Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng 3GGPP LTE

Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ HỒNG GIANG

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ ỨNG DỤNG LTE

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này là do Học viên biên soạn, mọi thông tin, số liệu trình bày trong luận văn là trung thực và chưa ai công bố

Học viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

LỜI MỞ ĐẦU iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC BẢNG xi

Chương1: TỔNG QUAN MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LTE 1

1 Mở đầu 1

2 Các tiêu chuẩn kỹ thuật LTE 1

2.1 Các khả năng 1

2.2 Hiệu năng hệ thống 3

2.3 Các vấn đề liên quan đến triển khai 4

2.4 Kiến trúc và chuyển dịch 7

2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến 9

2.6 Mức độ phức tạp 10

2.7 Các vấn đề chung 10

3 Các mục tiêu thiết kế SAE 10

3.1 Khả năng hoạt động của SAE 11

3.2 Khả năng chuyển mạng: 11

3.3 Yêu cầu hiệu năng 11

3.4 Yêu cầu SAE đến các dịch vụ 11

3.5 Yều cầu về QoS 12

3.7 Yêu cầu tính cước 12

Chương 2 : TRUY NHÂP VÔ TUYẾN, KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN VÀ LỚP VẬT LÝ TRONG LTE 14

1 Truy nhập vô tuyến LTE 14

1.1 Tổng quan truy nhập vô tuyến LTE 14

1.2 Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ 15

1.3 HARQ với kết hợp mềm 18

1.4 Hỗ trợ đa anten 18

1.5 Hỗ trợ quảng bá và đa phương 19

1.6 Linh hoạt phổ 20

2 Kiến trúc giao thức LTE 22

2.1 Tổng quan kiến trúc giao thức LTE cho DL 22

2.2 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC): 24

2.3 Điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 25

2.4 Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt (HARQ) 31

2.5 Cấu trúc và xử lý lớp MAC: 33

2.6 Luồng số liệu 37

3 Lớp vật lý 38

3.1 Cấu trúc tổng thể miền thời gian 38

3.2 Sơ đồ truyền dẫn DL LTE 40

3.3 Sơ đồ truyền dẫn UL trong LTE 57

Chương 3 : CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP LTE, PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC HỆ THỐNG SAE 69

1 Các thủ tục truy nhập LTE 69

1.1 Tìm ô: 69

1.2 Truy nhập ngẫu nhiên 74

1.3 Tìm gọi 79

2 Phát triển kiến trúc hệ thống - SAE 80

2.1 Mở đầu: 80

2.2 Chức năng mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi 81

2.3 Mạng truy nhập vô tuyến LTE 84

2.4 Cấu trúc mạng lõi 92

2.4.2 Mạng lõi “SAE” (Lõi gói phát triển – EPC) 97

Chương 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG VÀ QŨY ĐƯỜNG TRUYỀN LTE 102

1 Đánh giá hiệu năng 102

1.1 Giới thiệu chung 102

1.2 Hiệu năng từ góc độ người sử dụng 103

1.3 Hiệu năng từ góc độ nhà khai thác: 105

1.4 Cấu hình và các tiêu chí thực hiện mô phỏng để đánh giá 106

2 Đánh giá hiệu năng của phát 108

2.1 Mở đầu: 108

2.2 Các mô hình và các giả thiết 108

2.3 Các giá trị hiệu năng đối với LTE sử dụng sóng mang 5 MHZ FDD 111

3 Đánh giá LTE trong 3 GPP dựa trên mô hình động 114

3.1 Các yêu cầu hiệu năng của LTE 114

3.2 Đánh giá hiệu năng LTE 115

3.3 Hiệu năng LTE với sóng mang FDD băng thông 20MHZ 116

KẾT LUẬN CHUNG 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin băng rộng mới trong tương lai Hệ thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh

mẽ ở nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện

rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng

Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 3G hay 3.5G mới bắt đầu phát triển ở Việt Nam cũng như trên thế giới, nhưng các nhà khai thác trong nước đã tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term Evolution) đang chuẩn bị được các nhà khai thác ở Việt Nam thử nghiệm Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối Công nghệ 3G ra đời cho phép bạn kết nối với tốc độ đa 2Mbps (UL) và 10Mbps (DL) Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc” Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) mang lại

Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay

Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng LTE” Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trong công nghệ này qua đó cũng nêu một số cải tiến và ứng dụng của LTE so với các thế hệ trước nó

