Nghiên cứu công nghệ LTE và giải pháp triển khai cho mạng vinaphone

Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người sử dụng, đến nay với sự ứng dụng của công nghệ 3G, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụ đòi hỏi tốc độ số li

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

-[[ \\ -NGUYễN QUốC ANH

NGHIấN CỨU CễNG NGHỆ LTE VÀ GIẢI PHÁP

TRIỂN KHAI CHO MẠNG VINAPHONE

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

ngành: điện tử – viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG

LỜI CAM ĐOAN

TRIỂN KHAI CHO MẠNG VINAPHONE" là do tôi tự nghiên cứu và hoàn thành

dưới sự hướng dẫn của PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này

Hà Nội, Ngày 25 tháng 03 năm 2012

Học viên

Nguyễn Quốc Anh

Lời cảm ơn

Hoàn thành đề tài, tận đáy lòng mình, cho phép tôi bày tỏ sự kính trọng, lòng biết ơn đối với PGS.TS Nguyễn Văn Khang người đã cho tôi những ý tưởng, chỉ bảo cho tôi cách thức để tiếp cận vấn đề

Tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả Quý Thầy cô - những người đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, rèn luyện và hoàn thành đề tài của minh

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, người thân, các Trung tâm thông tin thư viện đã luôn động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Với tinh thần cầu thị, tôi mong muốn nhận được ý kiến góp ý của quý thầy

cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn!

Tác giả

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

DANH MỤC HÌNH VẼ 11

MỞ ĐẦU 13

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 13

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 14

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 14

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 15

6 KẾT CẤU CỦA DE TAI: 15

CHƯƠNG 1 17

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ 17

1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG 17

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 17

1.3 MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE 19

1.3.1 Hiệu năng hệ thống 19

1.3.2 Kiến trúc hệ thống mạng 23

1.3.3 Các vấn đề liên quan đến triển khai 23

1.4 KIẾN TRÚC LTE 24

1.4.1 Các trạm cơ sở cải tiến Enhanced NodeB (eNodeB) 24

1.4.2 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy nhập vô tuyến 25

1.4.3 Kết nối Gateway với Internet 27

1.4.4 Đường giao tiếp giữa MME với cơ sở dữ liệu người dùng 28

1.4.5 Chuyển giao giữa các công nghệ vô tuyến khác nhau 28

CHƯƠNG 2 30

TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 30

2.1 CÁC CHẾ ĐỘ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN 30

2.2 BĂNG TẦN TRUYỀN DẪN 30

2.3 CÁC BĂNG TẦN ĐƯỢC HỖ TRỢ 31

2.4 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP ĐƯỜNG XUỐNG OFDMA 31

2.4.1 OFDM 31

2.4.2 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống 34

2.4.3 Các kênh điều khiển hướng xuống 36

2.5 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP ĐƯỜNG LÊN LTE SC-FDMA 36

2.5.1 SC-FDMA 37

2.5.2 Truyền dẫn dữ liệu hướng lên 38

2.5.3 Kênh điều khiển hướng lên PUCCH 40

2.6 SO SÁNH OFDMA VÀ SC-FDMA 41

2.7 CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ 43

2.8 CÁC KÝ HIỆU THAM CHIẾU VÀ KÊNH TRUYỀN 47

2.9 KỸ THUẬT ĐA ĂNG TEN MIMO 48

2.9.1 Tổng quan về MIMO 48

2.9.2 Kế hoạch LTE đa ăng ten 49

2.9.3 Chế độ truyền dẫn đa ăng ten đường xuống LTE 50

2.9.4 Chế độ đa ăng ten hướng lên LTE 52

2.10 TÍNH TOÁN THÔNG LƯỢNG LTE 54

2.11 KIỂM SOÁT TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN (RADIO RESOURCE CONTROL) 55

2.12 TRẠNG THÁI TÍCH CỰC RRC 56

2.13 TRẠNG THÁI RỖI RRC 57

2.14 XỬ LÝ DỮ LIỆU Ở E N ODE B 58

CHƯƠNG 3 61

CÁC THỦ TỤC BÁO HIỆU CƠ BẢN 61

3.1 TÌM KIẾM MẠNG VÀ QUẢNG BÁ THÔNG TIN HỆ THỐNG 61

3.2 LIÊN HỆ BAN ĐẦU VỚI MẠNG 62

3.3 XÁC MINH THUÊ BAO (A UTHENTICATION ) 63

3.4 YÊU CẦU CẤP PHÁT ĐỊA CHỈ IP 64

CHƯƠNG 4 65

HIỆN TRẠNG MẠNG TRUYỀN TẢI VNPT VÀ 65

GIẢI PHÁP KẾT NỐI KHI TRIỂN KHAI LTE 65

4.1 HIỆN TRẠNG TRUYỀN TẢI 2G/3G VNPT NGHỆ AN 66

4.2 PHƯƠNG ÁN KẾT NỐI 2G/3G SỬ DỤNG MOBILE BACKHAUL 70

4.3 PHƯƠNG ÁN KẾ NỐI 2G/3G/4G 72

4.4 TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG CHO MẠNG MAN-E – VNPT NGHỆ AN 75

4.4.1 Phương pháp tính toán 75

4.4.2 Các chỉ số đầu vào 75

4.4.3 Tính toán băng thông cụ thể 76

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

B

BSR Buffer Status Report Báo cáo tình trạng bộ đệm

C

D

E

EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho GSM phát triển

G

GSM/EDGE

HSCSD High Speed Circuit Switched Data Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao

Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc

độ cao

HS-SCCH High Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao

I

L

M

System

Hệ thống phát quảng bá đa điểm đa phương tiện

MIP Mobile IP IP di động

N

O

PDCCH Physical Downlink Control Channel Kênh điều khiển đường xuống vật lý

Q

R

RS Reference Signal Tín hiệu chuẩn

S

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang

Protocol

Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng

TA Tracking Area Khu vực theo dõi

Division Multiple Access

Phân chia theo thời gian – đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ

