Quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng 3GPP LTE

Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, các mạng thông tin di động đang ngày càng phát triển để đáp ứng kịpthời nhu cầu ngày càng cao về tốc độ truyền dẫn cũng như chất lượng dịch vụ củakhách hàng, đặc biệt là nhu cầu sử dụng các dịch vụ video trực tuyến thời gian thựccủa các khách hàng di động khiến cho các mạng di động thế hệ thứ 3 chưa thể đáp ứng

đủ Trước tình hình đó ITU đã chuẩn hóa chuẩn 4G với các yêu khắt khe trong tiêuchuẩn IMT Advanced Tổ chức 3GPP đã đưa ra chuẩn LTE, một mạng thông tin diđộng “3.9G” trong release 8 của tổ chức này Với nhiều công nghệ nổi bật được ứngdụng cho LTE, mạng thông tin di động này nhanh chóng được các nhà mạng chấpnhận và đưa vào hoạt động ở nhiều nơi trên thế giới, trở thành một trong những hướngquan trọng nhất đi lên chuẩn 4G

Đối với bất cứ mạng thông tin di động hay mạng không dây nào, vấn đề quản lí tàinguyên vô tuyến như tần số, khe thời gian, mã, công suất,… đều rất được quan tâm,bởi phân bổ tài nguyên này như thế nào cho thích hợp là một vấn đề không hề dễ giảiquyết Đặc biệt là trong mạng LTE, với những đặc điểm riêng biệt so với các mạngthông tin di động thế hệ trước, đã đạt ra những yêu cầu khác biệt trong việc quản lí tàinguyên vô tuyến Cũng vì lí do này, em đã lựa chọn đề tài “Quản lí tài nguyên vôtuyến trong mạng 3GPP LTE” cho đồ án tốt nghiệp của mình

Trong đồ án này, em đã đi vào nghiên cứu các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyếntrong mạng thông tin di động LTE với bố cục đề tài bao gồm 3 chương:

 Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

 Chương 2: Tổng quan về quản lí tài nguyên vô tuyến và các cơ chế quản lí tài

nguyên vô tuyến thường gặp trong các mạng thông tin di động

 Chương 3: Các cơ chế và giải thuật quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng

LTE trong đó tập trung vào các giải pháp giải quyết vấn đề nhiễu liên celltrong LTE

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như chuyênmôn nên chắc chắn bài đồ án của em vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Em rấtmong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô để bài đồ án đượchoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2012 Sinh viên thực hiện

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Có thể nói tốt nghiệp đại học là một cột mốc quan trọng trong sự nghiệp học tậpcủa một sinh viên Để đến được cột mốc quan trọng đó, mỗi chúng ta phải trải qua rấtnhiều thử thách đòi hỏi sự cố gắng, kiên trì của bản thân và không thể không nói đếnnhững sự giúp đỡ tận tình của những người xung quanh mỗi chúng ta

Để hoàn thành được đồ án này, ngoài sự cố gắng của cá nhân, em cũng đã nhậnđược rất nhiều sự giúp đỡ, động viên từ gia đình, thầy cô và bạn bè

Lời cảm ơn chân thành đầu tiên em xin dành gửi tới cô giáo hướng dẫn em thực

hiện đồ án, ThS Dương Thị Thanh Tú, giảng viên khoa Viễn thông I, Học Viện

Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã luôn tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trìnhthực hiện đồ án Mặc dù rất bận rộn nhưng cô luôn dành thời gian định hướng, góp ý,sửa chữa giúp em có được phương pháp nghiên cứu tốt hơn, sắp xếp trình bày đồ ánmột khách khoa học và đúng chuẩn nhất Đồ án tốt nghiệp của em hoàn thành cũngnhờ sự giúp đỡ tận tình của cô

Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo đã dạy dỗ, dìu dắt em khônlớn, trưởng thành tới ngày hôm nay

Xin cảm ơn các bạn của mình, đặc biệt là các bạn trong tập thể lớp D08VT1, đãcùng mình học tập, vui chơi, nếu không có các bạn thì quãng thời gian ngồi trên ghếtrường đại học sẽ không có được nhiều màu sắc, ý nghĩa như thế Cảm ơn các bạn đãluôn bên cạnh giúp đỡ mình trong học tập, động viên và chia sẽ niềm vui nỗi buồntrong cuộc sống

Cuối cùng con xin gửi tới bố mẹ, gia đình, những người luôn yêu thương con nhấtlời cảm ơn từ tận đáy lòng cảm ơn bố mẹ vì trong suốt khoảng thời gian vừa qua đãhết sức tạo điều kiện, quan tâm chăm sóc con để con có thể hoàn thành đồ án này mộtcách tốt nhất!

Hà Nội, tháng 12 năm 2012 Sinh viên thực hiện

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE 1

1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE 5

1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE 8

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE 8

1.3.3 Kiến trúc Roaming 9

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE 10

1.3.4 Kiến trúc giao thức 10

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE 11

Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE 12

Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE 17

1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng 20

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 22

2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 22

2.2 QUY HOẠCH MẠNG 23

2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 23

2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 24

Hình 3.1 Cấu trúc một khung trong truyền dẫn trong LTE 33

Hình 3.2 Vấn đề nhiễu liên cell trong mạng LTE 34

3.2 CÁC CHỈ SỐ ĐO CẦN THIẾT ĐỂ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 34

3.2.1 Các chỉ số đo thực hiện bởi trạm di động 34

3.2.2 Các chỉ số đo được thực hiện bởi eNodeB 35

3.3 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE 38

3.3.1 Các giải thuật quản lí chấp nhận kết nối (Admission Control) 38

3.3.2 Các giải thuật điều khiển công suất (Power control) 39

Hình 3.3 Các bản tin báo hiệu giữa UE và eNodeB trong cơ chế điều khiển công suất (Power Control) 40

3.3.3 Giải thuật thích ứng kết nối (Link Adaption) 41

Trang 4

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link

Adaption) 41

3.3.4 Giải thuật quản lí chuyển giao (Handover Control) 42

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong LTE 44

3.4 CÁC GIẢI THUẬT QUẢN LÍ NHIỄU LIÊN CELL (INTERCELL INTEFERENCE COORDINATION) 45

Hình 3.6 Cơ chế giải quyết nhiễu liên cell theo hai kiểu: ngẫu nhiên hóa và hợp tác – điều phối 46

3.4.1 ICIC tĩnh 46

Hình 3.7 Phương án ICIC của Ericsson 46

Hình 3.8 Phương án ICIC của Alcatel 47

3.4.2 ICIC bán tĩnh 47

Hình 3.9 Phương án ICIC của Siemens 48

Hình 3.10 Phương án ICIC dựa trên lưu lượng của người dùng 49

3.4.3 Các giải thuật lập lịch cho tài nguyên 49

3.4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu năng của các phương án ICIC 52

Hình 3.11 So sánh thông lượng cell giữa 4 phương án ICIC 53

Hình 3.12 So sánh thông lượng cell ở biên của cell giữa 3 phương án ICIC 53

Hình 3.13 Triển khai mạng theo phương án ICIC động 54

Hình 3.14 So sánh thông lượng của cell mục tiêu và cell hàng xóm trong hai phương án ICIC tĩnh và động 55

Hình 3.15 So sánh tỉ lệ nghẽn giữa các phương án phân bổ tần số khác nhau 56

3.4.5 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch 57

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 57

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

Trang 5

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỤC LỤC iii

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link Adaption) 41

Trang 6

3.4.1 ICIC tĩnh 46

Trang 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỤC LỤC iii

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link Adaption) 41

Trang 8

3.4.1 ICIC tĩnh 46

Trang 9

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Dự án đối tác thế hệ thứ ba số 2

mạng GSM

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

Trang 10

GMLC Gateway Mobile Location Centre Cổng trung tâm định vị di động

mặt bằng người dùng

xuống

lên

IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers

Viện kĩ thuật điên và điện tử Hoa Kì

System

Hệ thống truy nhập liên lạc của Nhật Bản

LTE

Avanced

trường

Trang 11

OFDM Orthogonal Frequency Division

trung bình

PCFICH Physical Control Format Indicator

Channel

Kênh vật lí chỉ thị định dạng điều khiển

Function

Bộ phận chức năng quản lí chính sách và tính cước

xuống

gói

mạng lõi LTE

Trang 12

RRC Radio Resource Control Lớp điều khiển tài nguyên vô

tuyến

chiếu

SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division

gian

theo thời gian

System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (mạng 3G)