Đề tài của em bao gồm 4 chương:

ϖ Chương 1 Tổng quan mục tiêu thiết kế hệ thống LTE

ϖ Chương 2 Giao diện vô tuyến, kiến trúc truy nhập vô tuyến và lớp vật lý

trong hệ thống LTE

ϖ Chương 3 Các thủ tục truy nhập LTE; phát triển kiến trúc hệ thống SAE

ϖ Chương 4 Đánh giá hiệu năng và quỹ đường truyền LTE

Do LTE là công nghệ vẫn đang trong quá trình thử nghiệm phát triển và hoàn thiện cũng như là do những giới hạn về kiến thức của người trình bày nên

đồ án này chưa đề cập được hết các vấn đề của công nghệ LTE và không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn

Trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của P.GS, TS: Phan Hữu Huân và các thày

cô giáo đã hướng dẫn em hoàn thiện đồ án này

Học viên thực hiện

Lê Hồng Giang

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

mã

tần số

thông/dịch vụ multicast

NAK

Negative Acknowledgement (In

NodeB

NodeB, a logical node handling transmission/reception in multiple cells

Một node logic điều khiển việc phát và thu trong nhiều tế bào

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

vật lý

lý

tuyến

gian TD-

SCDMA Time Division- Synchronous Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo

mã đồng bộ, phân chia theo thời gian

tải

RLC)

DANH MỤC HÌNH VẼ

H.1.1: Cấp pháp phổ băng “lõi” IMT – 2000 tại 2GHz 6

H.1.2: Thí dụ về quá trình dịch chuyển phổ 6

H.1 3: Phân chia chức năng giữa mạng truy nhập và mạng lõi .8

H.1.4: Kiến trúc SEA với các cổng kết hợp 13

H.2.1: Lập biểu phụ thuộc kênh DL trong miền thời gian và miền tần số .16

H.2.3: FDD và TDD 21

H.2.4: Kiến trúc giao thức LTE DL 22

H.2.5: Phân đoạn và móc nối RLC 25

H.2.6: Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 27

H.2.7: Chọn khuôn dạng truyền tải DL và UL 30

H.2.8: Giao thức HARQ đồng bộ và không đồng bộ .31

H.2.9: Nhiều xử lý HARQ 32

H.2.10: Mô hình đơn giản cấu trúc và xử lý vật lý cho DL-SCH 34

H.2.11: mô tả xử lý lớp vật lý ở dạng đơn giản cho UL-SCH 35

H.2.13: Thí dụ về quá trình chuyển luồng số liệu 38

H.2.14: Cấu trúc miền thời gian của LTE 39

H.2.15: Các thí dụ về ấn định các khung con DL/UL trong trường hợp 39

H.2.16: Tài nguyên vật lý DL của LTE 40

H.2.17: Cấu trúc miền thời gian – tần số trong DL của LTE .42

H.2.18: cho thấy cấu trúc miền thời gian cho truyền dẫn DL của LTE 43

H.2.19: Mô tả các khối tài nguyên: bình thường và mở rộng 44

H.2.22: Xử lý khối truyền tải DL 45

H.2.23: Tính toán và chèn CRC DL vào khối truyền tải .46

H.2.24: Bộ mã hóa turbo 47

H.2.26: Điều biến số liệu chuyển đổi n bit vào n/2 ký hiệu điều biến phức 49

H.2.27: Sắp xếp khối tài nguyên DL 49

H.2.28: Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển DL L1/L2 51

H.2.29: Lưới thời gian-tần số của LTE 51

H.2.30: Các phần tử kênh điều khiển và các ứng cử kênh điều khiển 52

H.2.31: Sắp xếp anten LTE 53

H.2.32: Mã hóa khối không gian – tần số (SFB) 54

H.2.33: Tạo búp trong chương trình khung đa anten LTE 54

H.2.34: Ghép kênh không gian trong chương trình khung LTE (N L =3, N A =4) 55

H.2.35: Các tín hiệu tham khảo MBSFN 57

H.2.36: Cấu trúc cơ sở của truyền dẫn DFTS – OFDM hay SC-FDMA 58

H.2.37: cấu trúc miền tần số UL của LTE 58

H.2.38: Khung con LTE UL và cấu trúc khe 59

H.2.39: Ấn định tài nguyên UL LTE 60

H.2.40: Nhẩy tần UL LTE .60

H.2.41: Các tín hiệu tham khảo UL được chèn vào khối thứ tư của từng khe UL 61

H.2.42: Tạo tín hiệu tham khảo miền tần số 62

H.2.43: Xử lý kênh truyền tải UL LTE 63

H.2.44: Ghép số liệu và tín hiệu điều khiển UL L1/L2 65

H.2.45: Cấu trúc tài nguyên sử dụng băng thông 66

H.2.46: Định thời phát trước UL .67

H.3.1: Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp với giả thiết độ dài CD bình thường .70