U

Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

V

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của LTE 19

Bảng 2.1 Những gải tần quy định cho LTE 44

Bảng 4.1 Các tham số đầu vào để tính toán băng thông 76

Bảng 4.2 Dự báo thuê bao đến năm 2011 để tính lưu lương Man-E, VNPT NAN 77

Bảng 4.3 Dung lượng dịch vụ VNPT NAN 78

Bảng 4.3 Băng thông mạng VNPT NAN đáp ứng cho 2G/3G 79

Bảng 4.4 Băng thông mạng MAN-E VNPT NAN đáp ứng cho 2G/3G/4G 80

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G 17

Hình 1.2 Lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP 17

Hình 1.3 Kiến trúc mạng LTE cơ bản 25

Hình 1.4 Kết nối liên mạng giữa LTE và UMTS 29

Hình 2.1 Biểu diễn tần số - thời gian của tín hiệu OFDM 32

Hình 2.2 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA 32

Hình 2.3 Nguyên tắc thu - phát OFDMA 33

Hình 2.4 Ghép kênh thời gian - tần số OFDMA 34

Hình 2.5 Máy phát và thu OFDMA 35

Hình 2.6 Nguyên tắc thu - phát SC-FDMA 38

Hình 2.7 Máy phát và thu SM-FDMA 39

Hình 2.8 Máy phát và thu SM-FDMA 42

Hình 2.9 Lưới tài nguyên đường xuống 45

Hình 2.10 Cấu trúc khung loại 1 46

Hình 2.11 Cấu trúc khung loại 2 46

Hình 2.12 Các kênh truyền hướng lên và hướng xuống của LTE 47

Hình 2.13 Các chế độ truy nhập vô tuyến 48

Hình 2.14 Nguyên tắc truyền MIMO 49

Hình 2.15 Xử lý tín hiệu cho phân tập phát và ghép kênh không gian (MIMO) 50

Hình 2.16 Đa người sử dụng MIMO trong hướng lên 53

Hình 3.1 Kết nối thiết bị di động vào mạng LTE và yêu cầu cấp phát một địa chỉ IP 61

Hình 4.1 Sơ đồ kết nối mạng Core IP/MPLS - VNPT 67

Hình 4.2 Cấu hình mạng MAN-E VNPT NAN 68

Hình 4.3 Phương án kết nối IP RAN &VN2/SDH cho mạng 3G 69

Hình 4.4 Mạng truyền tải Mobile Backhaul (kết nối 2G/3G) – VNPT NAN 71

Hình 4.5 Mô hình truyền tải 2G/3G/4G (kết nối MME/GW qua VN2) – VNPT NAN 73

Hình 4.6 Kết nối 2G/3G/4G (kết nối trực tiếp MME/GW qua Core) – VNPT NAN 74

Hình 4.7 Kết nối mạng truyền tải Mobile Backhaul Quán Bánh – Hưng Nguyên 75

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày này thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất Khởi nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền cho một số ít người sử dụng, đến nay với sự ứng dụng của công nghệ 3G, thông tin di động có thể cung cấp nhiều hình loại dịch vụ đòi hỏi tốc độ số liệu cao cho người sử dụng như các chức năng camera, nghe nhạc, xem phim, truyền số liệu đã trở nên phổ biến Nhu cầu phát triển nó lên 4G trở nên cấp thiết Một xu hướng rõ nét trong lĩnh vực thông tin di động hiện nay là các nhà cung cấp dịch vụ ngoài việc mở rộng dung lượng khai thác hiện có còn phải nghiên cứu xác định lộ trình phát triển công nghệ để tăng cường khả năng cung cấp đa dịch vụ tốt hơn cho khách hàng Trong đó LTE là một giải pháp công nghệ tiên tiến đang được các nhà khai thác mạng triển khai

Hòa chung với sự tăng trưởng của nền kinh tế xã hội nói chung và thị trường viễn thông nói riêng, trong những năm qua với nhiều bước phát triển vượt bậc đã đưa mạng VinaPhone cùng với Mobile-Phone, Viettel thành các nhà cung cấp dịch

vụ thông tin di động lớn tại Việt Nam về quy mô phát triển thuê bao cũng như hạ tầng mạng Với xu thế chung phát triển và nhu cầu tăng cao về các dịch vụ di động Multimedia của khách hàng trong thời gian tới, mạng VinaPhone, hiện nay VNPT Mobile (trên cơ sở sát nhập Vinaphone và Mobifone) trên toàn quốc nói chung và khu vực Nghệ An nói riêng cần phải thực hiện nâng cấp triển khai mạng 4G Nghiên cứu tìm hiểu công nghệ LTE và đưa ra giải pháp triển khai 4G là cần thiết đối với việc kinh doanh và phát triển mạng mạng lưới Lựa chọn công nghệ LTE là phù hợp với năng lực cơ sở hạ tầng sẵn có của VNPT, giúp VNPT giảm chi phí đầu

tư mạng 4G

Đề tài “Nghiên cứu công nghệ LTE và giải pháp triển khai cho mạng

Vinaphone” sẽ đáp ứng được nhu cầu thiết thực trong phát triển mạng VinaPhone

trước đây và VNPT Mobile hiện nay nói chung và khu vực Nghệ An nói riêng, đưa

vào khai thác dịch vụ 4G sớm nhất có thể Điều này rất quan trọng tác động trực tiếp đến thương hiệu, uy tín, năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ LTE

- Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng mạng mạng lưới VNPT nói chung và VNPT Nghệ An nói Riêng

- Khảo sát nghiên cứu mạng truyền tải của VNPT Nghệ An

- Nghiên cứu giải pháp kết nối 2G/3G/4G dựa trên nền tảng mạng truyền tải Mobile Backhaul

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a) Đối tượng nghiên cứu:

- Công nghệ LTE

- Hiện trạng cơ sở hạ tầng mạng truyền tải VNPT

- Giải pháp kết nối khi triển khai LTE tại Nghệ An

b) Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết LTE về công nghệ, kiến trúc truy nhập vô tuyến LTE

- Nghiên cứu hiện trạng cơ sở hai tầng mạng truyền tải VNPT về băng thông, dung lượng dịch vụ và khả năng triển khai đấu nối LTE

- Qua nghiên cứu, tìm hiểu, đưa ra giải pháp kết nối khi triển khai LTE trên nền tảng mạng truyền tải Mobile Backhaul cho VNPT Mobile, Tính toán băng thông yêu cầu khu vực Nghệ An nói riêng