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

băng rộng

Access

Chuẩn WiMAX

Trang 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE

1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA LTE

Các hệ thống đầu tiên chỉ giới hạn trong phạm vi biên giới quốc gia Chúng chỉ cóđược một số lượng nhỏ người dùng, vì giá thành cho các thiết bị là rất cao, mặt khácchúng lại rất cồng kềnh và ngốn nguồn điện, vì thế chỉ thực sự hoạt động tốt khi đikèm với ô tô

Hệ thống thông tin di động đầu tiên với qua mô lớn xuất hiện trên thị trường vàonhững năm 1980 và còn được gọi là hệ thống “Thế hệ thứ nhất” (1G) Hệ thống 1G sửdụng công nghệ analog và bao gồm nhiều mạng được phát triển trên toàn thế giới (ví

dụ như AMPS ở Mĩ, TACS ở châu Âu, NMT ở một phần của châu Âu, J-TACS ởNhật Bản và Hồng Kông)

Quá trình chuyển vùng quốc tế trở thành hiện thực lần đầu tiên với sự phát triểncủa mạng di động “Thế hệ thứ hai” (2G) với hệ thống GSM, dựa hoàn toàn trên côngnghệ số Sự thành công của GSM dựa trên tinh thần hợp tác để phát triển bằng cáchtập hợp một số các công ty hàng đầu của châu Âu làm việc cùng nhau trong tổ chứcETSI, GSM đã thực sự trở thành một chuẩn mạnh mẽ và được chấp nhận rộng rãi.Được tiếp sức bởi sự phát triển của công nghệ sản xuất các thiết bị cầm tay vớihình dáng nhỏ hơn, hợp thời trang và thời lượng pin dài hơn, sự chấp nhận đối vớichuẩn GSM vượt quá kì vọng ban đầu và giúp tạo nên một thị trường mới rất rộng lớn.Kết quả của việc sự thâm nhập ngày càng phổ biến của các điện thoại GSM trên toàncầu dẫn đến việc thông tin liên lạc dễ dàng hơn trước đó rất nhiều, bắt đầu là thoại vàtin nhắn văn bản, sau đó là các dịch vụ dữ liệu ngày càng phát triển hơn Với sự pháttriển của thế giới, GSM bắt đầu kết nối các cộng đồng và cá nhân ở các vùng cách xanhau mà đường dây cố định không kết nối với nhau được hoặc quá đắt đỏ để có thểtriển khai

Sự tiện dụng của các mạng di động thân thiện với người sử dụng cùng với sự hiểubiết ngày càng tăng của người dùng với các công nghệ cũng như độ tin cậy thực tế củachúng, tạo nên bối cảnh phát triển thuận lợi cho các hệ thống mới với công nghệ tiêntiến hơn và cung cấp dịch vụ tốt hơn Phần tiếp theo sẽ chỉ ra một loạt các bước tiếntiếp nối thành công của hệ thống GSM, mà đỉnh cao là sự phát triển của hệ thống LTE(Long Term Evolution of UMTS – Hệ thống phát triển dài hạn của mạng thông tin diđộng toàn cầu 3G)

Trang 14

1.1.2 LTE trong tương quan với các công nghệ vô tuyến di động

Khác với các công nghệ truyền dẫn sử dụng dây dẫn như đường cáp đồng hay cápquang, phổ tần vô tuyến là một môi trường được chia sẻ bởi nhiều công nghệ khácnhau và chúng có thể gây nhiễu lẫn nhau

Vì thế, cơ quản quản lí tần số, mà cụ thể ở đây là ITU-R (bộ phận phụ trách vôtuyến của liên minh viễn thông quốc tế) và cả cơ quan quản lí cấp khu vực và cấp quốcgia giữ vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng của các công nghệ vô tuyến vì họquyết định xem phần nào của phổ tần và bao nhiêu băng thông được sử dụng dành chocác dịch vụ và công nghệ riêng biệt

Các chức năng của cơ quan quản lí và các tổ chức chuẩn hóa có thể được tổng kếtlại bởi mối quan hệ như sau:

Tốc độ dữ liệu = Băng thông × Hiệu quả sử dụng phổ tần

(Các quy định và giấy phép) (Công nghệ và tiêu chuẩn)

(ITU-R, các cơ quan quản lí)

Trên cấp độ toàn thế giới, ITU-R xác định một họ các công nghệ và phân bố cácphần của phổ tần tương ứng với các họ này Được hỗ trợ bởi ITU-R, phổ tần của cáccông nghệ di động được xác định với các chuẩn công nghệ vô tuyến đáp ứng được yêucầu của ITU-R để có thể là thành viên của gia đình “Viễn thông di động quốc tế”(IMT) IMT bao gồm các hệ thống 3G và các hệ thống đang được phát triển

Từ góc độ tiêu chuẩn công nghệ, có ba tổ chức chính phát triển các tiêu chuẩn phùhợp với yêu cầu của IMT, và ba tổ chức này tiếp tục chi phối bức tranh chung về các

hệ thống vô tuyến di động (hình 1.1)

Mũi tên trên cùng trong hình 1.1 chỉ ra quá trình phát triển các chuẩn của tổ chức3GPP (Dự án đối tác mạng di động thế hệ thứ ba) 3GPP đã phát triển một số chuẩnnhư sau: đầu tiên là thế hệ thứ hai, họ chuẩn GSM/GPRS/EDGE dựa trên nền tảng đatruy nhập phân chia theo thời gian và phân chia theo tần số (TDMA/FDMA); “thế hệthứ ba” họ chuẩn UMTS đánh dấu bởi việc sử dụng đa truy nhập phân chia theo mã(CDMA), được biết đến với các tên CDMA băng rộng (băng tần dành cho sóng manglên đến 5 MHz) hay còn gọi là WCDMA; cuối cùng là LTE (mạng di động phát triểndài hạn) dựa trên nền công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao(OFDMA)

Mục tiêu của hệ thống LTE đó là mở rộng xu hướng về các dịch vụ được cung cấpvượt xa so với việc chỉ cung cấp cuộc gọi thoại thông thường LTE được thiết kế vớimục đích cho phép tất các dich vụ hoạt động trên nền chuyển mạch gói thay vì chuyểnmạch kênh như trước đây Thêm vào đó, LTE cũng đi kèm với một hệ thống mạng lõiđược cải tiến – SAE (Kiến trúc hệ thống tiến hóa) SAE chứa đựng mạng lõi gói đãđược cải tiến (EPC) Kết hợp với nhau, LTE và SAE tạo thành hệ thống chuyển góitiến hóa (EPS), với việc cả mạng lõi lẫn mạng truy nhập vô tuyến đều hoàn toàn sửdụng chuyển mạch gói

Trang 15

Hình 1.1 Các phương hướng tiến lên chuẩn 4G

Sự phát triển các công nghệ truy nhập vô tuyến kế thừa LTE sẽ vẫn được tiếp tụcbởi 3GPP Kể từ Release 99 chuẩn hóa đối với UMTS, hàng loạt các cải tiến mới đượcthêm vào qua mỗi release trong khi vẫn đảm bảo tính tương thích với các phiên bảntrước đó: công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) trong release 5,truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) trong release 6, kết hợp lại còn được gọi

là truy nhập gói tốc độ cao (HSPA), HSPA được cải tiến trong release 7 để thànhHSPA+ bằng cách sử dụng điều chế bậc cao kết hợp với truyền dẫn đa luồng qua côngnghệ đa ănten MIMO Các release 8, 9, 10 hỗ trợ việc hoạt động nhiều sóng mang5MHz cùng lúc ở đường lên và đường xuống Phiên bản đầu tiên của LTE ra đời thôngqua release 8 của 3GPP với việc sử dụng những tiến bộ từ HSPA và HSPA+ LTE cóthể hoạt động ở cả chế độ song công theo tần số (FDD) lẫn song công theo thời gian(TDD) Phiên bản thứ hai của LTE được phát triển tiếp trong các release 9 và release