H.3.2: Tạo tín hiệu đồng bộ trong miền tần số .73

H.3.3: Tổng quan thủ tục truy nhập ngẫu nhiên LTE 75

H.3.4: Minh họa nguyên lý truyền dẫn tiền tố ngẫu nhiên 76

H.3.5:Định thời tiền tố tại eNodeBu 77

H.3.6: Tạo tiền tố truy nhập ngẫu nhiên 78

H.3.8: Mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi trong LTE 81

H.3.9: Cấu hình truyền tải ảnh hưởng đến việc ấn định chức năng 85

H.3.10: Mạng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA: Các nút và các giao diện 86

H.3.11: Các vai trò của RNC 88

H.3.12: Mạng truy nhập LTE: các nút và giao diện 91

H.3.13: Tổng quan mạng lõi GSM và WCDMA/ HSPA 93

H.3.14: Chuyển mạng trong WCDMA/ HSPA 96

H.3.15: Tổng quan mạng lõi SAE (trên hình vẽ đã được đơn giản) 98

H.3.16: WCDMA/HSPA nối đến LTE/SAE 100

H.3.17: Kiến trúc mô hình LTE/ SAE theo TR.23.822 101

H.4.1: Luồng dữ liệu thông tin 104

H.4.2 Thông lượng người sử dụng DL (truyền sóng thành phố điển hình) 111

H.4.3 Thông lượng người sử dụng DL (truyền sóng người đi bộ A) 112

H.4.4 Thông lượng người sử dụng UL (truyền sóng thành phố điển hình) 113

H.4.5 Thông lượng người sử dụng UL vụ (truyền sóng người đi bộ A) 113

H.4.6 Thông lượng trung bình người sử dụng 117

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất sử dụng phổ tần .3

Bảng 2: Các yêu cầu thời gian gián đoạn: LTE – GSM, LTE – WCDMA .5

Bảng 4 Phân chia chức năng RAN và CN 82

Bảng 5 Liệt kê các chức năng LTE RAN và mạng lõi LTE 83

Bảng 5: Tập các trường hợp tối thiểu mô phỏng WCDMA/HSPA và LTE 106

Bảng 6: Các thông số tham khảo để mô phỏng hệ thống ô vĩ mô .107

Bảng 7: Các mô hình và giả thiết cho đánh giá 108

Bảng 8 Các giả thiết cho các kết quả trên H.6 117

Chương 1 TỔNG QUAN MỤC TIÊU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LTE

1 Mở đầu

Như trong nhiều tài liệu, HSPA là phát triển của 3G WCDMA được xây dựng trên cấu trúc cơ sở của CDMA cùng với yêu cầu chế độ tương thích đế các mạng hiện đang triển khai song song với phát triển HSPA, 3GPP cũng đưa một công nghệ vô tuyến mới được gọi là LTE (Long Term Evolution) Mục tiêu của LTE là sử dụng các khả năng phổ phức tạp hơn và yêu cầu tương thích ngược cũng ít hơn Như vậy phát triển 3G đi theo hai hướng song song để phát triển truy nhập vô tuyến và cả hai hướng đều có những tính chất riêng - Quan hệ giữa HSPA và LTE

Để hỗ trợ các khả năng số liệu gói mới mà các giao diện vô tuyến của LTE cung cấp, một mạng lõi phát triển mới cũng được nghiên cứu Việc miêu tả mạng lõi này được gọi là kiến trúc hệ thống - SAE (System Architecture Evolution)

Mục tiêu cơ bản của chương này nhằm trình bày các chỉ tiêu cơ bản trong thiết kế LTE và SAE, vì vậy nội dung chính cũng tập trung trình bày hai nội dung: Các mục tiêu xây dựng LTE và SAE