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ LTE

- Khảo sát cơ sở hạ tầng mạng truyền tải của VNPT

- Phân tích tìm hiểu đưa ra giải pháp kết nói LTE trên cơ sở mạng truyền tải sẵn có của VNPT

- Phân tích đánh giá băng thông cần thiết của mạng truyền tải khi triển khai LTE tại khu vực Nghệ An

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Lý thuyết LTE được 3GPP nghiên cứu và chuẩn hóa công bố rộng rãi trên toàn thế giới, VNPT đã triển khai thử nghiệm Tuy nhiên việc áp dụng vào thực tế tại mỗi nhà khai thác, tương ứng với mỗi khu vực không thể theo một lộ trình cứng nhắc, điều đó tùy thuộc vào hoàn cảnh cụ thể, vào cơ sở hạ tàng mạng có sẵn, điều kiện phát triển của thị trường và thị phần của nhà khai thác tại khu vực Đối với mạng VNPT Moibile, do lượng khách hàng ngày càng tăng cả về số lượng và nhu cầu dịch vụ, việc triển khai LTE cũng cần có các nghiên cứu và đánh giá dựa trên điều kiện cụ thể của từng vùng, đề tài này là một trong những nghiên cứu, đánh giá, nhằm triển khai xây dựng hệ thống truy nhập vô tuyến mới vào thực tế, dựa trên nền tảng hạ tầng mạng có sẵn một cách bài bản, hiệu quả theo một định hướng nhất định Kết quả của đề tài chính là một đề án chi tiết nhằm triển khai mạng vô tuyến LTE 4G sát với thực tế cho mạng VNPT Mobile khu vực Nghệ An trong thời gian sớm nhất, do đó mang tính thực tiễn cao

6 KẾT CẤU CỦA DỀ TÀI:

Đề tài bao gồm 4 chương, với nội dung tóm tắt như sau:

Chương 1: Giới thiệu về công nghệ LTE và mục tiêu thiết kế

Chương này giới thiệu khái quát của xu hướng phát triển hệ thống thông tin

di động và công nghệ LTE, trong đó sẽ tập trung nghiên cứu các đặc trưng cơ bản

mà 3GPP đặt ra cho LTE Chương này cũng giới thiệu về kiến trúc LTE, các thành phần, giao tiếp kết nối LTE Giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng và chuyển giao

Chương 2: Mạng truy nhập LTE

Nghiên cứu công nghệ mạng truy cập LTE Các chế độ truy cập, các kỹ thuật đường lên, đường xuống, kỹ thuật mã hóa OFDM, kỹ thuật MIMO cũng như kiểm soát tài nguyên vô tuyến

Chương 3: Các giao thức báo hiệu cơ bản

Chương này trình bày về các báo hiệu tìm kiếm thông tin hệ thống xác minh thuê bao và cấp phát địa chỉ IP

Chương 4: Hiện trạng mạng truyền tải VNPT và giải pháp kết nối khi triển khai LTE

Chương này tìm hiểu về mạng truyền tải VNPT/VNPT NAN, đưa ra giải pháp kết nối cũng như tính toán băng thông cần thiết khi triển khai LTE

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ

1.1 LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG

Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động và nghiên cứu phát triển trong 3GPP được thể hiện trên hình 1.1 và 1.2

Hình 1.1 Lộ trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G

Hình 1.2 Lộ trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP 1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE

LTE (Long Term Evolution) là thế hệ thứ 4 của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Để đảm bảo tính cạnh tranh 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 mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng, giao tiếp mở và giảm năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối Các mục tiêu của công nghệ này là:

• Tải xuống: 100 MHz, Tải Lên: 50 MHz;

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 Km/h, vẫn hoạt động tốt với tốc độ 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)

km có giảm nhưng vẫn có thể chấp nhận được, ngoài 30 km thì không hạn chế

15, 20 MHz xho cả chiêu lên và xuống Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Các thuộc tính của LTE được tóm tắt trong bảng 1.1

Đường lên SC-FDMA

Đường lên 1 * 2; 1 * 4 Tốc độ dữ liệu đỉnh

trong 20MHz

Đường xuống: 100 Mb/s tương ứng với cấu hình MIMO 2 * 2 anten

Đường lên: 50Mb/s với cấu hình 1 * 2 anten

khiển công suất; ICIC và ARQ hỗn hợp Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của LTE

Để đạt được mục tiêu này, có nhiều kỹ thuật mới được áp dụng Trong đó nổi bật là OFDM, MIMO Ngoài ra LTE hoạt động hoàn toàn trên nền IP và hỗ trợ cả hai chế độ FDD và TDD

1.3 MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE

Các mục tiêu cho hệ thống LTE đã được 3GPP thảo luận và đưa ra vào năm

2005 Chúng có thể được tóm tắt trong các khía cạnh sau:

Tốc độ đỉnh, thông lượng kênh và hiệu quả sử dụng tần số

Với mục tiêu kinh doanh, tham số đầu tiên mà các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau thường so sánh là đỉnh tốc độ dữ liệu người dùng có thể đạt được Tốc độ dữ liệu đỉnh nhìn chung liên quan đến phổ được sử dụng phổ; trong hệ thống MIMO, theo hướng tối thiểu của số anten phát và thu

LTE đặt ra mục tiêu tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống và đường lên là 100Mbps và 50 Mbps với giải thông 20 MHz, tương ứng với đỉnh hiệu quả phổ là 5

và 2,5 bps/Hz với giả thiết thiết bị đầu cuối có hai ăng-ten thu và một ăng ten phát Tại trạm gốc số lượng ăng-ten có thể nâng cấp dễ dàng bởi các nhà điều hành mạng,

vì vậy phiên bản đầu tiên của LTE được thiết kế hỗ trợ hoạt động MIMO cho đường xuống lên đến bốn ăng-ten phát và thu

Tốc độ dữ liệu đỉnh là một khía cạnh khi so sánh khả năng của các công nghệ thông tin vô tuyến khác nhau Tuy nhiên, có thể thiết kế một hệ thống cung cấp tốc