10, với tên gọi LTE-Advanced

Mũi tên phát triển thứ hai trong hình 1.1 cũng được thực hiện bởi một tổ chức đốitác tương tự như 3GPP đó là 3GPP2 CDMA2000 được phát triển trên nền tảng củachuẩn IS-95 ở Hoa Kì, là mạng di động tế bào đầu tiên sử dụng công nghệ CDMA;được phát triển chủ yếu ở Mĩ, Hàn Quốc và Nhật Bản Các tiêu chuẩn của 3GPP2 tiếptục với việc hướng đến một hệ thống hướng đến dịch vụ dữ liệu (EV-DO), tương tựnhư hướng đi của 3GPP Cần lưu ý rằng LTE có thể hoạt động tương thích hoàn toàn

Trang 16

với các hệ thống mạng đươc phát triển bởi 3GPP2, điều này cho phép sự chuyển đổi

dễ dàng sang LTE với các nhà mạng đã đi theo hướng phát triển của 3GPP2

Mũi tên phát triển cuối cùng được phát triển bởi IEEE, tạo nên họ “802.16” – mộttiêu chuẩn truy nhập băng rộng không dây Chuẩn này cũng hoàn toàn dựa trên chuyểnmạch gói Chuẩn này còn được gọi là WiMAX và được thúc đẩy bởi WiMAX Forum.Phiên bản đầu tiên 802.16-2004 chỉ dành cho truy nhập cố định, trong khí đó phiênbản thứ hai 802.16e hỗ trợ cả di động và vì thế còn được gọi là “WiMAX di động”.Tuy nhiên, cần chú ý rằng hệ thống WiMAX không được thiết kế với cùng điểm nhấnvào tính di động và tính tương thích với mạng lõi của các nhà điều hành mạng như cáctiêu chuẩn của 3GPP Tuy vậy, thế hệ mới nhất được phát triển bởi IEEE là 802.16m

có cùng mục tiêu như LTE-Advanced đó là đáp ứng chuẩn 4G đặt ra bởi ITU

1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU ĐỐI VỚI LTE

Bảng 1.1 So sánh các yêu cầu và mục tiêu cơ bản của LTE Release 8 với Release 6

Yêu cầu cầnđạt

LTE: ghép kênh không gian 2 × 2, máy thu IRC.HSDPA: máy thu Rake, 2 anten thu

Hiệu suất phổ tần

ở biên cell

>0,04 – 0,06 bps/Hz/user

0,02 bps/Hz/user

Như trên, giả sử có 10 người sử dụng mỗi cellHiệu suất phổ tần

LTE: truyền dẫn đơn anten, máy thu IRC.HSUPA: máy thu Rake, 2 anten thu

Hiệu suất phổ tần

ở biên cell

> 0,02 – 0,03 bps/Hz/user

0,01 bps/Hz/user

Như trên, giả sử có 10 người dùng mỗi cell

Trang 17

Trễ thiết lập kết

Từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt độngBăng thông hoạt

(yêu cầu khởi tạo bắt đầu

từ mức 1,25 MHz)Dung lượng VoIP NGMN đặt mục tiêu là > 60 phiên/MHz/cell

Bảng 1.1 chỉ ra so sánh giữa các thông số của LTE (3GPP release 8) và 3GPPrelease 6 Từ việc so sánh với một tiêu chuẩn được 3GPP phát triển sau 3G cụ thể ởđây là release 6, ta có thể tổng kết các đặc điểm yêu cầu và mục tiêu cần phải đạt đếncủa LTE được như sau:

- Giảm độ trễ, cả trong quá trình thiết lập kết nối cũng như trong quá trình truyềndẫn

- Tăng tốc độ dữ liệu cho người dùng

- Tăng tốc độ bit ở biên của cell, cho phép đồng bộ chất lượng dịch vụ;

- Cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần;

- Tăng tính linh hoạt trong việc sử dụng phổ tần, cả ở các băng tần mới cũng nhưcác băng tần đã sử dụng;

- Đơn giản hóa cấu trúc mạng;

- Cung cấp khả năng di động một cách thông suốt và liền mạch, bao gồm cả giữacác công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau;

- Tiêu thụ điện năng một cách hợp lí đối với các thiết bị đầu cuối di động

1.3 KIẾN TRÚC TỔNG QUÁT VỀ MẠNG LTE

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các kiểu kiến trúc của LTE bao gồm có kiếntrúc mạng lõi, mạng truy nhập, kiến trúc roaming và kiến trúc giao thức

1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE

EPS cung cấp cho người dùng kết nối IP đến một PDN để truy nhập Internet, cũngnhư chạy các dịch vụ như VoIP Một vật mang EPS sẽ được thiết lập với một QoSnhất định Nhiều vật mang có thể được thiết lập cùng lúc đến một người sử dụng đểcung cấp các luồng QoS khác nhau hoặc các kết nối đến các PDN khác nhau Ví dụ,một người dùng có thể nhận một cuộc gọi VoIP trong khi vẫn đang duyệt web haydownload file thông qua giao thức FTP Một vật mang dành cho cuộc gọi VoIP cso thểcung cấp QoS cần thiết cho cuộc gọi thoại, trong khi vật mang theo kiểu nỗ lực tối đa

Trang 18

(best-effort) thích hợp cho việc duyệt web hoặc các phiên FTP Hệ thống mạng cũngphải cung cấp quá trình bảo mật và chính sách cho người dùng.

Hình 1.2 Kiến trúc tổng quát mạng lõi LTE Chức năng của các thiết bị trong mạng lõi

Mạng lõi (được gọi là EPC trong SAE) có trách nhiệm điều khiển UE và thiết lậpcác vật mang Các node mạng trong EPC gồm có:

- Gateway PDN (P-GW);

- Gateway phục vụ (S-GW);

- Thực thể quản lí di động (MME);

- Trung tâm dịch vụ định vị di động (E-SMLC)

Bên cạnh các node này, EPC cũng có thêm các node logic khác và các chức năngnhư Gateway trung tâm định vị di động (GMLC), server thuê bao nhà (HSS) và chứcnăng điều khiển chính sách và tính cước (PCRF) Vì EPS chỉ cung cấp vật mang vớiQoS xác định, quá trình điều khiển các ứng dụng đa phương tiện như VoIP được cungcấp bởi hệ thống IMS, hệ thống này hoạt động riêng biệt với EPS Khi một người sửdụng chuyển vùng bên ngoài mạng nhà của thuê bao đó, P-GW, GMLC và miền IMScủa người dùng có thể đặt ở mạng nhà hoặc mạng khách Các node logic trong mạnglõi được chỉ ra trong hình 1 và có các chức năng như được mô tả dưới đây

kiểm soát chức năng tính cước theo luồng trong khối chức năng điều khiểnchính sách bắt buộc đi liền với gateway P-GW Khối chức năng PCRF cungcấp quá trình nhận thực QoS (xác định lớp QoS và tốc độ bit) qua đó quyết

Trang 19

định xem một dòng dữ liệu xác định trên PCEF sẽ được xử lí như thế nào vàbảo đảm điều này phù hợp với profile mô tả của người sử dụng.