2 Các tiêu chuẩn kỹ thuật LTE

Vào đầu năm 2005, 3GPP đã đặt ra các tiêu chí, các yêu cầu và các bộ tiêu chuẩn cho LTE Các thông tin này đã được ghi trong chuẩn 3GPP TR 25.91 và được chia thành bảy nhóm vấn đề khác nhau: Các khả năng, hiệu năng của hệ thống, các khía cạnh liên quan đến việc triển khai, kiến trúc và phát triển, quản lý tài nguyên vô tuyến, mức độ phức tạp, các khía cạnh chung

Ta sẽ lần lượt xem xét từng vấn đề nêu trên:

2.1 Các khả năng

+ Yêu cầu về tốc độ:

Yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh của đường xuống và đường lên là 100Mbps và 50 Mbps, khi làm việc ở trong băng thông 20MHz, nghĩa là ta có thể biểu diễn yêu cầu này là 5bit/s/Hz cho đường xuống và 2,5 bit/s/Hz cho đường lên LTE hỗ trợ cho cả FDD và TDD: trong trường hợp TDD, cả DL và UL đều sử dụng chung một băng tần, vì thế không thể đáp ứng đồng thời yêu cầu tốc độ đỉnh; đối với FDD, DL và

UL sử dụng 2 băng tần khác nhau và vì thế đồng thời phát và thu đạt được tốc độ số liệu tối đa

- Số đo được biểu thị như thời gian chuyển từ trạng thái rỗi (trạng thái rỗi trong R6

là trạng thái trong đó mạng truy nhập vô tuyến không biết UE và nó không có context, ngữ cảnh của UE cũng như không ấn định tài nguyên cho UE UE có thể

“nghỉ” và định kỳ “thức giấc” để nghe các thông tin từ mạng trong các đoạn thời gian quy định, yêu cầu này là 100ms

- Số đo khác biểu thị thời gian chuyển từ trạng thái Dormant (trạng thái CELL – PCH trong R6, trong thạng thái này mạng truy nhập vô tuyến biết UE và biết nó đang ở ô nào nhưng không ấn định tài nguyên cho nó UE sẽ định kỳ cập nhật thông tin từ mạng trong các đoạn thời gian nhất định), yêu cầu này là 50ms

+ Yêu cầu mặt phẳng người sử dụng:

Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng được biểu diễn như là thời gian cần thiết để phát một gói IP nhỏ từ đầu cuối đến node biên của mạng truy nhập vô tuyến (RAN) hoặc ngược lại tại lớp IP Thời gian truyền dẫn một chiều không vượt quá 5ms trong một mạng không tải, nghĩa là không có hoạt động đầu cuối khác trong ô Đối với cả

2 yêu cầu trễ chế độ ngủ và báo hiệu không phải RAN được loại trừ

+ Yêu cầu hỗ trợ đầu cuối di động

Một yêu cầu bổ sung đối với yêu cầu trễ mặt phẳng điều khiển là LTE phải hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối di động trong trạng thái tích cực cho băng thông 5Mhz, và đối với băng thông rộng hơn 5Mhz thì hỗ trợ ít nhất 400 đầu cuối di động Trong các thông tin trên không thấy công bố số đầu cuối không tích cực, nhưng chắc chắn phải cao hơn nhiều

Bảng 1: Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất sử dụng phổ tần

Số đo hiệu năng Mục tiêu DL so với HSDPA Rel.6 Mục tiêu UL so với HSUPA Rel.6 Thông lượng trung bình của

Các yêu cầu về tính di động tập trung lên tốc độ của các đầu cuối di động Mục tiêu

đề ra phải đạt hiệu năng cực đại tại các tốc độ thấp của đầu cuối di động 0 – 15 km/h, hiệu năng có thể giảm một chút tại các đầu cuối có tốc độ cao hơn Đối với các tốc độ lên trên 120km/h LTE phải đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tổ ong Hệ thống LTE có thể quản lý tốc độ di động đến 350km/h, thậm chí lên đến 500km/h phụ thuộc vào băng tần LTE phải đảm bảo dịch vụ thoại ngang bằng với WCDMA/HSPA

Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên bán kính ô, nghĩa là khoảng cách cực đại từ trạm đến một thiết bị đầu cuối trong ô Yêu cầu với các kịch bản không bị giới hạn

nhiều là phải đáp ứng các yêu cầu về thông lượng của người sử dụng, hiệu suất sử dụng của phổ tần và di động cho các ô bán kính 5km Đối với các ô có vùng phủ đến 30km, cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ, tuy nhiên vẫn phải đáp ứng tính di động Tiêu chuẩn cũng không được cản trở các vùng phủ lên đến 100km, tuy nhiên các yêu cầu về hiệu năng trong trường hợp này không thấy công bố

