Triển khai mạng thông tin di động 4g tại việt nam

Triển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt NamTriển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt NamTriển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt NamTriển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt NamTriển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt NamTriển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt NamTriển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt NamTriển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt Nam

HỒ HẢI YẾN

ĐỀ TÀI: TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI, NĂM 2016

HỒ HẢI YẾN

ĐỀ TÀI: TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Các kết quả nghiên cứu do chính tôi thực hiện với sự chỉ đạo của giảng viên hướng dẫn

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên

Hồ Hải Yến

em trong quá trình học tập và công tác sau này

Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỀU vii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 3

1.1 Giới thiệu chung về mạng thông tin di động 4G LTE 3

1.1.1 Mục tiêu của mạng 4G LTE 3

1.1.2 Sơ đồ kiến trúc tổng quan của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G 4

1.2 Cấu trúc mạng 4G LTE 6

1.2.1 Cấu trúc các phần tử mạng 4G LTE 6

1.2.2 Chức năng các phần tử 8

1.3 Một số kỹ thuật chính sử dụng trong mạng 4G LTE 11

1.3.1 Kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong LTE 11

1.3.2 Kỹ thuật đa anten MIMO 23

1.3.3 Mã hóa Turbo 26

1.3.4 Thích ứng đường truyền 26

1.3.5 Lập biểu hay lập lịch (Scheduling) phụ thuộc kênh 27

1.3.6 HARQ với kết hợp mềm 27

1.4 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G TRÊN THẾ GIỚI 29

2.1 Các xu hướng phát triển thông tin di động lên 4G 29

2.2 Kiến trúc WiMAX 32

2.2.1 Mô hình hệ thống mạng WiMAX 32

2.2.2 Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới 36

2.2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX 38

2.3 Mô hình mạng 4G LTE 39

2.3.1 Đặc điểm kiến trúc mạng thông tin di động 4G LTE 39

2.3.2 Tình hình triển khai LTE trên thế giới 43

2.3.3 Ưu điểm của kiến trúc LTE 48

2.4 So sánh LTE với WiMAX 48

2.5 Kết luận chương 2: 49

CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G TẠI VIỆT NAM 51

3.1 Thực trạng mạng thông tin di động tại Việt Nam và khả năng triển khai 4G 51

3.1.1 Tình hình dịch vụ 3G và các vấn đề còn tồn tại 51

3.1.2 Bài học kinh nghiệm từ phát triển 3G 59

3.1.3 Thuận lợi và khó khăn khi triển khai 4G tại Việt Nam 62

3.2 Tình hình triển khai 4G thử nghiệm tại Việt Nam 66

3.2.1 Giai đoạn 1: Năm 2010 -2011 66

3.2.2 Giai đoạn 2: Năm 2015 – 2016 68

3.3 Đề xuất mô hình triển khai 4G tại Việt Nam 74

3.3.1 Các tiêu chí quyết định lựa chọn mô hình triển khai 4G 74

3.3.2 Đề xuất triển khai 4G LTE tại Việt Nam 77

3.3.3 Lộ trình triển khai 4G LTE cho mạng di động MobiFone 81

3.4 Kết luận chương 3: 91

KẾT LUẬN CHUNG 92

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ tổng quan mạng từ 2G - 4G 5

Hình 1 2 So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE 6

Hình 1 3 Cấu trúc cơ bản của LTE 7

Hình 1 4 Kiến trúc SAE cơ bản 8

Hình 1 5 Cấu hình cho SAE hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA 9

Hình 1 6 Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE 9

Hình 1 7 So sánh phổ tần của OFDM với FDM 12

Hình 1 8 Các sóng mang trực giao với nhau 13

Hình 1 9 Sơ đồ khối điều chế tín hiệu băng gốc OFDM 16

Hình 1 10 Sơ đồ biến đổi thu phát tín hiệu OFDM 17

Hình 1 11 Biến đổi FFT 18

Hình 1 12 Khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM 19

Hình 1 13 OFDM và OFDMA 20

Hình 1 14 Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên 22

Hình 1 15 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 24

Hình 1 16 Ghép kênh không gian 25

Hình 1 17 Điều chế thích nghi 26

Hình 2 1 Sự phát triển của thông tin di động từ 2G – 4G …29

Hình 2 2 Sự phát triển của các chuẩn WiMAX 32

Hình 2 3 Cấu trúc mạng WiMAX 33

Hình 2 4 Số lượng người sử dụng dịch vụ WiMAX tính đến năm 2012 36

Hình 2 5 Các thuộc tính kỹ thuật của LTE 40

Hình 2 6 Kiến trúc mạng 4G LTE 41

Hình 2 7 So sánh tốc độ trung bình 4G LTE so với 3G, 2G và Wi-Fi 46

Hình 3 1 Dự báo tăng trưởng thuê bao smartphone giai đoạn 2015-2021 theo khu vực địa lý……… 63