độ dữ liệu đỉnh rất cao cho người dùng gần trạm gốc, nơi mà nhiễu từ các tế bào khác thấp với kỹ thuật MIMO được sử dụng ở mức lớn nhất Việc cung cấp dữ liệu tốc độ cao với vùng phủ sóng rộng và tính di động tốt, nhưng đó chính là khía cạnh thỏa mãn cho người sử dụng Trong thực tế, người sử dụng nằm ở các khoảng cách khác nhau tới các trạm gốc, các điều kiện quảng bá báo hiệu vô tuyến đến người dùng không đạt được lý tưởng, hơn nữa tài nguyên phải được chia sẻ cho nhiều người sử dụng Do đó, tốc độ dữ liệu đỉnh của hệ thống chỉ đạt được trong điều kiện thích hợp, rất hiếm khi một người dùng có thể trải nghiệm tốc độ dữ liệu đỉnh trong thời gian duy trì, và các ứng dụng dự kiến thường không đòi hỏi mức đỉnh về hiệu suất LTE không chỉ đặt ra cung cấp tốc độ dữ liệu đỉnh cho người sử dụng khi điều kiện cho phép, mà còn quan trọng về mức hiệu suất hệ thống

Hiệu suất ở cấp độ tế bào là một tiêu chí quan trọng, vì nó liên quan trực tiếp đến số lượng các tế bào di động, và chi phí triển khai hệ thống Đối với LTE, nó đã được chọn để đánh giá mức độ hoạt động tế bào với chế độ hàng đợi đầy đủ (tức

là giả định luôn luôn có dữ liệu để truyền nếu một người sử dụng có cơ hội truy

nhập hệ thống) và một hệ thống tải tương đối cao, thông thường 10 người sử dụng mỗi tế bào

Hiệu suất ở cấp độ tế bào bao gồm:

- Dung lượng trung bình của tế bào [bps] và hiệu quả phổ [bps/Hz/cell]

- Dung lượng trung bình của người dùng [bps/] và hiệu quả phổ [bps/Hz/cell]

- Khoảng cách dung lượng Cell cho người dùng [bps/người dùng] và hiệu quả phổ [bps/Hz/người sử dụng]

Đối với phiên bản UMTS 6 làm cơ sở tham khảo, được giả định cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc sử dụng một ăng ten phát và hai ăng-ten thu; với thiết bị thu đầu cuối giả định tương ứng với một máy thu Rake hai nhánh sử dụng kết hợp tuyến tính của các tín hiệu từ hai anten

Đối với hệ thống LTE, giả định hai anten phát và thu tại các trạm gốc Tại đầu cuối vẫn gồm hai ăng-ten thu, nhưng chỉ có một ăng ten phát Máy thu cho đường lên

và đường xuống được giả định là một bộ tiếp nhận kết hợp tuyến tính với tối ưu của các tín hiệu từ các ăng ten Để tăng dung lượng đường lên có thể sử dụng nhiều anten phát tại thiết bị đầu cuối, và sẽ được xem xét cho các phiên bản sau của LTE

Dung lượng thoại

Đối với lưu lượng thoại hạn chế trễ, đảm bảo thời gian thực cần đáp ứng nghiêm ngặt nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ Điều quan trọng là yêu cầu về dung lượng hệ thống thiết lập cho dịch vụ thoại để đảm bảo sự hài lòng của người sử dụng Năng lực hệ thống để đám ứng chất lượng dịch vụ VoIP là một tiêu chí quan trọng của hệ thống LTE

Tính di động và phạm vi tế bào

LTE hỗ trợ giao tiếp với thiết bị đầu cuối di chuyển với tốc độ lên đến 350 km/h, thậm chí đến 500 km/h phụ thuộc vào băng tần Điều này là quan trọng vì các tuyến đường sắt tốc độ cao đang ngày càng gia tăng Đáp ứng các hoạt động khi sử

dụng trên xe lửa tốc độ cao là một việc hấp dẫn cho khách hàng Những yêu cầu này

có nghĩa là chuyển giao giữa các tế bào của hệ thống không bị gián đoạn - nói cách khác, sự trễ không bị nhận thấy, không mất gói tin cho các cuộc gọi thoại, và truyền dẫn đáng tin cậy cho các dịch vụ truyền dữ liệu

Hiệu suất trong chế độ quảng bá

LTE đặt ra yêu cầu tích hợp chế độ phát quảng bá tốc độ cao cho các dịch vụ

đa phương tiện Multimedia Broadcast/Multicast Services (MBMS) như truyền hình

di động Nó có thể được cung cấp trên một tần số sóng mang, hoặc cũng có thể trộn lẫn với các dịch vụ khác Tất nhiên LTE phải đảm bảo cung cấp đồng thời các dịch

vụ thoại và các dịch vụ MBMS

Trong trường hợp quảng bá yêu cầu hiệu suất sử dụng phổ là 1 bps/Hz, tương đương với 16 kênh TV, trong đó mỗi kênh sử dụng 300 kbps trong băng thông 5 Mhz

Về phía người sử dụng trễ là một thước đo hiệu suất quan trọng cho thời gian thực và tương tác dịch vụ LTE được yêu cầu cung câp khả năng độ trễ dưới 5ms cho việc truyền tải một gói dữ liệu từ mạng mạng truy cập vô tuyến tới UE trong điều kiện tối ưu

Dung lượng hệ thống LTE không chỉ phụ thuộc khả năng băng thông mà còn

về số người sử dụng đồng thời trong một tế bào được hỗ trợ bởi tín hiệu điều khiển LTE hỗ trợ ít nhất 200 trạng thái đang hoạt động của người sử dụng cho mỗi tế bào,

phân bổ phổ tần 5MHz, và ít nhất 400 người sử dụng mỗi tế bào khi phổ tần được phân bổ rộng hơn

• Các giao thức hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói hiệu quả;

• Giao diện tương tác mở, hỗ trợ cho nhiều nhà cung cấp thiết bị;

• Cơ chế hoạt động, bảo dưỡng hiệu quả, bao gồm chức năng tự tối ưu hóa;

• Hỗ trợ triển khai và cấu hình dễ dàng

1.3.3 Các vấn đề liên quan đến triển khai

Vấn đề triển khai rất quan trọng đối với các nhà khai thác mạng bao gồm chi phí triển khai giảm, tính linh hoạt của phổ và khả năng tương tác với các hệ thống khác như GSM, WCDMA/HSPA