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập đến chế độ quảng bá và chế độ phát đơn phương

Tổng quát, LTE phải đảm bảo các dịch vụ MBMS tốt hơn các dịch vụ này mà R6 cung cấp Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần 1 bit/s/Hz tương đương với 16 kênh TV, trong đó kênh sử dụng 300kbps trong băng thông 5MHz Ngoài ra phải có thể cung cấp dịch vụ MBMS như là dịch vụ duy nhất trên một sóng mang, đồng thời cũng có thể cung cấp dịch vụ này trộn tần với các dịch vụ khác không phải MBMS Tất nhiên chuẩn LTE phải đảm bảo cung cấp đồng thời các dịch vụ thoại và MBMS

2.3 Các vấn đề liên quan đến triển khai

Liên quan đến triển khai, có các yêu cầu: các kịch bản triển khai, tính linh hoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các công nghệ truy nhập

vô tuyến của 3GPP khác, ví dụ như GSM, WCDMA, HSPA

+ Các yêu cầu về kịch bản triển khai:

Yêu cầu này bao gồm cả trường hợp hệ thống LTE được triển khai độc lập lẫn trường hợp nó được triển khai cùng với WCDMA/HSPA và GSM Như vậy, trong thực tế yêu cầu này không giới hạn các tiêu chí thiết kế

+ Yêu cầu đồng tồn tại và tương tác với với các hệ thống 3GPP khác

Sự đồng tồn tại và tương tác với các hệ thống 3GPP khác và các yêu cầu tương ứng

đã đặt ra yêu cầu về tính di động giữa LTE và GSM, giữa LTE và WCDMA/HSPA cho các đầu cuối hỗ trợ các công nghệ này Bảng 2 liệt kê các yêu cầu về gián đoạn cho phép

Cực đại trên đường truyền vô tuyến khi chuyển sang hai công nghệ truy nhập khác

nhau, cho dịch vụ phi thời gian thực và thời gian thực Cần lưu ý rằng, các yêu cầu

này là rất lỏng đối với thời gian gián đoạn chuyển giao và có thể kỳ vọng là các giá

trị này tốt hơn nhiều trong các triển khai thực tế

Bảng 2: Các yêu cầu thời gian gián đoạn: LTE – GSM, LTE – WCDMA

Đồng tồn tại và tương tác cũng đề cập đến chuyển mạch lưu lượng Truyền đa

phương được LTE cung cấp theo kiểu quảng bá đến lưu lượng đơn phương được

GSM hoặc WCDMA cung cấp, về vấn đề này không có tiêu chuẩn cụ thể nào được

công bố

+ Các yêu cầu về tính linh hoạt phổ và triển khai cơ sở đối với các yêu cầu về tính

linh hoạt phổ là đòi hỏi hệ thống LTE được triển khai trong các băng tần đã có của

IMT-2000, nghĩa là sự đồng tồn tại giữa các hệ thống đã triển khai trong các băng

tần này bao gồm GSM, WCDMA/HSPA

Yêu cầu tính linh hoạt phổ của LTE là phải có khả năng triển khai truy nhập vô

tuyến dựa trên LTE trong cả các ấn định băng kép và băng đơn, nói một cách cụ thể

là LTE phải hỗ trợ cả ghép song công phân chia theo tần số (FDD) và ghép song

công phân chia theo thời gian (TDD)

Sơ đồ ghép song công hay sắp xếp ghép song công là một yêu cầu của công nghệ vô

tuyến Tuy nhiên, một cấp phát phổ tần cho trước thường liên kết với một các sắp

xếp song công đặc thù Các hệ thống FDD được triển khai trong các ấn định kép với

một băng cho truyền dẫn DL và một băng khác cho UL Các hệ thống TDD được

triển khai trong các ấn định băng đơn

Xét một thí dụ phổ tần IMT-2000 tại 2GHz (có thể coi như băng gố của IMT-2000)