Hình 3 2 Tăng trưởng thuê bao 2011-2015 và dự báo đến năm 2021 64

Hình 3 3 Bộ thu phát sóng lắp đặt tại tòa nhà Internet 67

Hình 3 4 Hệ thống mạng lõi 67

Hình 3 5 Thống kê băng tần triển khai LTE trên thế giới theo GSA [2] 78

Hình 3 6 Cấu trúc mạng 4G MobiFone khi chưa triển khai IMS 86

Hình 3 7 Cấu trúc mạng lõi 4G LTE không triển khai IMS 86

Hình 3 8 Kiến trúc mạng 4G MobiFone có IMS 88

DANH MỤC BẢNG BIỀU

Bảng 1 1 Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 21

Bảng 2 1 Sự phát triển từ GSM lên LTE ………30

Bảng 2 2 Sự phát triển từ CDMA lên LTE 31

Bảng 2 3 Các thuộc tính kỹ thuật của LTE 40

Bảng 2 4 Lộ trình phát triển LTE của một số nước trên thế giới 44

Bảng 2 5 Các quốc gia, vùng lãnh thổ có tốc độ trung bình mạng 4G LTE nhanh nhất thế giới 47

Bảng 2 6 Các quốc gia, vùng lãnh thổ có vùng phủ sóng tốt nhất 47

Bảng 3.1 Các dòng máy hỗ trợ mạng 4G phổ biến tại Việt Nam ……… 75

Bảng 3 2 Cấu trúc mạng MobiFone tính đến năm 2011 84

Bảng 3 3 Lộ trình phát triển hạ tầng mạng MobiFone tính đến năm 2015 85

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

phát triển

số FDMA Frequency Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

Request

Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt

Access

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

HSUPA High Speed Uplink packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

IMT-2000 International Mobile

Telecommunication 2000

Thông tin di động quốc tế 2000

PAPR Peak to Avegare Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

Thuật ngữ Tiếng Việt Tiếng Anh

trung bình PCRF Policy and Charing Rules Fuction Chức năng quy tắc tính cước và

chính sách

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc mạng

SC-FDMA Single Carier – frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: Thoại, video, hình ảnh và dữ liệu Để đáp ứng về nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng cao, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến

và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới Công nghệ thông tin di động đã trải qua 3 thế hệ (1G, 2G và 3G), đang hướng tới các công nghệ 4G và sau đó, trong đó LTE thu hút sự quan tâm rộng rãi LTE được xem như hệ thống tiến hóa cho các công nghệ di động dựa trên nền tảng GSM (GSM, GPRS/EDGE, HSPA) Mục đích của LTE là cung cấp công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng

di động (100Mb/giây) với độ trễ truyền tải thấp, đồng thời hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho lưu lượng dữ liệu với GPRS/HSPA

Hiện nay, 4G LTE đang phát triển rất nhanh trên thế giới Theo số liệu của GSA, tính đến tháng 4/2015 toàn thế giới có gần 500 triệu thuê bao LTE (trên tổng số 6.44 tỷ thuê bao di động), chiếm 7% tổng số kết nối di động, tăng trưởng hàng năm đạt 140% [2] Với ưu thế vượt bậc về khả năng cung cấp các dịch vụ truy nhập tốc độ cao, cùng với xu hướng dần phổ cập các thiết bị đầu cuối, mạng 4G LTE được coi là xu hướng phát triển chủ đạo của viễn thông thế giới trong thời gian tới

Tại Việt Nam, ngay từ khi công nghệ 4G mới ra đời và bắt đầu phát triển những năm 2010, 2011, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có những nghiên cứu, chuẩn bị để xây dựng kế hoạch triển khai Năm 2016 được coi là thời cơ chín muồi để đẩy mạnh phát triển 4G tại Việt Nam Tuy nhiên, vẫn còn những khó khăn, thách thức đặt ra trong khi triển khai 4G ở Việt Nam bao gồm: Điều kiện

hạ tầng viễn thông và tài nguyên tần số, chính sách phân bổ tài nguyên tần số cho phù hợp và thị trường thiết bị đầu cuối [1] Vì vậy, việc đưa ra một lộ trình với các chiến lược phù hợp trong quá trình triển khai 4G là bài toán chung cho

các doanh nghiệp viễn thông Việt Nam Luận văn nghiên cứu về vấn đề “Triển khai mạng thông tin di động 4G tại Việt Nam” Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 4G LTE

Chương 2: Các mô hình triển khai mạng thông tin di động 4G trên thế giới

Chương 3: Triển khai mạng thông tin di đông 4G tại Việt Nam

Luận văn đã đề cập đến các vấn đề về tổng quan về công nghệ LTE, kiến trúc mạng 4G LTE, các tính năng vượt trội của 4G so với 3G, một số kỹ thuật sử dụng trong mạng 4G LTE Luận văn cũng đưa ra các mô hình mạng 4G, xu hướng phát triển LTE trên thế giới, phân tích kết quả triển khai thử nghiệm, từ đó

đề xuất lộ trình phát triển công nghệ LTE tại Việt Nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI

1.1 Giới thiệu chung về mạng thông tin di động 4G LTE

1.1.1 Mục tiêu của mạng 4G LTE

LTE là thế hệ thứ tư 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 LTE bắt đầu được tiêu chuẩn hóa kể từ phiên bản 3GPP Release 8, cho đến hiện tại 3GPP

đã ban hành đến phiên bản 3GPP Release 11 Kể từ Release 10, LTE được gọi là LTE Advanced

Các mục tiêu của công nghệ này là:

- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20MHz

 Tải lên: 50 Mb/giây

 Tải xuống: 100 Mb/giây

- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz

so với mạng HSDPA Release 6

 Tải lên: Gấp 2 đến 3 lần

 Tải xuống: Gấp 3 đến 4 lần

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

- Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30-100km thì không hạn chế

- Băng thông linh hoạt: Có thể hoạt động với các băng tần 1.25MHz, 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, 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

đã phát triển từ 2G GSM lên HSPA+ Dưới đây là sơ đồ kiến trúc tổng quát của mạng 2G GSM và sự phát triển lên LTE từ GSM

Hình 1 1 Sơ đồ tổng quan mạng từ 2G - 4G

- Mạng 2G GSM: Mạng GSM ban đầu chỉ có dịch vụ thoại, chưa có dịch vụ

dữ liệu nên kiến trúc mạng chỉ bao gồm phần CS, sử dụng toàn bộ truyền dẫn là TDM Với 2.5G bao gồm cả dịch vụ dữ liệu, kiến trúc mạng có thêm phần lõi PS (phần RAN vẫn sử dụng chung cho cả thoại và dữ liệu) Trong cấu trúc mạng 2G, miền thoại vẫn dùng toàn bộ truyền dẫn TDM, chỉ trong miền truyền dữ liệu mới

sử dụng truyền IP

- Mạng 3G: Mạng 2G phát triển lên 3G bổ sung thêm toàn bộ lớp mạng truy nhập riêng cho 3G Lớp truy nhập của 3G kết nối với lõi CS bằng ATM và kết nối mạng lõi PS bằng IP Một phát triển lớn của 3G so với 2G nữa là sự tách biệt MSC thành MSC server và MGW, tách phần điều khiển và truyền tải trong MSC

- Mạng 4G LTE: So với mạng 3G, 4G phát triển thêm cấu trúc cả phần truy nhập và mạng lõi Phần truy nhập chỉ có 1 phần tử (eNode B) kết nối trực tiếp

với mạng CS và PS thông qua S-GW và MME Có sự tách biệt phần điều khiển với miền truyền tải và truy nhập (hình 1.1)

1.2 Cấu trúc mạng 4G LTE

1.2.1 Cấu trúc các phần tử mạng 4G LTE

Cấu trúc mạng LTE được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với khả năng di động trong suốt, quản lý chất lượng dịch vụ và thời gian trễ truyền tối thiểu Cách tiếp cận này cho phép hỗ trợ tất cả các loại dịch vụ bao gồm cả thoại qua kết nối truyền tải gói dữ liệu

Kết quả dẫn đến cấu trúc mạng được đơn giản hóa chỉ bao gồm hai node mạng là eNodeB và cổng/phần tử quản lý mạng MME/GW Điều này tương phản với cấu trúc gồm nhiều loại node mạng trong cấu trúc mạng phân lớp của

hệ thống 3G

Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 1 2 So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE

Hình 1.2 cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE Song song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng SAE Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi phí và thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP

Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): Mạng truy nhập

vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính

của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia sẻ (không còn chuyển mạch kênh) Phương pháp này

sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định

SAEGW

EPC

E-UTRANeNodeB

User EquipmentUE

Hình 1 3 Cấu trúc cơ bản của LTE

Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào Dựa vào chúng, mạng có thể được chia thành hai phần: Mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là SAE Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node Vì vậy, cấu trúc mạng LTE là cấu trúc đơn node Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy

nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B) Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2 Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi S1 chia làm hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME

là giao diện giữa eNodeB và MME X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

1.2.2 Chức năng các phần tử

1.2.2.1 Kiến trúc mạng lõi LTE:

Khi bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn LTE RAN, công tác chuẩn hóa mạng lõi cũng được bắt đầu Công tác này được gọi là phát triển kiến trúc hệ thống (SAE: System Architecturre Evolution) Mạng lõi được định nghĩa trong công tác SAE

là sự phát triển triệt để từ mạng lõi GSM/GPRS và vì thế có tên gọi mới lõi gói phát triển (EPC: Elvolved Packet Core) Phạm vi EPC chỉ bao gồm chuyển mạch gói không có miền chuyển mạch kênh

Hình 1 4 Kiến trúc SAE cơ bản

- EPS nối đến LTE RAN qua giao diện S1 và đến Internet qua giao diện SGi

- Ngoài ra SAE nối đến HSS (tương ứng với HLR trong mạng lõi GSM/WCDMA) qua giao diện S6a

- Giữa UE và mạng truy nhập vô tuyến có giao diện Uu

Hình 1 5 Cấu hình cho SAE hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA

Untrusted Non-3GPP IP Access

Operators IP

Server

Trusted Non-3GPP IP Access

Serving Gateway

vPCRF

3GPP AAA Proxy

ePDG

PDN Gateway

HSS

hPCRF

Operators IP Server IMS, PSS

3GPP AAA Proxy S6a

STa

SWn GXa

S9 SGi

Hình 1 6 Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE

1.2.2.2 Chức năng các node trong mạng lõi LTE:

Mobility Management Entity (MME): Chịu trách nhiệm xử lý những

chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên

Serving Gateway: Là node kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô

tuyến EUTRAN Serving Gateway có những chức năng bao gồm:

- Là node hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong quá trình thiết bị di động di chuyển

- Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP (chấm dứt sự truy nhập vô tuyến bởi giao diện S4 và tiếp nhận kênh truyền tải từ mạng 2G, 3G và PDN Gateway)

- Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu dịch vụ

- Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink

- Tính toán chi phí của người dùng

- Cho phép cấp quyền truy nhập

- Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói

- Hỗ trợ việc tính cước

PDN Gateway: Là node kết thúc giao diện SGi về phía PDN Nếu có 1

UE truy cập vào nhiều PDN, nó có thể cung cấp 1 hay nhiều hơn PDN phục vụ

UE PDN bao gồm những chức năng sau:

- Thực thi chính sách

- Mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ khác nhau

- Tính phí hỗ trợ

- Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink

- Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập

- Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP

- Phân loại các gói

- Có chức năng như DHCP trong 3G (Dynamic Host Configuration

Protocol: Giao thức cấu hình động máy chủ)

eNodeB: Có cùng chức năng như NodeB và ngoài ra nó còn có hầu hết

chức năng RNC của WCDMA/HSPA Với những chức năng như:

- Thực hiện quyết định lập biểu cho cả đường lên và đường xuống

- Quyết định chuyển giao

- Chịu trách nhiệm về tài nguyên vô tuyến trong các ô của mình

- Thực hiện các chức năng lớp vật lý thông thường như mã hóa, giải mã, điều chế, giải điều chế, đan xen, giải đan xen…

- Thực hiện cơ chế phát lại HARQ

ePDG: Chức năng của ePDG bao gồm: Điều khiển sự phân bổ địa chỉ IP

Hỗ trợ truy nhập từ các mạng không thuộc 3GPP: Để hỗ trợ cho việc

chuyển giao, kiến trúc mạng lõi EPC có 3 giao diện hỗ trợ truy nhập:

- S2a: Là giao diện giữa mạng không thuộc 3GPP với PDN Gateway

- S2b: Là giao diện giữa ePDG và PDN Gateway

- S2c: Là giao diện giữa UE và Gateway

1.3 Một số kỹ thuật chính sử dụng trong mạng 4G LTE

Để đạt được các mục tiêu về thông số kỹ thuật mạng, có rất nhiều kĩ thuật mới được áp dụng trong LTE LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát

lại lai ghép

1.3.1 Kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong LTE

1.3.1.1 Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDMA

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

Hình 1 7 So sánh phổ tần của OFDM với FDM

Truyền dẫn OFDM là một kiểu truyền dẫn đa sóng mang, một số đặc điểm của OFDM:

- Sử dụng nhiều sóng mang: Chẳng hạn nếu một hệ thống MC-WCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20MHz sử dụng 4 sóng mang với mỗi sóng mang có băng tần là 5MHz, thì với băng thông như vậy OFDM có thể sử dụng

2048 sóng mang với băng thông sóng mang con 15MHz

- Các sóng mang con trực giao với nhau và khoảng cách giữa 2 sóng mang con liền kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang con Vì thế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDMA

Điểm lấy mẫu cho một sóng mang đơn

Các sóng mang khác

có giá trị 0

Tổng băng thông truyền dẫn

15 KHz

Hình 1 8 Các sóng mang trực giao với nhau

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

- OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền

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

- Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

- OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống

có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

- Cấu trúc máy thu đơn giản

- Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số

- Tương thích với các bộ thu và các anten tiên tiến

Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM

Tồn tại 2 tiêu chí cần cân nhắc trong việc chọn sóng mang con:

- Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớn càng tốt) để giảm thiểu tỉ lệ chi phí cho CP: TCP/(TFFT + TCP)

- Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của truyền dẫn OFDM với trải Doppler

- Khi truyền qua kênh phadinh vô tuyến, do trải Doppler lớn, kênh có thể thay đổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến trực giao hóa giữa các sóng mang bị mất và nhiễu giữa các sóng mang

Trong thực tế, đại lượng nhiễu giữa các sóng mang có thể chấp nhận rất lớn tùy thuộc vào dịch vụ cần cung cấp và mức độ tín hiệu thu chịu được tạp âm

và các nhân tố gây giảm cấp khác Chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu có thể khá thấp khi tốc độ số liệu thấp Vì thế một lượng nhỏ nhiễu bổ xung giữa các sóng mang con do trải Doppler có thể bỏ qua Tuy nhiên trong trường hợp tỷ lệ tạp âm cộng nhiễu cao (chẳng hạn trong các ô nhỏ hay tại vị trí gần BS), khi cần cung cấp tốc độ số liệu cao, cùng một lượng nhiễu giữa các sóng mang con như trên cũng có thể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều [7]