Độ linh hoạt phổ

Với nhu cầu thông tin di động ngày càng cao, độ linh hoạt phổ vô tuyến là một yêu cầu quan trọng, LTE phải có thể hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau, bao gồm các băng tần lõi IMI-2000 (1 9-2 GHz) và các băng mở rộng (2 5 GHz) cũng như là 850-900MHz, 1800MHz, 1 7-2 1 GHz với các băng thông 1 4Hz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống cho cả hai trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không bằng nhau LTE phải có khả năng triển khai truy nhập vô tuyến ở cả chế độ FDD và TDD Điều này cho phép LTE sử dụng sóng mang một cách hiệu quả, cung cấp một nền tảng mạnh

mẽ hơn cho các nhà khai thác để triển khai các dịch vụ giá trị gia tăng hấp dẫn hơn

Khả năng tương thích với các hệ thống truy nhập vô tuyến khác

Hoạt động chung với các hệ thống vô tuyến khác nhau là điều cần thiết của các dịch vụ liên tục, đặc biệt là trong giai đoạn triển khai ban đầu khi vùng phủ sóng đang còn hạn chế, chuyển giao với các hệ thống cũ thường xảy ra LTE được thiết

kế tích hợp hệ thống đo lường báo hiệu và kỹ thuật chuyển giao để đảm bảo thời gian gián đoán dịch vụ khi hoạt động với các công nghệ truy nhập khác nhau, như công nghệ 3GPP trước đó (GSM, WCDMA/HSPA) hoặc CDMA2000 hay WiMAX

Tính phức tạp và chi phí cuả thiết bị đầu cuối

Một khía cạnh quan trọng cần xem xét trong việc cạnh tranh khi triển khai hệ thông là sự có sẵn, chi phí thiết bị đầu cuối thấp với tuổi thọ pin lâu dài, cả trong chế độ dự phòng và thời gian hoạt động Vì vậy, tính phức tạp và chi phí thiết bị đầu cuối đã được đưa vào đề mục nghiên cứu thiết kế, để thiết bị đầu cuối có chi phí thấp, tiêu thụ điện năng ít

1.4 KIẾN TRÚC LTE

1.4.1 Các trạm cơ sở cải tiến Enhanced NodeB (eNodeB)

Hình 1.3 cho thấy các thành phần chính của một mạng lõi và mạng truy nhập

vô tuyến, kiến trúc LTE đơn giản chỉ với hai loại Node cụ thể là Node B cải tiến (eNodeB) và phần tử quản lý di động/cổng (MME/GW) eNodeB thực hiện chức năng quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và bảo đảm chất lượng dịch vụ

eNodeB còn chịu trách nhiệm thực hiện các cuộc chuyển giao cho các UE tích cực Vì mục đích này, eNodeB có thể liên lạc trực tiếp với nhau thông qua các đường giao tiếp X2 hoặc thông qua gateway để chuẩn bị chuyển giao Các giao tiếp X2 cũng

có thể được dùng để gửi chuyển tiếp dữ liệu người dùng (các gói IP) từ eNodeB hiện tại sang eNodeB mới để giảm thiểu lượng thất thoát dữ liệu người dùng trong quá trình chuyển giao Trong trường hợp eNodeB liên lạc với nhau để chuyển giao thông qua gateway, dữ liệu người dùng không được gửi chuyển tiếp trong quá trình chuyển giao Như vậy một số dữ liệu được mạng gửi đi từ eNodeB hiện tại có thể thất thoát, bởi vì sau khi một quyết định chuyển giao được thực hiện, nó phải được thi hành

càng nhanh càng tốt trước khi đường truyền vô tuyến mất đi LTE chỉ thực hiện các cuộc chuyển giao cứng, tức là vào mỗi thời điểm chỉ có một cell liên lạc với UE

Hình 1.3 Kiến trúc mạng LTE cơ bản

Các eNodeB giao tiếp với các gateway thông qua giao tiếp S1 Nó hoàn toàn dựa trên giao thức IP, và vì vậy không biết gì về công nghệ vận chuyển tầng thấp

cả Các eNodeB được trang bị những cổng Ethernet 100 Mbit/s hoặc 1 Gbit/s quen thuộc trong thế giới PC, hoặc các cổng cáp quang Gigabit Ethernet

1.4.2 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy nhập vô tuyến

Như được minh họa trong Hình 1.3, nút gateway giữa mạng truy cập vô tuyến và mạng lõi được phân ra thành hai thực thể luận lý: Serving Gateway (Serving-GW) và Mobility Management Entity (MME) Trong thực tế, cả hai thành phần luận lý này có thể được thực hiện trên cùng một thiết bị phần cứng hoặc có thể được tách ra để có thể tăng giảm kích cỡ độc lập với nhau

MME là thực thể thuộc mặt phẳng điều khiển của LTE, chịu trách nhiệm những phần việc sau đây:

• Báo hiệu quản lý phiên làm việc và quản lý tính di động của thuê bao Phần việc này bao gồm những tác vụ như xác minh (hoặc nhận thực - authentication), thiết lập các kênh truyền tải vô tuyến, hậu thuẫn việc chuyển giao giữa các eNodeB khác nhau và đến/từ các mạng vô tuyến khác nhau (ví dụ như GSM, UMTS)

• Theo dõi vị trí của các UE trong chế độ rỗi, tức là trong khi không có kênh truyền tải vô tuyến nào được thiết lập bởi vì chúng đã không trao đổi các gói dữ liệu với mạng trong một quãng thời gian kéo dài

• Chọn lựa một gateway nối với Internet khi UE yêu cầu thiết lập một phiên làm việc, tức là khi nó yêu cầu mạng cấp một địa chỉ IP

Serving-GW chịu trách nhiệm đối với mặt phẳng người dùng, tức là chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp các gói IP giữa các UE và Internet Các eNodeB được nối trực tiếp với Serving-GW qua một đường truyền IP, và có thể dùng các công nghệ mạng truyền dẫn khác nhau như Ethernet qua cáp quang hoặc cáp đồng, DSL,

vi ba, v.v Ngoài ra, giao tiếp S1 được thiết kế đơn giản hơn những đường giao tiếp tương tự của các mạng vô tuyến trước đó, vốn phụ thuộc nặng vào các dịch vụ của các giao thức tầng thấp phức tạp