(LCS) Sau khi thực hiện quá trình nhận thực, nó gửi các yêu cầu xác định

vị trí đến MME và nhận được các thông tin ước chừng chính thức về vị tríthuê bao

như là profile về QoS của các thuê bao EPS và bất cứ hạn chế nào khichuyển vùng HSS cũng lưu trữ thông tin về các mạng PDN mà người sửdụng có thể kết nối Điều này có thể được lưu dưới dạng tên điểm truy nhập(APN) (là một nhãn đặt tên theo quy ước DNS để miêu tả điểm truy nhậpđến PDN), hoặc một địa chỉ PDN (chỉ một hoặc nhiều địa chỉ IP đã đượcđăng kí) Thêm vào đó, HSS lưu giữ các thông tin động như nhận dạng củaMME về người sử dụng đang được gắn hoặc được đăng kí Bên cạnh đó,HSS có thể tích hợp luôn cả trung tâm nhận thực (AuC) để tạo ra các vectơdành cho các khóa nhận thực và bảo mật

đảm QoS và quá trình tính cước dựa trên luồng theo đúng những quy địnhcủa PCRF P-GW có trách nhiệm lọc các gói tin IP đường xuống đến ngườidùng theo các vật mang dựa trên QoS P-GW thực hiện quá trình thiết lậpbắt buộc QoS với các vật mang GBR tức cần đảm bảo tốc độ bit P-GWcũng hoạt động như là một trạm trung chuyển để chuyển mạng giữa LTEvới các mạng không được phát triển bởi 3GPP như là CDMA2000 vàWiMAX

động như là cổng chuyển di động nội vùng dành cho các vật mang dữ liệukhi UE di chuyển giữa các eNodeB Nó cũng giữ lại các thông tin về vậtmang khi UE ở trang thái tĩnh và tạm thời lưu trữ đệm dữ liệu đường xuốngtrong khi MME đang bắt đầu tìm gọi UE để tái thiết lập vật mang Thêmvào đó, S-GW còn thực hiện một số chức năng quản lí trong mạng khách,như là thu thập thông tin tính cước (ví dụ như số lượng dữ liệu gửi và nhậncủa thuê bao) và quá trình giám sát hợp pháp Nó cũng hoạt động như trạmtrung chuyển di động để hoạt động liên mạng với các tiêu chuẩn kĩ thuật đãđược phát triển bởi 3GPP như là GPRS hay UMTS

• MME MME là node điều khiển để xử lí thông tin báo hiệu giữa UE và

mạng lõi Các giao thức hoạt động giữa UE và mạng lõi được gọi là các giao

thức Non-Access Stratum.

Chức năng chính được hỗ trợ bởi MME được phân loại như sau:

Các chức năng liên quan đến việc quản lí vật mang Bao gồm có thiết

lập, duy trì và giải phóng các vật mang

Trang 20

Các chức năng liên quan đến việc quản lí kết nối Bao gồm có việc thiết

lập kết nối và bảo mật giữa mạng và UE

• E-SMLC E-SMLC quản lí sự phối hợp tổng thể và lập lịch phân bổ các tàinguyên cần thiết để xác định vị trí của UE đang được gắn với E-UTRAN

Nó cũng tính toán vị trí cuối cùng dựa trên các ước lượng mà nó nhận được,qua đó ước tính tốc độ và độ chính xác đạt được của UE

1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE

Mạng truy nhập của LTE, E-UTRAN chỉ đơn giản bao gồm một mạng cáceNodeB, như được mô tả ở trong hình 3 Đối với lưu lượng thông thường dành chongười dùng, không có một trung tâm điều khiển tập trung nào trong E-UTRAN, vìthế có thể nói kiến trúc E-UTRAN là kiến trúc “phẳng”

Các eNodeB kết nối với nhau thông qua giao diện X2, và kết nối với EPC thôngqua giao diện S1, cụ thể hơn là kết nối MME thông qua giao diện S1-MME và kếtnối với S-GW thông qua giao diện S1-U

E-UTRAN chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến,được tổng kết lại như sau:

• Quản lí tài nguyên vô tuyến Chức năng này bao gồm tất cả các chức năngliên quan đến các vật mang vô tuyến như điều khiển vật mang vô tuyến,

Trang 21

điều khiển quyền truy nhập, điều khiển di động, lập lịch và cấp phát động tàinguyên cho UE cả ở đường lên và đường xuống.

• Nén mào đầu Chức năng này bảo đảm việc sử dụng có hiệu quả các giaodiện vô tuyến bằng cách nén các mào đầu IP có mào đầu khá lớn, đặc biệt làđối với các gói kích thước nhỏ như trong VoIP

• Bảo mật Tất cả các dữ liệu được gửi qua giao diện vô tuyến đều được mãhóa

• Định vị E-UTRAN cung cấp các thông số cần thiết và các dữ liệu khác choE-SMLC và hỗ trợ E-SMLC trong việc xác định vị trí của UE

• Kết nối với EPC Chức năng này bao gồm báo hiệu với MME và đường dẫncủa vật mang nối với S-GW

Về phía mạng, tất cả các chức năng trên đều thuộc về eNodeB, mỗi eNodeB cótrách nhiệm quản lí một số cell Không như đối với mạng 2G và 3G, LTE tích hợpchức năng điều khiển vô tuyến vào eNodeB Điều này cho phép thời gian đáp ứngnhanh hơn giữa các tầng giao thức của mạng truy nhập vô tuyến, qua đó giảm trễ, vàcải thiện hiệu năng Phương thức điều khiển phân tán này không cần đến một trungtâm điều khiển có khả năng sẵn sàng cũng như năng lực xử lí cao, dẫn đến việc giảmgiá thành và tránh tình trạng hỏng một trung tâm điều khiển làm ngưng trệ cả hệ thống.Thêm vào đó, LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm nên không cần có chức năng tậptrung các dữ liệu kết hợp ở trong mạng

Tuy nhiên, một hệ quả của việc không có trung tâm điều khiển tập trung đó là khi

UE di chuyển, mạng sẽ phải chuyển tất cả các thông tin liên quan đến UE ví dụ nhưcontext của UE, cùng với các dữ liệu đệm, từ một eNodeB này sang một eNodeBkhác Cần có các cơ chế hoạt động ở giao diện X2 để nhằm tránh mất dữ liệu trong quátrình chuyển giao

Một tính năng quan trọng của giao diện S1 kết nối mạng truy nhập với mạng lõi đó

là S1-flex Đây là khái niệm về nhiều node ở mạng lõi (MME/S-GW) có thể hoạt động

chung trong một vùng địa lí, được kết nối bởi một mạng mesh các eNodeB trong khuvực đó Một eNodeB có thể hoạt động với nhiều MME/S-GW Tập hợp các MME/S-

GW gọi là một pool area Định nghĩa này cho phép các UE ở trong các cell được điều

khiển bởi một eNodeB có thể được chia sẻ với nhiều node CN khác nhau, qua đó cungcấp khả năng chia sẻ tải và tránh việc hỏng một node mạng lõi dẫn đến mạng khôngthể làm việc Context của UE thường được giữ ở cùng một MME miễn là UE vẫn ở

trong một pool area.

1.3.3 Kiến trúc Roaming

Một mạng hoạt động bởi một nhà điều hành ở một nước được gọi là mạng di độngcông cộng mặt đất (PLMN) Chuyển vùng (roaming) là khi người sử dụng được phépkết nối với nhiều PLMN mà họ không phải là thuê bao, tạo nên một đặc tính mạnh mẽcho các mạng di động và LTE/SAE không phải là ngoại lệ Người dùng chuyển vùngđược kết nối với E-UTRAN, MME và S-GW ở mạng LTE khách Tuy nhiên,

Trang 22

LTE/SAE cho phép sử dụng P-GW của mạng nhà hoặc mạng khách, như hình 4 Sửdụng P-GW của mạng nhà cho phép người dùng có thể truy nhập đến các dịch vụ củanhà điều hành mạng nhà ngay cả khi đang ở mạng khách Một P-GW của mạng kháchcho phép một “local breakout” (truy nhập địa phương) đến Internet trong mạng khách.