Số lượng các sóng mang con

Số lượng các sóng mang con được xác định dựa trên băng thông khả dụng

và phát xạ ngoài băng

Độ rộng băng tần cơ sở của tín hiệu OFDM bằng P.∆f, nghĩa là số sóng mang con nhân với khoảng cách giữa các sóng mang con Tuy nhiên phổ của tín hiệu OFDM cơ sở giảm rất chậm bên ngoài độ rộng băng tần OFDM cơ sở Lý

do gây ra phát xạ ngoài băng lớn là do việc sử dụng tạo dạng xung chữ nhật dẫn đến các búp sóng bên giảm tương đối chậm Tuy nhiên trong thực tế lọc hoặc tạo cửa sổ miền thời gian được sử dụng để loại bỏ phần lớn các phát xạ ngoài băng của OFDM Trong thực tế cần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đối với tín

hiệu OFDM (chẳng hạn nếu băng thông khả dụng là 5MHz thì độ rộng băng tần OFDM (P.∆f) chỉ có thể vào khoảng 4,5MHz) Giả sử LTE sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, thì điều này tương đương với vào khoảng 300 sóng mang con trong 5MHz [10]

Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập

Trên đường xuống, OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh cho những người sử dụng Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM, toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho những người sử dụng khác nhau để truyền đến các đầu cuối khác nhau

Trên đường lên cũng tương tự, OFDM được sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau để truyền từ các đầu cuối khác nhau đến trạm gốc

Trong trường hợp OFDMA được sử dụng cho đường lên, tín hiệu OFDM được phát đi từ các máy đầu cuối khác nhau được ghép kênh theo tần số, điều quan trọng là khi truyền dẫn từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với trạm gốc phải đến trạm gốc một cách đồng bộ theo thời gian Đặc biệt là sự mất đồng

bộ giữa các truyền dẫn từ các đầu cuối di động khác nhau tại trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thu được từ các đầu cuối di động khác nhau để tránh nhiễu giữa những người sử dụng

Do khác nhau về khoảng cách từ các máy đầu cuối di động đến trạm gốc

và vì thế dẫn đến khác nhau về thời gian truyền lan, nên phải điều khiển định thời phát của từng đầu cuối Điều khiển định thời phát nhằm điều chỉnh định thời phát của từng đầu cuối di động để đảm bảo rằng các truyền dẫn đường lên được đồng

bộ tại trạm gốc Do thời gian truyền lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong ô, điều khiển định thời phát phải là một quá trình tích cực liên tục điều chỉnh định thời phát cho từng đầu cuối di động

Ngay cả khi điều khiển định thời phát hoàn hảo, vẫn luôn có một lượng nhiễu giữa các sóng mang con do sai số tần số Trong trường hợp sai số tần số

hợp lý và trải Doppler nhỏ thì nhiễu này thường tương đối nhỏ Tuy nhiên điều này chỉ xảy ra khi coi rằng các sóng mang con khác nhau được thu tại trạm gốc với công suất gần như nhau trên đường lên do khoảng cách từ các máy đầu cuối đến trạm gốc là khác nhau, vì thế suy hao đường truyền của các đường truyền này cũng có thể rất khác nhau Nếu 2 đầu cuối phát cùng một công suất thì do khoảng cách khác nhau nên công suất tín hiệu thu tại tram gốc từ 2 đầu cuối này

có thể rất khác nhau và vì thế tín hiệu thu từ trạm đầu cuối mạnh hơn sẽ gây nhiễu đối với tín hiệu thu yếu hơn cho dù vẫn duy trì được trực giao hoàn hảo giữa các sóng mang con Để tránh điều này cần phải thực hiện điều khiển công suất phát của các đầu cuối ở một mức độ nhất định Đối với OFDMA đường lên bằng cách giảm công suất của đầu cuối ở gần trạm gốc để đảm bảo công suất của các tín hiệu thu gần như nhau [10]

Thu phát tín hiệu OFDM

Điều chế

Tín hiệu OFDM băng gốc

RECEIVER

Hình 1 9 Sơ đồ khối điều chế tín hiệu băng gốc OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự Hình 1.9 là sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu Phần máy phát biến đổi

dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi

Fourier rời rạc đảo (Inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDTF, ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Để truyền OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán phát lên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ

và pha của các tải phụ được chọn ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số Biến đổi nhanh Fourier đảo (IFFT) và biến đổi Fourier nhanh (FFT) là hàm bổ sung và thuật ngữ thích hợp nhất được dùng phụ thuộc vào dữ liệu tín hiệu đang được thu hoặc đang được phát Trong nhiều trường hợp tín hiệu là độc lập với sự phân biệt này nên thuật ngữ FFT và IFFT có thể được sử dụng thay thế cho nhau