Giao tiếp S1 được dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với Serving-GW) lẫn

dữ liệu báo hiệu (nối với MME), nên kiến trúc của các giao thức tầng cao hơn được phân ra thành hai bộ giao thức khác biệt: S1-C và S1-U Giao thức S1-C (điều khiển) được dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa một UE và MME Các thông điệp này được trao đổi qua các kênh “non-IP” đặc biệt trên giao tiếp vô tuyến rồi sau đó được eNodeB đặt vào trong các gói IP trước khi chúng được gửi chuyển tiếp đến MME Tuy nhiên, dữ liệu người dùng đã được truyền dưới dạng các gói IP qua giao tiếp vô tuyến, và chúng được gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) đến Serving-GW

Nếu MME và Serving-GW được thực hiện riêng biệt, đường giao tiếp S11 sẽ được dùng để liên lạc giữa hai thực thể đó Sự liên lạc giữa hai thực thể đó là cần thiết,

ví dụ như để tạo ra các kênh truyền khi người dùng nối vào mạng, hoặc để sửa đổi một đường hầm IP khi một người dùng nào đó di chuyển từ cell này sang cell khác

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

tự động khi gặp hỏng hóc như vậy là, những người dùng được phục vụ bởi MME hỏng phải đăng ký lại với mạng Những khả năng mắt lưới của giao tiếp S1 được dùng trong thực tế như thế nào là tùy thuộc vào chính sách của các nhà cung cấp dịch

vụ mạng và vào kiến trúc của mạng vận chuyển bên dưới

1.4.3 Kết nối Gateway với Internet

Cũng như trong các kiến trúc mạng trước đó, một router tại biên của mạng lõi không dây sẽ che giấu tính di động của người dùng khỏi Internet Trong LTE, router này được gọi là PDN-GW (PDN - Packet Data Network) Nó quản lý một quĩ địa chỉ IP và cấp phát các địa chỉ IP cho các UE đang đăng ký với mạng Tùy theo

số lượng người dùng, số lượng PDN-GW tùy thuộc vào khả năng của phần cứng, và lượng dữ liệu vận chuyển bình quân của mỗi người dùng Như được minh họa trong Hình 1.3, đường giao tiếp giữa PDNGW và các MME/Serving-GW được gọi là S5

Nó sử dụng giao thức GTP-U (người dùng) để truyền xuyên hầm dữ liệu người dùng từ/đến các Serving-GW, và giao thức GTP-S (báo hiệu) cho việc thiết lập ban

đầu đường hầm dữ liệu IP người dùng, cũng như những sự sửa đổi đường hầm IP sau đó khi người dùng di chuyển qua lại giữa các cell được quản lý bởi những Serving-GW khác nhau

1.4.4 Đường giao tiếp giữa MME với cơ sở dữ liệu người dùng

Một đường giao tiếp quan trọng trong mạng lõi LTE là đường giao tiếp S6 nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thuê bao Cơ sở dữ liệu này được gọi là HSS (Home Subscriber Server) HSS chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS, UMTS, LTE và IMS (IP Multimedia Subsystem) Đường giao tiếp S6 dùng giao thức Diameter dựa trên IP HSS là một cơ sở dữ liệu kết hợp, nó được sử dụng đồng thời bởi các mạng GSM, UMTS và LTE thuộc cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng Vì thế, ngoài đường giao tiếp S6 dành cho LTE ra, nó tiếp tục hậu thuẫn đường giao tiếp MAP truyền thống

1.4.5 Chuyển giao giữa các công nghệ vô tuyến khác nhau

Trong thực tế, hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ mạng đang triển khai một mạng LTE đều có sẵn một mạng GSM và UMTS Bởi vì vùng phủ sóng của một mạng LTE mới lúc đầu sẽ hạn chế, cho nên nhất thiết các thuê bao phải có khả năng chuyển qua chuyển lại giữa các công nghệ mạng truy nhập khác nhau để không mất

đi đường truyền cùng địa chỉ IP đã được cấp phát Hình 1.4 cho thấy điều này được thực hiện trong thực tế, khi một người dùng di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của một mạng LTE và vào vùng phủ sóng của một mạng UMTS thuộc cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng Khi người dùng di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng LTE, UE báo cáo với eNodeB rằng đã tìm thấy một cell UMTS (hoặc GSM) Báo cáo này được eNodeB gửi chuyển tiếp về MME liên hệ với SGSN 3G (hoặc 2G) chịu trách nhiệm cell đó và yêu cầu tiến hành một thủ tục chuyển giao Đường giao tiếp này được gọi là S3, dựa trên giao thức dùng cho các thủ tục định vị lại SGSN Kết quả

là không cần có sự sửa đổi phần mềm nào trên SGSN 3G (hoặc 2G) để hậu thuẫn thủ tục này cả Sau khi mạng vô tuyến 3G đã được chuẩn bị cho cuộc chuyển giao rồi, MME sẽ gửi một lệnh chuyển giao đến UE thông qua eNodeB Sau khi việc

GW và eNodeB được định tuyến lại đến SGSN Sau đó MME được giải phóng khỏi trách nhiệm quản lý thuê bao, bởi vì nhiệm vụ này được SGSN ấy tiếp quản rồi Tuy nhiên Serving-GW vẫn còn trên đường truyền dữ liệu người dùng thông qua đường giao tiếp S4 và đóng vai trò như một GGSN 3G theo quan điểm của SGSN

Vì thế, theo quan điểm của SGSN thì đường giao tiếp S4 được xem là đường giao tiếp Gn 3G nối giữa SGSN và GGSN

Hình 1.4 Kết nối liên mạng giữa LTE và UMTS

Chương 2 TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE

Trong khi kiến trúc mạng lõi LTE tổng quát chủ yếu là một sự cải tiến của kiến trúc mạng 3G, thì giao tiếp vô tuyến và mạng vô tuyến của LTE đã được thiết

kế lại hoàn toàn từ đầu

2.1 CÁC CHẾ ĐỘ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

Giao diện không gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD), mỗi chế độ có một cấu trúc khung riêng Chế độ bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đường lên và đường xuống vì đường lên và đường xuống không bao giờ sử dụng đồng thời Kỹ thuật này được sử dụng trong một số dải tần, cho phép tiết kiệm chi phí trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu