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE 1.3.4 Kiến trúc giao thức

Ở phần này chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quát về kiến trúc giao thức trong E-UTRAN

1.3.4.1 Mặt phẳng người dùng

Trang 23

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE

Một gói tin IP đến một UE được đóng gói trong một giao thức EPC riêng biệt vàsau đó theo đường hầm tạo giữa P-GW và eNodeB truyền đến UE Các giao thứcđường hầm khác nhau được sử dụng thông qua các giao diện khác nhau Giao thứcđường hầm được xây dựng bởi 3GPP là Giao thức đường hầm GPRS (GTP) đượcdùng giưa các giao diện lõi mạng, S1 và S5/S8

Chồng giao thức mặt phẳng người dùng E-UTRAN (tô đậm trong hình 1.5) baogồm giao thức hội tụ dữ liệu gói (Packet Data Convergence - PDCP), lớp điều khiểnliên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC) và lớp điều khiển phương tiện truy nhập(MAC) kết cuối ở eNodeB về phía mạng

Vì không có một trung tâm điều khiển tập trung nào, dữ liệu được lưu đệm trongquá trình chuyển giao do sự di động của người dùng trong E-UTRAN phải được xử líbởi chính eNodeB Giao thức PDCP chịu trách nhiệm bảo vệ dữ liệu trong khi chuyểngiao Giao thức lớp RLC và MAC đều được tái khởi động trong cell mới sau khi quátrình chuyển giao hoàn thành

Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC protocol) được biết đến như “Lớp3” trong chồng giao thức AS Đây là chức năng chính trong AS, chịu trách nhiệm thiếtlập vật mang vô tuyến và cấu hình tất cả các lớp thấp hơn sử dụng báo hiệu RRC giữaeNodeB và UE

Trang 24

Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE

1.4 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA LTE

1.4.1 Khoảng băng tần sử dụng cho LTE

Có rất nhiều khoảng băng tần có thể được sử dụng trong hệ thống LTE, tùy thuộcvào từng quốc gia hoặc lục địa Các mạng LTE có thể triển khai trên các băng tần đãtồn tại hoặc băng tần mới như:

• Băng tần 900 MHz và 1800 MHz hiện đang dành cho hệ thống GSM;

• Băng tần 850 MHz và 1900 MHz dành cho hệ thống GSM ở Bắc Mĩ;

• Băng tần 700 MHz dành cho mạng truyền hình quảng bá analog và đangđược thay thế dần bởi các hệ thống truyền hình số;

• Băng tần 2100 MHz ở ngoài nước Mĩ, và băng tần kết hợp 1700 MHz và

2100 MHz ở Mĩ đang được dùng rộng rãi cho các hệ thống 3G như làUMTS/WCDMA và HSPA;

• Băng tần mới 2600 MHz hiện chưa được sử dụng ở hầu khắp thế giới

1.4.2 Các loại kênh truyền dẫn trong LTE

Các loại kênh trong LTE được phân chia làm 3 loại:

• Kênh vật lí: là các kênh truyền dẫn dùng để mang dữ liệu của người dùng và

các bản tin điều khiển

• Kênh giao vận: Các kênh giao vận thuộc phân lớp vật lí cho phép trao đổi

thông tin giữa lớp MAC và các lớp cao hơn

• Kênh logic: Cung cấp dịch vụ cho lớp MAC trong cấu trúc giao thức của LTE.

1.4.2.1 Kênh vật lí

Trang 25

• Đường xuống:

 Kênh chia sẻ vật lí đường xuống (PDSCH – Physical Downlink SharedChannel): Sử dụng để truyền dẫn dữ liệu của người dùng, kênh PDSCH đượcthiết kế dành cho tốc độ dữ liệu cao Các sơ đồ điều chế tùy chọn bao gồm cóQPSK, 16-QAM, và 64-QAM

 Kênh quảng bá vật lí (PBCH – Physical Broadcast Channel): Kênh vật lí nàymang các thông tin hệ thống cho các UE cần thiết để truy cập mạng Nó chỉmang các thông tin định dạng của cell và các thông số cần thiết kiểm soát truynhập cần thiết Kênh này guiử bản tin mỗi 40 ms và chỉ sử dụng điều chếQPSK

 Kênh điều khiển vật lí đường xuống (PDCCH – Physical Downlink ControlChannel): kênh vật lí này sử dụng điều chế QPSK Mục đích chính của kênhvật lí này là mang các thông tin các thông tin phân bổ và lập lịch tài nguyênchia làm 4 loại như sau:

 Lập lịch tài nguyên đường xuống

 Hướng dẫn điều khiển công suất đường lên

 Cấp phép sử dụng tài nguyên đường xuống

 Chỉ thị các thông tin hoa tiêu hoặc thông tin hệ thống

 Kênh chỉ thị định dạng điều khiển vật lí (PCFICH – Physical Control FormatIndicator Channel): kênh này thông báo cho UE biết định dạng tín hiệu mà nó

sẽ nhận Nó chỉ ra số các kí hiệu OFDM sử dụng cho PDCCH là 1, 2 hay là 3.Thông tin từ kênh PCFICH là cần thiết vì UE không có thông tin trước đó vềkích thước của vùng điều khiển Kênh này cũng sử dụng điều chế QPSK

 Kênh vật lí đa điểm (PMCH – Physical Multicast Channel): Kênh PMCHmang thông tin muticast (đa điểm), và cũng như PDSCH, PMCH có nhiều lựachọn điều chế bao gồm QPSK, 16-QAM, 64-QAM Thông tin multicast đượcgửi đến nhiều UE cùng lúc

 Kênh vật lí chỉ thị HARQ (PHICH – Physical Hybrid ARQ IndicatorChannel): Kênh vật lí này mang thông tin phản hồi đối với truyền dẫn đườnglên (ACK/NACK) Các bản tin ACK và NACK xác nhận dữ liệu đã đượctruyền đi hoặc yêu cầu truyền dẫn lại các khối dữ liệu thu không chính xác

 Kênh chia sẻ vật lí đường lên (PUSCH – Physical Uplink Shared Channel):Chức năng tương tự như PDSCH Có thể dùng điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM Tài nguyên trên kênh PUSCH được phân bổ dựa trên bộ lập lịch đườnglên

 Kênh điều khiển vật lí đường lên (PUCCH – Physical Uplink ControlChannel): Kênh PUCCH cung cấp thông tin điều khiển đường lên và khôngbao giờ truyền cùng lúc với dữ liệu trên kênh PUSCH PUCCH chứa các

Trang 26

thông tin điều khiển bao gồm chất lượng kênh (CQI – Channel QualityIndication), đáp ứng ACK/NACK ccủa UE trong cơ chế HARQ, và các yêucầu lập lịch đường lên.

 Kênh vật lí truy nhập ngẫu nhiên (PRACH – Physical Random AccessChannel): Kênh PRACH mang các yêu cầu dành các dịch vụ từ các thiết bị diđộng Kênh này truyền các yêu cầu truy nhập khi một thiết bị di động muốntruy nhập vào hệ thống (thiết lập cuộc gọi hoặc đáp ứng thông tin tìm gọi)

1.4.2.2 Kênh giao vận

Kênh giao vận trong LTE khác nhau giữa đường lên và đường xuống khi mỗi phía

có một yêu cầu khác biệt và hoạt động theo những cách khác nhau Các kênh giao vậndùng để chuyển thông tin giữa lớp MAC và các lớp cao hơn

 Kênh tìm gọi (PCH – Paging Channel): dùng để truyền tải kênh PCCH

 Kênh multicast (MCH- Multicast Channel): Kênh giao vân này dùng đểtruyền thông tin MCCH dành cho việc thiết lập truyền dẫn đa điểm

 Kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH – Uplink Shared Channel): Kênh giaovận này là kênh chính cho việc truyền dẫn dữ liệu đường lên, được sử dụngbởi nhiều kênh logic

 Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH – Random Access Channel): dành choviệc truy nhập ngẫu nhiên

1.4.2.3 Kênh logic

Các kênh logic bao gồm dữ liệu được mang trên các giao diện vô tuyến Có thểphân kênh logic ra làm hai loại chính theo chức năng là: kênh điều khiển và kênh lưulượng

• Kênh điều khiển: Các kênh điều khiển trong LTE mang các thông tin của mặt bằngđiều khiể, bao gồm có:

 Kênh điều khiển quảng bá (BCCH – Broadcast Control Channel): Kênh điềukhiển này cung cấp thông tin hệ thống đến tất cả các đầu cuối di động kết nốivới eNodeB

 Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH – Paging Control Channel): Kênh này sửdụng cho cá thông tin tìm gọi một UE trong mạng

Trang 27

 Kênh điều khiển chung (CCCH – Common Control Channel): Kênh này dùngcho các thông tin truy nhập ngẫu nhiê, ví dụ như các hoạt động thiết lập kếtnối.