Hình 1 10 Sơ đồ biến đổi thu phát tín hiệu OFDM

Điều chế tín hiệu OFDM

Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi

giữa miền thời gian và miền tần số

Chiều dài biến đổi FFT là 2n với n là số nguyên Với LTE chiều dài có thể

là 512 hoặc 1024 Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi điều chế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song Sau đó được đưa đến bộ biến đổi IFFT Mỗi ngõ vào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt (thành phần tần số riêng biệt của tín hiệu miền thời gian) và mỗi sóng mang được điều chế độc lập với các sóng mang khác Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu được chèn thêm tiền tố vòng (CP) và phát đi Ở bộ thu ta làm ngược lại

Khoảng bảo vệ (Guard Interval)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên, với OFDM, băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM

chịu đựng được tốt với nhiễu liên ký tự ISI (Inter- Symbol Interference) gây ra bởi truyền lan nhiều đường Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng các thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol Mỗi tải phụ trong phần dữ liệu của mỗi symbol, có nghĩa là symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) có một số nguyên lần các chu kỳ Do vậy, việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy, việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó đế đầu vào đã tạo ra một khoảng thời gian symbol dài hơn

Hình 1 12 Khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA

LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho tuyến lên OFDMA được gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao,

là công nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng của mô hình điều chế số OFDM

Kỹ thuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm Ở các thời điểm khác nhau,

nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng

là 1ms, và mỗi subframe nhỏ lại được chia thành 2 slot với chiều dài của mỗi slot

là 0-5ms Mỗi slot sẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 6 ký tự OFDM trong trường hợp CP mở rộng

Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không dựa vào từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource Block) Mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot và khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz dẫn đến kết quả băng thông tối thiểu của nó là 180 KHz Đơn vị nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài nguyên (RE), nó bao gồm một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký tự OFDM Một RB bao gồm 84 RE (tức 7 x 12) trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 72 RE (6 x 12) trong trường hợp chiều dài CP mở rộng

Bảng 1 1 Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền

1.3.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA

Đối với việc truyền dữ liệu ở đường lên, 3GPP đã chọn một phương thức điều chế hơi khác một chút Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR (Peak to Average Power Ratio - tỷ lệ công suất đỉnh so với trung bình) cao, điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE Nghĩa là khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch

đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng bắt được (pick

up) Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên có hiệu quả công suất cao (càng cao càng tốt) để làm tăng tuổi thọ pin của máy Tính hiệu quả của bộ khuếch đại công suất phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Bộ khuếch đại đó phải có khả năng khuếch đại giá trị đỉnh cao nhất của sóng Do những ràng buộc trong chất bán dẫn, giá trị đỉnh này quyết định mức tiêu thụ năng lượng của bộ khuếch đại

- Tuy nhiên, các giá trị đỉnh của sóng không mang nhiều thông tin hơn chút nào so với công suất trung bình của tín hiệu trong thời gian truyền nhận Vì thế, tốc độ truyền không phụ thuộc vào mức công suất ngõ ra cần thiết cho các giá trị đỉnh mà phụ thuộc vào mức công suất trung bình của sóng

Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối với các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càng thấp thì thời gian hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định càng dài

Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một PAPR tốt (thấp) hơn là SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple

Access - Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang) Do PAPR của nó tốt hơn, nó được 3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng lên Tuy mang cái tên như vậy song SC-FDMA cũng truyền dữ liệu qua giao tiếp vô tuyến trong nhiều kênh con, nhưng bổ sung thêm một bước xử lý nữa, như được minh họa trong hình 1.14 Thay vì đặt 2, 4 hoặc 6 bit với nhau như trong ví dụ OFDM để tạo thành tín hiệu cho một kênh con, khối xử lý bổ sung trong SC-FDMA trải thông tin của mỗi bit ra trên tất cả các kênh con Điều này được thực hiện như sau: Cũng một số bit (ví dụ như 4 đối với điều chế 16-QAM) được nhóm lại với nhau, nhưng trong OFDM, các nhóm bit này là dữ liệu nhập cho hàm IFFT, còn trong SC-FDMA, các bit này được đưa vào một hàm FFT (Fast Fourier Transformation) trước đã Dữ liệu xuất của quá trình này là cơ sở cho việc tạo

ra các kênh truyền con cho hàm IFFT theo sau Bởi vì không phải tất cả các kênh con đều được dùng bởi UE, nên nhiều kênh được đặt ở mức không (0) trong đồ thị Những kênh này có thể được dùng bởi các UE khác hoặc không