Giao diện không gian LTE cũng hỗ trợ phát đa phương tiện và các dịch vụ phát quảng bá đa điểm (MBMS) tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm - đa điểm Các thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiên xuất hiện trong UMTS phiên bản 6 LTE xác định là một cấp cao hơn dịch vụ MBMS phát triển (eMBMS),

mà nó sẽ hoạt động qua một mạng đơn tần số phát quảng bá/đa điểm(MBSFN), bằng cách sử dụng một dạng sóng đồng bộ thời gian chung, có thể truyền tới đa ô trong một khoảng thời gian nhất định MBSFN cho phép kết hợp qua vô tuyến của truyền đa ô tới UE, sử dụng tiền tố vòng (CP) để bảo vệ các sự sai khác do trễ khi truyền tải, để các UE truyền tải như là từ một tế bào lớn duy nhất Công nghệ này giúp cho LTE có hiệu suất cao cho truyền tải MBMS Các dịch vụ eMBMS sẽ được xác định đầy đủ trong thông số kỹ thuật của 3GPP phiên bản 9

2.2 BĂNG TẦN TRUYỀN DẪN

LTE phải hỗ trợ thị trường không dây quốc tế, các quy định về phổ tần trong khu vực và phổ tần sẵn có Để đạt được điều này các thông số kỹ thuật bao gồm

các sóng mang con là 15kHz Nếu eMBMS mới được sử dụng, cũng có thể khoảng cách giữa các sóng mang con là 7,5kHz Khoảng cách giữa các sóng mang con là một hằng số và nó không phụ thuộc vào băng thông của kênh 3GPP đã xác định giao diện vô tuyến của LTE là băng thông không thể biết, nó cho phép giao diện vô tuyến thích ứng với băng thông kênh khác nhau với ảnh hưởng nhỏ nhất vào hoạt động của hệ thống

Giá trị nhỏ nhất của tài nguyên có thể được phân bố ở đường lên và đường xuống được gọi là một khối tài nguyên (RB) Một RB có độ rộng là 180kHz và kéo dài trong một khe thời gian là 0,5ms Với LTE tiêu chuẩn thì một RB bao gồm 12 sóng mang con với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz, và cho eMBMS với tùy chọn khoảng cách giữa các sóng mang con là 7,5kHz và một RB gồm 24 sóng mang con cho 0,5ms

2.3 CÁC BĂNG TẦN ĐƯỢC HỖ TRỢ

Các thông số kỹ thuật của LTE được thừa hưởng tất cả các băng tần đã xác định cho UMTS, đó là một danh sách mà vẫn tiếp tục được phát triển thêm Tại thời điểm hiện nay được đăng ký có 15 băng tần FDD và 8 băng tần TDD đang được khai thác Quan trọng là sự chồng chéo giữa một vài băng tần đang tồn tại, nhưng điều này không cần thiết phải đơn giản hóa các thiết kế từ khi có thể có các yêu cầu

về hiệu suất băng tần cụ thể dựa trên các nhu cầu của khu vực Không có sự nhất trí nào về việc băng tần LTE đầu tiên sẽ được triển khai, vì câu trả lời này phụ thuộc nhiều vào các biến đổi của từng vùng Sự thiếu đồng thuận này nó dẫn tới một sự phức tạp đáng kể cho các nhà sản xuất thiết bị, trái ngược với sự khởi đầu của GSM

và WCDMA, cả hai đều đã được xác định với chỉ một băng tần

2.4 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP ĐƯỜNG XUỐNG OFDMA

2.4.1 OFDM

Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM Trong hệ thống OFDM, phổ tần có sẵn được chia thành nhiều sóng mang con (subcarrier) Mỗi sóng mang con được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ

thấp Điều này là quan trọng trong một môi trường vô tuyến thực tế, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của việc suy giảm đa đường (multipath fading) do thời điểm đến khác biệt đôi chút của tín hiệu từ các hướng khác nhau Lý do thứ hai để giải pháp này được chọn là, tác dụng của suy hao đa đường và sự phân tán độ trễ sẽ trở nên độc lập với lượng dải tần được dùng cho kênh Đó là vì dải tần của mỗi kênh con vẫn giống nhau, chỉ thay đổi ở số lượng kênh con

Hình 2.1 Biểu diễn tần số - thời gian của tín hiệu OFDM

Hình 2.1 cho thấy một minh họa của một tín hiệu OFDM Trong hình này một tín hiệu với băng thông 5MHz được biểu thị Các ký hiệu dữ liệu được điều chế một cách độc lập và được truyền qua một số lượng lớn các sóng mang con trực giao đặt gần nhau

Trái ngược với phương thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập của nhiều người sử dụng trên băng thông sẵn có

Mỗi người sử dụng được ấn định một tài nguyên thời gian-tần số cụ thể Như một nguyên tắc cơ bản của LTE, các kênh dữ liệu là các kênh chia sẻ Ví dụ, đối với mỗi khoảng thời gian truyền của 1ms, một quyết định lịch biểu mới được lấy về trong đó người sử dụng được gán với các nguồn tài nguyên thời gian/tần số trong suốt khoảng thời gian truyền tải

Hình 2.3 cho thấy các bit ngõ vào trước hết được nhóm lại rồi được chỉ định truyền qua các tần số (kênh truyền con) khác nhau Trong ví dụ này, 2 bit (đại diện cho kiểu điều chế QAM) được gửi trong mỗi bước truyền trên mỗi kênh truyền con Mỗi bước truyền còn được gọi là một symbol (tạm dịch: ký hiệu điều chế) Với các phương thức điều chế 16-QAM và 64-QAM, 4 bit và 6 bit được mã hóa trong một symbol, khiến cho tốc độ truyền dữ liệu còn cao hơn Mặt khác, việc mã hóa nhiều bit hơn trong một symbol sẽ làm cho bộ thu sóng khó giải mã symbol đó hơn nếu nó

bị thay đổi bởi nhiễu Đây là lý do tại sao ở các điều kiện truyền khác nhau người ta phải dùng các cấp điều chế khác nhau