 Kênh điều khiển riêng (DCCH – Dedicated Control Channel): Kênh điềukhiển này được sử dụng trong việc mang các thông tin điều khiển riêng chomỗi người dùng, ví dụ như các hoạt động điều khiển bao gồm có điều khiểncông suất, chuyển giao, v.v…

• Kênh lưu lượng: các kênh lưu lượng trong LTE dùng để truyền dữ liệu trong mặtbằng người sử dụng, gồm có:

 Kênh lưu lượng dành riêng (DTCH – Dedicated Traffic Channel): Kênh lưulượng này dùng cho việc truyền dẫn dữ liệu của người sử dụng

 Kênh lưu lượng đa điểm (MTCH – Multicast Traffic Channel): Kênh nàyđược sử dụng cho việc truyền dữ liệu đa điểm

1.5 CÁC KĨ THUẬT MỚI ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LTE

1.5.1 Kĩ thuật đa truy nhập

Sử dụng kĩ thuật đa sóng mang cho đa truy nhập trong LTE là lựa chọn đầu tiên khibắt đầu thiết kế Sau khi cân nhắc lựa chọn, các hệ thống được xem xét đến cho đườngxuống là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và Đa - đa truy nhậpphân chia theo mã (Multiple WCDMA), trong khi đối với đường xuống là Đa truynhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA), OFDMA và MultipleWCDMA Cuối cùng, OFDMA được chọn cho đường xuống và SC-FDMA được chọncho đường lên Cả hai phương án này cho phép sử dụng dải tần số một cách linh hoạt

và hiệu quả

Trang 28

Hình 1.7 Công nghệ OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA dành cho đường

lên trong LTE

Hình 1.8 Minh họa phân bổ sóng mang cho các người dùng trong mạng LTE

OFDMA mở rộng kĩ thuật đa sóng mang OFDM để có thể mang đến một hệ thống

đa truy nhập rất linh hoạt OFDM chia nhỏ băng thông được cấp cho việc truyền dẫntín hiệu thành một tập hợp nhiều sóng mang con băng hẹp, sắp xếp sao cho chúng trựcgiao với nhau, các sóng mang con này có thể tự mang luồng thông tin hoặc kết hợp vớinhau để mang thông tin; trong OFDMA, các phân chia băng thông này được khai tháctrong việc chia sẻ các sóng mang con giữa nhiều người sử dụng Sự linh hoạt này cóthể được sử dụng theo nhiều cách:

• Các khoảng băng tần khác nhau có thể được sử dụng tối ưu mà không cầnphải thay đổi các tham số cơ bản của hệ thống hay thiết kế của thiết bị;

Trang 29

• Tài nguyên truyền dẫn mà ở đây là băng thống có thể được phân bổ cho cácngười dùng và lập lịch một cách thoải mái trong miền tần số;

• Tạo điều kiên cho việc tái sử dụng tần số và điều phối nhiễu giữa các cellvới nhau

Hệ thống truyền dẫn thiết kế cho OFDM thường có giá thành cao, vì tỉ số công suấtđỉnh trên công suất trung bình (PAPR) của tín hiệu OFDM thường khá cao, dẫn đếnviệc cần phải có một bộ lọc tuyến tính RF công suất cao Tuy vậy, những hạn chế nàykhông ảnh hưởng đến việc sử dụng OFDM dành cho truyền dẫn đường xuống, nênnhững phương án triển khai với chi phí thấp sẽ không được ưu tiên khi thực hiện ởtrạm gốc

Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE

Ở phía đường lên, tỉ số PAPR cao của OFDM là cản trở lớn trong quá trình truyềndẫn của các thiết bị đầu cuối di động, khi thiết bị di động phải đáp ứng yêu cầu vềcông suất cần thiết để có được vùng phủ rộng, và giá thành của các bộ lọc công suất.SC-FDMA mang đến công nghệ đa truy nhập có nhiều điểm tương đồng với OFDMA,đặc biệt là sự linh hoạt trong miền tần số, và việc thêm vào khoảng bảo vệ ở đầu củamỗi symbol được truyền dẫn để tương thích với bộ cân bằng trong miền tần số có độphức tạp không cao ở phía thu Đồng thời, SC-FDMA có tỉ số PAPR thấp hơn đáng

kể Qua đó, SC-FDMA có thể giải quyết những khó khăn khi triển khai trên đường lênqua đó những lợi ích của việc truyền dẫn đa sóng mang có thể được sử dụng trong khitránh được giá cao của các thiết bị đầu cuối

1.5.2 Kĩ thuật đa anten

Trang 30

Việc sử dụng kĩ thuật đa anten cho phép khai thác miền không gian theo mộthướng hoàn toàn mới Điều này là cần thiết để đáp ứng yêu cầu tăng hiệu năng sửdụng phổ Với việc sử dụng kĩ thuật đa anten, về mặt lí thuyết thì hiệu quả sử dụngphổ tần thu được tăng một cách tuyến tính với số anten tối thiểu phát và thu được triểnkhai, ít nhất phù hợp với môi trường truyền dẫn vô tuyến.

Kĩ thuật đa anten mở ra rất nhiều tính năng mới, nhưng không phải tất cả các tínhnăng này đều có thể dễ dàng đạt được như trong hứa hẹn trong lí thuyết khi triển khaitrong thực tế Kĩ thuật đa anten có thể được sử dụng theo rất nhiều cách, dựa trên banguyên tắc chính, được mô tả trong hình 1.10:

• Tăng ích phân tập Sử dụng phân tập không gian được cung cấp bởi kĩ thuật

đa anten có thể tăng tính khả năng chống lại nhiễu đa đường của quá trìnhtruyền dẫn

• Tăng ích mảng Tâp trung năng lượng về một hoặc nhiều hướng cho trưứcthông qua kĩ thuật precoding (tiền mã hóa) hoặc kĩ thuật beamforming (tạobúp sóng).Quá trình này cũng cho phép nhiều người dùng ở các hướng khácnhau có thể được phục vụ cùng lúc (nên còn được MIMO đa người dùng)

• Tăng ích ghép kênh theo không gian Quá trình truyền dẫn nhiều luồng tínhhiệu của một người dùng duy nhất trên nhiều phân lớp không gian tạo ra bởi

sự kết hợp của các anten

Hình 1.10 Kĩ thuật đa anten trong LTE

(a) Tăng ích phân tập(b) Tăng ích mảng(c) Tăng ích ghép kênh theo không gianMột phần quan trọng trong các nghiên cứu về LTE chính là việc dành cho việc lựachọn và thiết kế các tính năng đa dạng của kĩ thuật đa anten để có thể triển khai trongLTE Hệ thống cuối cùng bao gồm nhiều lựa chọn bổ sung cho phép sự thích nghi dễdàng tùy theo quá trình triển khai mạng và các điều kiện truyền dẫn đến những ngườidùng khác nhau

1.5.3 Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói

Trang 31

LTE là hệ thống được thiết kế hoàn toàn trên nền chuyển mạch gói và đa dịch vụ,không còn sự phụ thuộc vào các giao thức chuyển mạch kênh theo hướng kết nối.Trong LTE, tiêu chí này được thể hiện qua tất cả các lớp của chồng giao thức.