0

01

f t

Bộ điều chế và khuếch đại

t

A

c d

f

a b c d e 01

FFT detect

Ở phía máy thu, tín hiệu được giải điều chế, được khuếch đại và được xử

lý bởi hàm FFT theo cách giống như trong OFDMA Nhưng biểu đồ biên độ kết quả không được phân tích thẳng ra để có được dòng dữ liệu ban đầu, mà được nạp vào một hàm IFFT để gỡ bỏ tác dụng của quá trình xử lý tín hiệu bổ sung đã được thực hiện ở phía máy phát Ra khỏi hàm IFFT này, tín hiệu lại trở thành tín hiệu miền thời gian Tiếp đến, tín hiệu miền thời gian này được cung cấp cho một khối phát hiện (detector), khối này tái tạo lại các bit dữ liệu ban đầu Như vậy, thay vì phát hiện các bit trên nhiều kênh con khác nhau, người ta chỉ dùng một hàm phát hiện duy nhất trên một kênh truyền duy nhất

1.3.2 Kỹ thuật đa anten MIMO

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu cao về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu Với đường xuống, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing) và phát phân tập (Transmit Diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE

Giới hạn chính của kênh truyền thông tin là can nhiễu đa đường giới hạn

về dung lượng theo quy luật Shannon MIMO lợi dụng tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu để cải thiện dung lượng có sẵn cho bởi kênh truyền Bằng cách sử dụng nhiều anten ở bên phát và thu với việc xử lý tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể tạo ra các dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đó làm tăng dung lượng kênh truyền

Hình 1 15 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO

Hình 1.15 trên là ví dụ về MIMO 2x2 và MU-MIMO 2x2 Ở MIMO hai dòng dữ liệu trộn với nhau (mã hóa) để phù hợp với kênh truyền nhất 2x2 SU-MIMO thường dùng cho đường xuống Trong trường hợp này dung lượng cell tăng và tốc độ dữ liệu tăng Ở MU-MIMO 2x2 dòng dữ liệu MIMO đa người dùng đến từ các UE khác nhau Dung lượng cell tăng nhưng tốc độ dữ liệu không tăng Ưu điểm chính của MU-MIMO so với SU-MIMO là dung lượng cell tăng mà không tăng giá thành và pin của hai máy phát UE MU-MIMO phức tạp hơn SU-MIMO

SU-Trong hệ thống MIMO, bộ phát gửi các dòng dữ liệu qua các anten phát Các dòng dữ liệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đường truyền giữa các anten phát và các anten thu Sau đó bộ thu nhân các vector tín hiệu từ các anten thu, giải mã thành thông tin gốc

Đối với đường xuống, cấu hình hai anten ở trạm phát và hai anten thu ở thiết bị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và

sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian Kỹ thuật này có lợi thế hơn các kỹ thuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử dụng và thuật điều chế tín hiệu,

SU cho phép tăng tốc độ dữ liệu (data rate) bằng số lượng anten phát

Ghép kênh không gian cho phép phát chuỗi bit dữ liệu khác nhau trên cùng một khối tài nguyên đường xuống Những dòng dữ liệu này có thể là một người dùng (SU-MIMO) hoặc những người dùng khác nhau (MU-MIMO) Trong khi SU-MIMO tăng tốc độ dữ liệu cho một người dùng, MU-MIMO cho phép tăng dung lượng Dựa vào hình 1.16, ghép kênh không gian lợi dụng các hướng không gian của kênh truyền vô tuyến cho phép phát các dữ liệu khác nhau trên hai anten

Hình 1 16 Ghép kênh không gian

Kỹ thuật phân tập đã được biết đến từ WCDMA Release 99 và cũng sẽ là một phần của LTE Thông thường, tín hiệu trước khi phát được mã hóa để tăng hiệu ứng phân tập MIMO được sử dụng để khai thác việc phân tập và mục tiêu

là làm tăng tốc độ Việc chuyển đổi giữa MIMO truyền phân tập và ghép kênh không gian có thể tùy thuộc vào việc sử dụng kênh tần số

Đối với đường lên, từ thiết bị đầu cuối di động đến BS, người ta sử dụng mô hình MU-MIMO (Multi-User MIMO) Sử dụng mô hình này ở BS yêu cầu sử dụng nhiều anten, còn ở thiết bị di động chỉ dùng một anten để giảm chi phí cho thiết bị di động Về hoạt động, nhiều thiết bị đầu cuối di động có thể phát liên tục trên cùng một kênh truyền, nhiều kênh truyền, nhưng không gây ra can nhiễu với nhau bởi vì các tín hiệu hoa tiêu (pilot) trực giao lẫn nhau Kỹ thuật được đề cập đến là kỹ thuật đa truy nhập miền không gian (SDMA) hay còn gọi là MIMO ảo

1.3.3 Mã hóa Turbo

Để sửa những bit bị lỗi do sự thay đổi kênh và nhiễu, mã hóa kênh được

sử dụng Với kênh chia sẻ đường xuống của LTE, sử dụng một bộ mã hóa Turbo với tốc độ 1/3, theo sau là một bộ so khớp tốc độ để thích ứng với tốc độ mã Trong mỗi khung con chiều dài 1ms, một hoặc hai từ mã có thể được mã hóa và truyền đi

