như CDMA 2000 hay WIMAX

1.3 Kiến trúc giao thức

1.3.1 Mặt phẳng người dùng

Một gói IP của UE được đóng gói trong một EPC-giao thức và đường hầm cụ thể giữa P-GW và eNodeB- để truyền đến UE Các giao thức xuyên hầm khác nhau được dùng với các đường giao tiếp khác nhau Một giao thức xuyên hầm trong 3GPP gọi là giao thức xuyên hầm GPRS (GPRS Tunnelling Protocol) được

sử dụng trong các đường giao tiếp của mạng lõi, S1 và S5/S8

Giao thức mặt phẳng người dùng E-UTRAN có màu xám như hình 2.13, bao gồm các lớp con PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control) và MAC (Medium Access Control)

Hình 2.13 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng của E-UTRAN

1.3.2 Mặt phẳng điều khiển

Hình 2.14 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển của E-UTRAN

Vùng màu xám chỉ ra các giao thức tầng truy cập Các lớp thấp hơn hoạt động với cùng chức năng nh bên mặt phẳng người dùng, chỉ khác ở chỗ là không nén Header

Giao thức RRC được biết đến như giao thức lớp 3 trong tầng truy cập Nó có chức năng điều khiển chính trong tầng truy cập, chịu trách nhiệm thiết lập các thông báo

vô tuyến và cấu hình tất cả các lớp thấp hơn sử dụng báo hiệu RRC giữa eNodeB và

đã được tải đầy đủ về thiết bị Điều này đảm bảo rằng những cuộc truyền gói sau

đó có thể diễn ra ngay lập tức, ví dụ như khi người dùng kích vào một liên kết trên trang Web đã tải, mà không cần tốn thêm công sức kiểm soát tài nguyên

Khi ở trong trạng thái tích cực đầy đủ, UE có vài dịp để làm cho bộ thu sóng của

nó không còn tích cực nữa, điều vốn có ảnh hưởng tiêu cực lên dung lượng của

pin Như vậy sau một thời gian không tích cực nào đó, mạng có thể quyết định kích hoạt một chế độ nhận sóng không liên tục (Discontinuous Reception Mode_DRX) trong

khi UE vẫn ở trong trạng thái tích cực Tức là UE chỉ định kì mới phải lắng nghe những thông báo cấp phát thông lượng hướng xuống và các lệnh điều khiển, còn vào tất cả những lúc khác thì có thể tắt đi bộ thu sóng của nó Khoảng thời gian

ở chế độ DRX này linh động và có thể từ vài mili-giây cho đến vài giây

Ngay cả khi trong chế độ DRX mode, tính di động của thiết bị vẫn được mạng kiểm soát Tức là UE phải liên tục gửi những kết quả đo đạc tín hiệu về mạng khi gặp phải một ngưỡng tín hiệu thấp hoặc cao đã qui định trước cho cell hiện tại

và cell kế cận Như thế eNodeB có thể khởi phát một thủ tục chuyển giao sang một cell khác bất kì khi nào nó thấy cần thiết

Trạng thái rỗi RRC

Nếu không có gói nào được truyền trong một thời gian kéo dài, eNodeB có thể đặt đường giao tiếp với người dùng vào trạng thái rỗi RRC (RRC Idle) Tức là, tuy đường truyền luận lí với mạng và địa chỉ IP vẫn còn nguyên nhưng đường truyền vô tuyến thì được gỡ bỏ MME cũng được thông báo về sự thay đổi trạng thái này, bởi vì các gói IP đến từ Internet có thể không còn được giao tới mạng vô tuyến nữa Hệ quả là, vào lúc nhận các gói IP, MME cần gửi một thông điệp nhắn tin đến UE, dẫn đến việc thiết lập lại một đường truyền vô tuyến Trong trường hợp

UE cần gửi một gói IP trong khi đang ở trạng thái rỗi RRC, chẳng hạn vì người dùng vừa kích vào một liên kết trên trang Web sau một thời gian dài không tích cực, nó cũng phải yêu cầu thiết lập một đường truyền vô tuyến rồi gói đó mới có thể được truyền đi

Vả lại, mạng không còn kiểm soát tính di động của những UE nào đang trong trạng thái rỗi RRC nữa, và UE đó có thể tự quyết định di chuyển từ cell này sang cell khác Vài cell được nhóm lại thành một khu vực theo dõi UE chỉ báo cáo một sự thay đổi cell về cho mạng nếu nó chọn một cell mà thuộc một khu vực theo dõi khác Thế có nghĩa là mạng, hoặc cụ thể hơn là MME, phải gửi một thông điệp nhắn tin qua tất cả các cell thuộc khu vực theo dõi đó khi có một gói

dữ liệu mới dành cho thiết bị gửi đến từ Internet

1.4 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN

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

PDSCH (Physical Downlink Shared Channel)

PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)

PUCCH (Physical Uplink Control Channel)

PDCCH (Physical Downlink Control Channel)

PBCH (Physical Broadcast Channel)