Các tuyến truyền được lâp lịch gói nhanh trên các giao diện vô tuyến được đượcthực hiện bởi HSDPA, điều này cho phép quá trình truyền dẫn các gói nhỏ có cùng chu kì biến đổi như khoảng thời gian nhất quán của kênh phađinh nhanh (hình 9) Điềunày đạt được bằng cáh kết hợp việc tối ưu hóa cấu hình của lớp vật lí và quản lí tàinguyên thực hiện bởi các giao thức lớp liên kết tùy thuộc vào điều kiện môi trườngtruyền dẫn Tính chất này của HSDPA liên quan đến việc kết hợp chặt chẽ giữa hai lớpthấp hơn trong chồng giao thức là lớp MAC và lớp vật lí

Hình 1.11 Lập lịch nhanh và thích ứng liên kết

Trong HSDPA, sự kết hợp này bao gồm có các tính năng như phàn hồi trạng tháikênh nhanh, tương thích liên kết động, phân tập lập lịch triển khai với nhiều người sửdụng, và các giao thức truyền lại Trong LTE, với yêu cầu giảm độ trễ hệ thống, chu kìcủa gói được giảm hơn nữa từ 2 ms đối với HSDPA xuống chỉ còn khoảng 1 ms Chu

kì truyền dẫn ngắn này cùng với các khía cạnh mới về tần số và không gian, đã tiếp tục

mở rôngh hơn nữa kĩ thuật hoạt động liên lớp giữa lớp MAC và lớp vật lí, bao gồmcác kĩ thuật sau:

• Lập lịch thích ứng với cả chiều tần số và thời gian;

• Thích ứng với cấu hình MIMO bao gồm cả chọn lựa một số lớp không gian

để truyền dẫn cùng lúc;

• Sự thích ứng liên kết của quá trình điều chế và tốc độ bit, bao gồm các số từ

mã được truyền đi;

• Nhiều chế độ báo cáo trạng thái kênh nhanh

Trang 32

1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng

Trong thực tế, cần phải thấy rằng thị trường các thiết bị cầm tay rất rộng lớn và đadạng, vì thế LTE cần phải có khả năng hỗ trợ các loại UE khác nhau với khả năngkhác nhau để đáp ứng các phân khúc khác nhau của thị trường Nhìn chung, mỗi phânkhúc thị trường có những điểm ưu tiên nhất định như tốc độ bit đỉnh, kích cỡ của thiết

bị, giá thành và thời lượng pin Một số điểm đối lập có thể kể ra ở đây:

• Hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao nhất là chìa khóa quan trọng để UE có thể thực thimột số chức năng, tuy nhiên lại yêu cầu UE phải có nhiều bộ nhớ để xử lí

dữ liệu, khiến giá của UE bị tăng lên

• UE có kích thước lớn như laptop không bị hạn chế nhiều về việc tiêu thụđiện năng với số lượng anten được sử dụng; trong khi đó, các phân khúc thịtrường khác yêu cầu những thiết bị cầm tay siêu mỏng có rất ít không giandành cho nhiều anten hoặc pin cỡ lớn

Vì những lí do đó nên LTE cần phải hỗ trợ cho nhiều loại UE khác nhau để đápứng những yêu cầu khác nhau của các phân khúc thị trường Tuy nhiên, hỗ trợ mộtlượng lớn các loại UE cũng có điểm bất lợi đó là mào đầu báo hiệu cho mỗi UE để báocho mạng biết các chức năng của nó, cũng như là việc giá cả bị tăng lên do phải mởrộng và tăng tính phứuc tạp khi thử nghiệm tích tương thích với nhiều cấu hình khácnhau

Phiên bản LTE đầu tiên vì thế được thiết kết hỗ trợ năm chủng loại UE, từ các thiết

bị cầm tay giá thấp dành cho UMTS HSPA cho đến các loại điện thoại chất lượng cao

có thể triển khai các công nghệ mở rộng mới nhất của LTE

Bảng 1.2 dưới đây liệt kê các chủng loại UE mà LTE release 8 hỗ trợ Có thể thấyrằng loại UE cao cấp nhất mà LTE Release 8 hỗ trợ có thể hoạt động và kiểm soát tốc

độ dữ liệu đỉnh vượt xa so với yêu của Release 8

Bảng 1.2 Phân loại thiết bị cầm tay hỗ trợ bởi 3GPP release 8 và release 9

Trang 33

1.6 KẾT LUẬN

Chương 1 này trình bày một cách tổng quan về mạng thông tin di động LTE, một

hệ thống “3.9G” được phát triển bởi 3GPP trên nền của chuẩn công nghệ 3G UMTS.Mạng LTE được ứng dụng nhiều công nghệ mới như kĩ thuật đa truy nhập phân chiatheo tần số trực giao OFDMA ở đường xuống, đa truy nhập phân chia theo tần số đơnsóng mang SC – FDMA ở đường lên, kĩ thuật đa anten MIMO, phân loại thiết bị người

sử dụng, … bên cạnh đó là việc chuyển toàn bộ hệ thống mạng truy nhập cũng nhưmạng lõi sang chuyển mạch gói Các kĩ thuật được ứng dụng này đã giúp LTE đạtđược các yêu cầu được đề ra như tăng tốc độ dữ liệu cho người dùng (trên 100 Mbpsvới đường lên, trên 50 Mbps với đường xuống trong điều kiện thử nghiệm), cải thiệnhiệu suất sử dụng phổ tần (trên 5 bps/Hz với đường xuống và trên 2,5 bps đối vớiđường xuống), giảm độ trễ trong quá trình thiết lập kết nối (dưới 10 ms trong mặt bằngngười dùng), tăng tốc độ bit ở biên cell, tăng tính linh hoạt khi sử dụng phổ tần, đơngiản hóa cấu trúc mạng, cung cấp khả năng di động thông suốt và liền mạch với cả cáccông nghệ truy nhập vô tuyến khác và bảo đảm tiêu thụ điện năng một cách hợp lí vớicác thiết bị di động Các đặc điểm tiên tiến nói trên đã giúp cho LTE có bước pháttriển vượt bậc so với công nghệ 3G UMTS và trở thành một hướng chính đi lên chuẩn4G

Trang 34

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN

2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN

Trước hết muốn hiểu về tài nguyên vô tuyến, ta đi vào một khái niệm cụ thể đó làđơn vị tài nguyên vô tuyến Một đơn vị tài nguyên vô tuyến (RRU – Radio ResourceUnit) ở đây được xác định là một tập hợp các thông số truyền dẫn cơ bản cần thiết để

hỗ trợ cho sóng tín hiệu có thể truyền đi thông tin của người dùng tương ứng với dịch

vụ mà người đó sử dụng Cụ thể hơn, ta có:

• Trong FDMA, đơn vị tài nguyên vô tuyến tương ứng với một khoảng băngthông nhất định trong tần số sóng mang cho trước Ví dụ, trong hệ thốngTACS, một đơn vị tài nguyên vô tuyến là một khoảng 25 kHz trong băngtần 900 MHz

• Trong TDMA, một đơn vị tài nguyên vô tuyến tương ứng với một cặp tần sốsóng mang và một khe thời gian Ví dụ, trong GSM, một đơn vị tài nguyên

vô tuyến là một khe thời gian 0,577 ms trong mỗi 4,615 ms một và trênkhoảng băng thông 200 kHz của băng tần 900 MHz, 1800 MHz và 1900MHz

• Trong CDMA, một đơn vị tài nguyên vô tuyến được xác định bởi một tần sốsóng mang, một chuỗi mã và một mức công suất nhất định Sự khác biệtchính ở đây so với các công nghệ khác là mức công suất yêu cần thiết để hỗtrợ kết nối với người dùng không cố định mà phụ thuộc vào mức độ nhiễu