1.3.4 Thích ứng đường truyền

Thích ứng đường truyền giải quyết vấn đề liên quan đến cách thiết lập các thông số truyền dẫn của đường truyền vô tuyến để xử lý các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến

Hình 1 17 Điều chế thích nghi

Nó sử dụng điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) Phương pháp này cho phép hệ thống điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng

hệ thống Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống LTE có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế

Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn

1.3.5 Lập biểu hay lập lịch (Scheduling) phụ thuộc kênh

Lập biểu phụ thuộc kênh giải quyết vấn đề cách thức chia sẻ các tài nguyên vô tuyến giữa những người sử dụng (các đầu cuối di động) khác nhau trong hệ thống để đạt được hiệu suất sử dụng tài nguyên tốt nhất Lập biểu phụ thuộc kênh cho phép giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng, vì thế cho phép nhiều người sử dụng hơn trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu chất lượng dịch vụ Nguyên lý lập biểu cũng như việc chia sẻ các tài nguyên giữa những người sử dụng, về mặt lý thuyết, phụ thuộc vào các đặc tính của giao diện vô tuyến, vào việc đường truyền là đường truyền lên hay truyền xuống và vào việc truyền dẫn của những người sử dụng với nhau có trực giao hay không Thích ứng đường truyền và lập biểu phụ thuộc kênh liên quan mật thiết với nhau và thường thì chúng được coi như là một chức năng liên kết

1.3.6 HARQ với kết hợp mềm

Do tính chất ngẫu nhiên của các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến, không bao giờ có thể đạt được thích ứng chất lượng kênh vô tuyến tức thời một cách hoàn hảo HARQ vì thế rất hữu ích

HARQ với kết nối mềm được sử dụng trong LTE, cho phép đầu cuối di động yêu cầu truyền lại nhanh chóng những khối vận chuyển bị lỗi, và cung cấp một công cụ cho thích ứng tốc đồ ngầm định Giao thức bên dưới là nhiều xử lý HARQ dừng và chờ (stop-and-wait) song song nhau Trong ARQ, đầu thu sử dụng một mã phát hiện lỗi để kiểm tra gói dữ liệu có bị lỗi hay không Đầu phát được thông báo bằng NAK hoặc ACK Nếu gói dữ liệu bị lỗi và có thông báo NAK, gói đó sẽ được truyền lại

Một sự kết hợp của FEC (Forward Error Correction) và ARQ được biết như là HARQ HARQ trong thực tế phần lớn được xây dựng xung quanh mã CRC để phát hiện lỗi và mã Turbo để sửa lỗi, như trong trường hợp của LTE

Trong HARQ với kết nối mềm, những gói nhận được bị sai, được lưu trong một bộ đệm và sau đó được kết hợp với truyền lại để đạt được một gói đáng tin cậy Trong LTE, sự dư thừa gia tang IR (Incremental Redundancy) được áp dụng, nghĩa là những gói được truyền lại không giống những gói đã truyền đầu tiên,

mà nó mang thông tin bổ sung

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 trình bày tổng quan về cấu trúc mạng thông tin di động 4G LTE Tiếp theo đó là các mục tiêu yêu cầu của LTE, các mục tiêu này đều nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành so với các công nghệ trước

đó Để đạt được các mục tiêu đó LTE với các tính năng quan trọng như sử dụng truyền dẫn OFDM cùng với các công nghệ khác như: thích ứng đường truyền và lập biểu, các kỹ thuật đa anten và HARQ Các công nghệ mới này được áp dụng cho truy nhập vô tuyến cho phép tăng hiệu năng truyền dẫn vô tuyến của LTE đặc biệt là dung lượng hệ thống tăng một cách đáng kể

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH TRIỂN KHAI MẠNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G TRÊN THẾ GIỚI

Mạng di động 4G là xu hướng phát triển tất yếu của viễn thông thế giới

Tuy nhiên, lựa chọn công nghệ nào cho 4G: 4G LTE hay WiMAX vẫn đang thu

hút sự quan tâm của các nhà mạng

2.1 Các xu hướng phát triển thông tin di động lên 4G

Thông tin di động ra đời với thế hệ đầu tiên là thông tin di động sử dụng

kỹ thuật tương tự, chưa sử dụng kỹ thuật số (1G) Sang thế hệ thứ 2, thông tin di

động chuyển sang sử dụng kỹ thuật số Hiện nay, công nghệ di động đã phát triển

sang thế hệ thứ 4 (4G) Một số chuẩn phát triển công nghệ thông tin di động từ

2G lên 4G đã được đưa ra trên thế giới (hình 2.1)

Hình 2 1 Sự phát triển của thông tin di động từ 2G-4G

Sự phát triển từ GSM lên LTE

- GSM: GSM là công nghệ 2G cung cấp cả dịch vụ thoại và dữ liệu (sau khi

phát triển lên GPRS và EDGE) Sự phát triển lớn nhất của công nghệ 2G so với

1G là việc sử dụng công nghệ kỹ thuật số và phương pháp truy nhập TDMA