1.4.2 Kênh logic : được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:

Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Được sử dụng để truyền thông tin điều khiển hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell Trước khi truy nhập hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết được hệ thống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông hệ thống

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

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

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

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

để thu kênh MTCH

Kênh lưu lượng riêng (DTCH) : được sử dụng để truyền số liệu của người sử dụng đến/từ một đầu cuối di động Đây là kiểu logic được sử dụng để truyền tất cả số liệu đường lên của người dùng và số liệu đường xuống của người dùng không phải MBMS

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

MBMS

1.4.3 Kênh vận chuyển: bao gồm các kênh sau

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

Nó được sử dụng để phát thông tin trên kênh logic

Kênh tìm gọi (PCH) : được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh PCCH, PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm công suất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trước Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) : là kênh truyền tải để phát số liệu đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích ứng tốc độ động và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số Nó cũng hổ trợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống như cơ chế CPC trong HSPA DL-DCH TTI là 1ms

Kênh đa phương (MCH) : được sử dụng để hỗ trợ MBMS Nó được đặc trưng bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh Trong trường hợp phát đa ô

sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải được điều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN

1.5 Truyền dữ liệu hướng xuống

1.5.1 Nguyên tắc cơ bản của OFDM

Kỹ thuật truyền OFDM có thể được xem như là một loại của truyền đa sóng mang Đặc điểm cơ bản của truyền OFDM là:

Sử dụng một lượng tương đối lớn các sóng mang con băng hẹp Truyền OFDM sử dụng vài trăm sóng mang con được truyền trên cùng một liên kết vô tuyến đến cùng một máy thu

Dạng xung hình chữ nhật đơn giản như trong hình 2.16a Điều này đáp ứng phổ dạng sinc-square ở mỗi sóng mang, như minh họa trong hình 2.16b

Những sóng mang con được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con f=1/Tu, với Tu là thời gian điều chế symbol trên mỗi song mang con (hình 2.17) Khoảng cách sóng mang con bằng tốc độ điều chế trên mỗi sóng mang con

Hình 2.16: Phổ và dạng xung của mỗi sóng mang cho truyền OFDM cơ bản

Hình 2.17: Khoảng cách sóng mang con OFDM

Như minh họa về bộ điều chế OFDM cơ bản trong hình 2.18 Nó bao gồm một dãy Nc những bộ modulator phức tạp, mỗi bộ modulator đáp ứng cho một sóng mang con OFDM

Hình 2.18: Điều chế OFDM

1.5.2 Giải điều chế OFDM

Hình 2.20: Nguyên tắc cơ bản của giải điều chế OFDM

Hình 2.20 minh họa nguyên tắc cơ bản trong giải điều chế OFDM, bao gồm một dãy các bộ correlator, mỗi bộ cho một sóng mang con Đưa vào bảng miêu tả tính trực giao của những sóng mang con theo công thức 2.2, trong trường hợp lý

tưởng, hai sóng mang con OFDM không gây nhiễu cho nhau Sự thật là phổ của những sóng mang con cạnh nhau chồng lấp nhau, như trong hình 2.2 Tính trực giao của những sóng mang con là nhờ có cấu trúc đặc trong miền tần số của mỗi sóng mang con, kết hợp với khoảng cách sóng mang con f bằng tốc độ symbol trên mỗi sóng mang con 1/Tu Tuy nhiên, nếu bất kỳ một sự sai lệch trong cấu trúc miền tần

số của những sóng mang con OFDM, chẳng hạn vì kênh vô tuyến lựa chọn tần số,

có thể dẫn đến mất trực giao giữa những sóng mang con và vì thế xảy ra nhiễu giữa các sóng mang con Để điều khiển điều này và làm cho tín hiệu OFDM thực sự mạnh với lựa chọn tần số kênh vô tuyến, người ta sử dụng chèn cyclic prefix

1.5.3 Chèn cyclic prefix

Như miêu tả trong phần 2.5.2, một tín hiệu OFDM không bị hư có thể được giải điều chế mà không có bất cứ nhiễu nào giữa những sóng mang Tuy nhiên, trong trường hợp kênh phân tán thời gian, tính trực giao giữa những sóng mang con

sẽ bị mất Nguyên nhân của sự mất trực giao trong trường hợp kênh phân tán thời gian là khoảng thời gian tương quan giải điều chế cho một tuyến sẽ chồng lên đường biên symbol của tuyến khác, như minh họa trong hình 2.23 Kết quả là trong trường hợp kênh phân tán thời gian, không chỉ có nhiễu giữa các symbol trên một sóng mang mà còn có nhiễu giữa những sóng mang

Hình 2.23: Sự phân tán thời gian và thời gian nhận được tín hiệu tương ứng

Để giải quyết vấn đề này, và làm cho một tín hiệu OFDM ít bị ảnh hưởng bởi phân tán thời gian trên kênh vô tuyến, chèn cyclic prefix (CP) được sử dụng trong trường hợp truyền OFDM Như minh họa trong hình 2.23, chèn CP nghĩa là phần