Hình 2.3 Nguyên tắc thu - phát OFDMA

Ở phía phát tín hiệu OFDMA được tạo bằng cách sử dụng hàm biến đổi Fourier Ngược (Inverse Fast Fourier Transformation _ IFFT), biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian Ở phía máy thu, tín hiệu trước hết được giải điều chế, khuếch đại, sau đó kết quả sẽ được xử lý bởi một hàm Biến đổi Fourier (Fast Fourier Transformation _ FFT), hàm này chuyển đổi tín hiệu thời gian về lại miền tần số, tái tạo đồ thị tần số/biên độ đã được xây dựng ở máy phát

2.4.2 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống

Dữ liệu được cấp phát tới UE theo các khối tài nguyên, ví dụ, một UE có thể được cấp phát các bội số nguyên của một khối tài nguyên trong miền tần số Các khối tài nguyên không cần phải liền kề với nhau Trong miền thời gian, quyết định lập biểu có thể bị biến đổi trong mỗi khoảng thời gian truyền của 1ms Quyết định lập biểu được thực hiện trong các trạm gốc (eNodeB) Các thuật toán lập biểu có tính đến tình trạng chất lượng liên kết vô tuyến của những người sử dụng khác nhau, tình trạng can nhiễu tổng thể, chất lượng của các dịch vụ yêu cầu, các dịch vụ

ưu tiên, v.v Hình 2.4 cho thấy một ví dụ cho việc cấp phát dữ liệu người dùng hướng xuống cho những người sử dụng khác nhau (giả sử có 6 UE)

Dữ liệu người dùng được mang trên kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH)

Về nguyên tắc trong mọi hệ thống OFDMA là sử dụng băng hẹp, các sóng mang con trực giao với nhau Trong LTE khoảng cách sóng mang con là 15kHz bất

kể băng thông hệ thống là bao nhiêu Các sóng mang con khác nhau là trực giao với nhau Máy phát của một hệ thống OFDMA sử dụng khối IFFT để tạo ra tín hiệu dữ liệu nguồn được cung cấp tới bộ chuyển đổi nối tiếp - song song và sau đó tiếp tục vào khối IFFT Mỗi đầu vào của khối IFFT tương ứng là biểu diễn đầu vào cho một sóng mang con riêng (hoặc thành phần tần số cụ thể của tín hiệu miền thời gian) và

có thể được điều chế độc lập với các sóng mang con khác Tiếp sau khối IFFT là được thêm vào tiền tố vòng mở rộng, như thể hiện trong hình 2.5

Mục đích của việc thêm tiền tố vòng mở rộng là để tránh được nhiễu liên ký

tự khi máy phát thêm vào một tiền tố vòng mở rộng dài hơn so với đáp ứng xung kênh thì sự ảnh hưởng của ký hiệu trước đây có thể được loại bỏ bằng cách bỏ qua (gỡ bỏ) tiền tố vòng mở rộng ở phía thu Một sự điển hình của giải pháp thu là cân bằng miền tần số, trong đó về cơ bản là sự tác động trở lại kênh với mỗi sóng mang con Bộ cân bằng miền tần số trong OFDMA chỉ đơn giản là nhân mỗi sóng mang con (với phép nhân giá trị phức tạp) dựa trên đáp ứng tần số kênh đã ước tính (điều chỉnh biên độ và pha của mỗi sóng mang con đã biết) của kênh

Hình 2.5 Máy phát và thu OFDMA

2.4.3 Các kênh điều khiển hướng xuống

• Kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH): phục vụ cho nhiều mục đích Chủ yếu sử dụng để chuyển các quyết định lập lịch biểu tới các UE riêng lẻ, tức là thông báo cho các UE biết là chúng được cấp những khối tài nguyên nào để truyền theo hướng lên, mỗi kênh PDSCH luôn đi đôi với một kênh PDCCH (Physical Downlink Control CHannel) Ngoài ra, kênh này còn thông báo cho các

UE biết về sự cấp phát tài nguyên của các kênh vận chuyển PCH và kênh DL-SCH PDCCH được đặt trong ký hiệu OFDM đầu tiên của một khung con Đối với cấu trúc khung loại 2, PDCCH cũng có thể được ánh xạ vào 2 ký hiệu OFDM đầu tiên của trường DwPTS Thông tin được mang trên PDCCH được gọi là thông tin điều khiển đường xuống (DCI) Tùy thuộc vào mục đích của các thông điệp điều khiển, các dạng khác nhau của DCI sẽ được xác định

• Một kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý (PCFICH) được mang trên các phần tử tài nguyên đặc trưng trong ký hiệu OFDM đầu tiên của khung con được sử dụng để chỉ

ra số lượng các ký hiệu OFDM cho PDCCH (có thể là 1, 2, 3, hoặc 4 ký hiệu) PCFICH là cần thiết bời vì lượng dữ liệu được truyền tải trên kênh PDCCH thay đổi, nên số lượng ký hiệu OFDM chỉ định cho kênh PDCCH thay đổi và được quảng bá qua kênh PCFICH (Physical Control Format Indicator CHannel), tùy thuộc vào số lượng người sử dụng trong một ô và các dạng tín hiệu được truyền trên PDCCH

• Cuối cùng, kênh PHICH (Physical HARQ Indicator Channel) truyền tải những thông điệp báo nhận để cho biết có tiếp nhận đúng đắn các khối dữ liệu 2.5 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP ĐƯỜNG LÊN LTE SC-FDMA

Việc truyền OFDMA phải chịu một tỷ lệ công suất đỉnh-đến-trung bình (PAPR) cao, điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một

bộ phát sóng nhúng trong UE đó là, khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một

bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu lên một mức đủ cao để mạng thu được 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 hiệu quả công suất càng cao càng tốt để làm tăng tuổi

thọ pin của máy 3GPP đã tìm một phương án truyền dẫn khác cho hướng lên LTE SC-FDMA (đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang) được chọn bởi vì nó kết hợp các kỹ thuật với PAPR thấp của các hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang, khả năng chống được đa đường và cấp phát tần số linh hoạt của OFDMA

2.5.1 SC-FDMA

Các tín hiệu SC-FDMA có đặc tính PAPR tốt hơn so với tín hiệu OFDMA Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA là phương thức truy nhập đường lên LTE Các đặc điểm PAPR là quan trọng cho kế hoạch hiệu quả về giá thành của các bộ khuyếch đại công suất ở UE Tuy mang cái tên đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang 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 2.6 Thay vì đặt 2, 4 hoặc 6 bit với nhau như 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

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 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