Ví dụ, đối với hệ thống UTRAN FDD đó là khoảng băng thông 5 MHztrong băng tần 2 GHz cũng như một cặp mã trực giao có độ dài khả biến(OVSF - Orthogonal Variable Spreading Factor) và mã trộn được xác định

để hỗ trợ cho một dịch vụ cho trước Tuy nhiên, số lượng các tài nguyêndành cho công suất phát cũng thay đổi theo thời gian tùy thuộc và các yếu tốbối cảnh, ví dụ như điều kiện truyền dẫn, nhiễu, mức độ tải của cell, ….Bên cạnh các yếu tố chính về mặt vật lí (tần số, khe thời gian, chuỗi mã và mứccông suất), còn có các yếu tố vật lí khác ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn như các

sơ đồ điều chế, sơ đồ mã hóa kênh, … Có thể thấy rõ rằng tùy thuộc vào các phương

án triển khai, các nhân tố ảnh hưởng có thể dẫn đến hiệu năng khác nhau Tuy vậy, vớiđịnh nghĩa khái niệm về một đơn vị tài nguyên vô tuyến, chỉ có những thông số truyềndẫn chính được cân nhắc đến

Cần phải chú ý rằng, với các hệ thống đa dịch vụ, mỗi dịch vụ có thể yêu cầu một

số lượng đơn vị tài nguyên vô tuyến nhất định Các dịch vụ cần tốc độ bit cao rõ ràngcần nhiều tài nguyên vô tuyến Sẽ cần thêm các khoảng băng tần nếu cơ chế truy nhập

là FDMA, thêm các khe thời thời gian trong trường hợp TDMA hoặc thêm các chuỗi

mã cùng với mức công suất phát cao hơn nếu sử dụng CDMA

Trang 35

2.2 QUY HOẠCH MẠNG

Mục tiêu của nhà điều hành mạng khi triển khai một hệ thống là có khả năng phục

vụ các khách hàng với QoS đúng yêu cầu trong vùng phủ Để đạt được điều này, mộtmạng tổng quát phải liên quan đến nhiều vấn đề phụ như vùng phủ của mạng, thiết kếmạng truyền dẫn và mạng lõi

Tập trung vào phần vô tuyến, vấn đề ở đây là phải cung cấp đủ số lượng đơn vị tàinguyên vô tuyến trong vùng phục vụ và đảm bảo chất lượng

Cần lưu ý rằng việc đầu tư của nhà điều hành vào cấu trúc mạng vô tuyến chủ yếu

là vào số các trạm gốc hay các nodeB được triển khai, qua đó:

• Tăng số người dùng được phục vụ Số lượng người dùng càng cao, dunglượng của mạng càng phải cao, vì thế cần thêm các trạm gốc

Vấn đề quyết định ở đây chính là giá gắn với việc đảm bảo QoS Cách cơ bản nhất

để đảm bảo QoS là sử dụng nhiều tài nguyên hơn mức cần thiết Tất nhiên, vấn đềđáng quan tâm ở đây đó là cung cấp mức QoS mong muốn với tài nguyên tối thiểunhất có thể, qua đó làm giảm tiền vốn đầu tư trong khi vẫn có thể đáp ứng những yêucầu thiết kế mạng

Có thể nói kết quả của việc quy hoạch mạng vô tuyến sẽ là cung cấp số lượng RRUtheo vùng phục vụ bằng các phương tiện là một cấu trúc mạng và cấu hình cho trướccủa cell Cần chú ý rằng, khi mà số lượng dịch vụ và mức độ sử dụng dịch vụ thay đổitheo thời gian và không gian thì số lượng RRU được cung cấp cũng phải theo đổi tùytheo thời gian và không gian Vì thế nên, quy hoạch mạng vô tuyến là một quá trìnhđộng, liên tục biến đổi

2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN

Như đã nêu ở phần trên, mạng vô tuyến triển khai để đáp ứng một tập hợp các yêucầu về đơn vị tài nguyên vô tuyến, do đó, một số lượng nhất định của RRU được cungcấp trong vùng phục vụ vào khoảng thời gian nhất định Vì thế, quá trình phân bổthích hợp với nguồn tài nguyên vô tuyến được cung cấp đến người dùng trong mạng làrât cần thiết, khi mà người dùng yêu cầu dịch vụ và di chuyển Các chức năng quản lítài nguyên vô tuyến có vai trò chính là phân bổ và quản lí các đơn vị tài nguyên vôtuyến được cung cấp

Về cơ bản, bản chất của hệ thống di động là động Tính động được hợp thành từnhiều yếu tố: điều kiện truyền dẫn, điều kiện về lưu lượng tải, điều kiện nhiễu, … Do

đó, cần phải có một phương pháp quản lí động đối với tài nguyên vô tuyến, các cơ chế

Trang 36

RRM liên quan đến một số lượng lớn các thông số cần chọn lựa, tính toán, phân tích

và tối ưu

Theo một khía cạnh khác thì quản lí tài nguyên vô tuyến là quá trình điều khiển ởmức hệ thống đối với nhiễu đồng kênh và các đặc tính truyền dẫn vô tuyến Các cơ chếquản lí tài nguyên vô tuyến (RRM) rất đa dạng, có thể kể ra ở đây như điều khiển côngsuất, phân bổ kênh, điều khiển chuyển giao, lập lịch gói kể cả các sơ đồ điều chế và sơ

đồ mã hóa sửa lỗi,v.v… Mục tiêu ở đây là phân bổ hiệu quả RRU, sử dụng tối thiểu tàinguyên trong khi vẫn đạt được hiệu suất mong muốn

2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN

Các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến có thể được phân loại theo một số tiêu chí sau:a) Tiêu chí đầu tiên là theo cơ sở dựa trên của cơ chế quản lí:

• Các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến theo góc nhìn từ mạng, ví dụ như: điềukhiển tiếp nhận kết nối (Admission control), điều khiển tải (Load Control), lậplịch gói (Packet scheduler), quản lí tài nguyên (Resource Manager), …

• Các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến theo góc nhìn từ kết nối, ví dụ như: điềukhiển chuyển giao (Handover Control), điều khiển công suất (Power Control)b) Tiêu chí thứ hai là tính động của cơ chế quản lí:

• Cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến có thể là tĩnh, thường được thiết lập ngay từkhi thiết kế, quy hoạch mạng và các cell Ví dụ như: kế hoạch phân bổ tần số,chọn lựa các thông số điều chế và mã hóa kênh, phân tập không gian với trạmgốc, … Có thể thấy đây là các cơ chế truyền thống thường được sử dụng trongnhiều mạng thông tin vô tuyến như là các hệ thống mạng 1G và 2G Chúng taquan tâm hơn đến các cơ chế quản lí động

• Cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến động: các cơ chế này thay đổi thích ứngtheo các thông số như tải lưu lượng, vị trí người dùng, QoS yêu cầu.v.v… Các

cơ chế RRM động được cân nhắc tới trong khi thiết kế hệ thống, nhằm giảmviệc phụ thuộc vào việc hoạch định cell thủ công đắt đỏ và hướng tới việc tái sửdụng tài nguyên (tần số chẳng hạn) nhiều hơn, qua đó cải thiện hiệu năng hệthống Một số các cơ chế RRM động có thể kể ra gồm:

− Cơ chế điều khiển công suất (Power control);

− Cơ chế thích ứng kết nối (hay mã hóa và điều chế thích ứng) (LinkAdaption);

− Cơ chế quản lí tiếp nhận kết nối (Admission control);

− Phân bổ băng thông động (Dynamic bandwidth allocation);

− Cơ chế lập lịch gói (Packet scheduler);

− Cơ chế điều khiển chuyển giao (Handover control);

− Cơ chế lọc thích ứng (Adaptive filtering);

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	1,85 MB