Như chỉ ra trên Hình 1, phổ này gồm một cặp băng tần (1920~1980) MHz và

(2110~2170) MHz dành cho truy nhập FDD; hai băng tần (1910~1920) MHz và

(2010~2025) MHz dành cho truy nhập vô tuyến TDD

H.1.1: Cấp pháp phổ băng “lõi” IMT – 2000 tại 2GHz

Ta cần lưu ý rằng, các quy định địa phương và vùng có thể sử dụng phổ IMT-2000 khác so với phổ được chỉ ra trên H.1

Cấp phát băng kép cho FDD trên H.1 là 2x60 MHz, nhưng phổ khả dụng cho một nhà khai thác có thể là 2x20MHz hay thậm chí là 2x10MHz Trong các băng tần khác nhau, thậm chí phổ khả dụng có thể hẹp hơn Ngoài ra, việc chuyển dịch vào phổ hiện đang được sử dụng cho các công nghệ truy nhập vô tuyến khác phải được thực hiện từ từ để đảm bảo đủ lượng phổ còn lại cho hỗ trợ các người sử dụng hiện có

Yêu cầu linh hoạt phổ của LTE chi ra rằng, LTE phải có khả năng định lại kích cỡ trong miền tần số và hoạt động trong các băng tần khác nhau Yêu cầu tính linh hoạt đưa ra danh sách các ấn định phổ của LTE: 1,25; 1,6;, 2,5; 5; 15; 20 MHz Ngoài ra, LTE cũng phải có khả năng làm việc trong phổ đơn cũng như phổ kép LTE phải có thể được triển khai trong các băng tần khác nhau Các băng tần được hỗ trợ phải được đặc tả dựa trên tính độc lập với phát hành”, nghĩa là phát hành đầu của LTE không cần phải hỗ trợ tất cả các băng ngay từ đầu

Ngoài ra, tiêu chuẩn cũng đề cập đến đồng tồn tại GSM và WCDMA trên các băng lân cận cũng như đồng tồn tại giữa các nhà khai thác trên các tần số lân cận và các mạng trong các nước khác nhau sử dụng phồ chồng lấn nhau Đồng thời cũng yêu cầu rằng không cần có thêm hệ thống nào khác ở đầu cuối có thể truy nhập LTE, nghĩa là LTE phải có tất cả các báo hiệu điều kiển cần thiết cho truy nhập

2.4 Kiến trúc và chuyển dịch

3GPP đưa ra một số nguyên tắc có tính hướng dẫn cho thiết kế kiến trúc LTE RAN như sau:

Kiến trúc LTE RAN đơn nhất phải được đồng thuận

Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên quy luật mặc dù hiện tượng thời gian thực và hội thoại được hỗ trợ

Kiến trúc LTE RAN phải giảm thiểu sự tồn tại “một điểm sự cố” mà không làm tăng giá thành đường trục

Kiến trúc LTE RAN phải đơn giản hóa và giảm thiểu số giao diện được đưa ra Tương tác giữa lớp mạng vô tuyến RNL (Radio Network Layer) và lớp mạng truyền tải TNL (Transport Network Layer) phải không bị cấm nếu cần cải thiện hiệu năng

LTE RAN phải được thiết kế để giảm thiểu thay đổi trễ (Jitter), chẳng hạn cho TCP/IP

Kiến trúc phẳng: trong phát triển kiến trúc, trạm gốc được bổ xung thêm trí tuệ, tương tự như trong HSPA Lúc đầu kiến trúc UMTS được định nghĩa theo phân cấp, trong đó các chức năng liên quan đến vô tuyến được đặt trong bộ điều kiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) Trong kiến trúc phẳng các chức năng liên quan đến vô tuyến được dặt trong trạm gốc Khi lập biểu gói được đặt trong trạm gốc, quá trình lập biểu sẽ nhanh hơn kể cả lập biển miền tần số

3GPP quyết định đặt toàn bộ chức năng vô tuyến trong trạm gốc, như chỉ ra trên H.1.3

H.1 3: Phân chia chức năng giữa mạng truy nhập và mạng lõi

RB – Radio Bearer: Kênh mạng vô tuyến

MME – Mobile Managerment Entity: Thực thể quản lý di động

SAE – System Architecture Evolution: Phát triển kiến trúc hệ thống

PDN – Paket Date Network: Mạng số liệu gói

Các chức năng vô tuyến mới trong BTS so với HSPA là: điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), điều kiển tài nguyên vô tuyến (RRC) và giao thức hội tụ số liệu gói PDCP (Packet Date Converdence Protocol) Kiến trúc trên hình 3 chỉ ra sự phân chia chức năng giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi Trong khi mạng truy nhập vô tuyến chỉ còn một phần tử duy nhất là eNodeB, thì nhiều phần tử luôn được

sử dụng trong mạng lõi

Từ quan điểm mạng truy nhập vô tuyến, xu thế quan trọng là không cần chuyển giao mềm trong hệ thống Đây là xu thế đã được thực hiện trong HSDPA Trong HSDPA chỉ thông tin điều khiển lớp vật lý là vẫn có phân tập vĩ mô còn số liệu người sự dụng không có Đây là một trong các lý do cho phép đặt tất cả các chức năng vô tuyến vào một eNodeB, nhờ vậy có thể hỗ trợ kiến trúc mặt phẳng dễ hơn Cũng có thể hỗ trợ phân tập vĩ mô trong kiến trúc phẳng, nhưng cần có các yêu cầu

bổ sung cho các liên kết truyền dẫn giữa các trạm gốc

2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Yêu cầu quản lý tài nguyên vô tuyến được chia thành: hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối – đầu cuối; hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn; hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách trên các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau

Hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối – đầu cuối yêu cầu một “dịch vụ phối hợp cải tiến” và yêu cầu về giao thức (bao gồm cả báo hiệu lớp cao hơn) cho các tài nguyên RAN và các đặc tính RAN

Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lắp cao hơn yêu cầu LTE RAN phải cung cấp các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơn trên giao diện vô tuyến, chẳng hạn nén tiêu đề IP

Hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách trên các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hướng dẫn các đầu cuối di động chuyển đến các công nghệ truy nhập vô tuyến tương ứng trong tất cả các khiển trạng thái cũng như hỗ trợ QoS đầu cuối – đầu cuối trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến

2.7 Các vấn đề chung

Các yêu cầu chung đối với LTE đề cập đến các khía cạnh liên quan đến giá thành và dịch vụ Rõ dàng cần giảm thiểu giá thành trong khi vẫn đảm bảo hiệu năng mong muốn cho các cho các dịch vụ dự kiến Đối với giá thành, các vấn đề về đường trục, bảo dưỡng và khai thác cần được quan tâm Như vậy, không chỉ giao diện vô tuyến

mà cả tài nguyên đến các trạm BS và hệ thống quản lý cũng phải được xem xét trong LTE

Trong số các yêu cầu này còn có một yêu cầu rất quan trọng đối với giao diện giữa các nhà cung cấp thiết bị Ngoài ra cũng yêu cầu đầu cuối phải có giá thành thấp và tiêu thụ ít công suất

3 Các mục tiêu thiết kế SAE

Các mục tiêu thiết kế SAE được mô tả trong các danh mục nghiên cứu SAE và một

số mục tiêu yêu cầu cao được nhóm đặc tả kỹ thuật các khía cạnh hệ thống của nhóm cộng tác 1 (TSG SA WGI: Technical Specification Group System Asfrecis Workign Group 1) khởi thảo Các mục tiêu SAE được chia thành một số lĩnh vực như: Các khía cạnh khai thác và người sử dụng mức cao; các khả năng cơ sở; đa truy nhập và di động; các khía cạnh giao diện người máy; các yêu cầu hiệu năng đối với hệ thống 3GPP phát triển; an ninh và riêng tư; các khía cạnh tính cước

Mặc dù các yêu cầu SAE có nhiều và được chia thành các phân nhóm như trên, nhưng các yêu cầu SAE chủ yếu không liên quan đến truy nhập vô tuyến Vì thế phần này sẽ tổng kết các yêu cầu SAE quan trọng nhất có ảnh hưởng lên hoặc mạng truy nhập vô tuyến hoặc kiến trúc SAE

3.1 Khả năng hoạt động của SAE

Hệ thống SAE phải có khả năng hoạt động với các mạng truy nhập vô tuyến khác với LTE và phải có các chức năng di động để cho phép một đầu cuối di động chuyển dịch giữa các hệ thống truy nhập vô tuyến khác nhau

Thực tế, các yêu cầu này không giới hạn di động giữa các mạng truy nhập vô tuyến

mà còn mở rộng khả năng di động đến mạng truy nhập cố định Cần xem xét đến cả mạng truy nhập không do 3GPP triển khai

3.2 Khả năng chuyển mạng:

Chuyển mạng cũng là một yêu cầu quan trọng đối với SAE bao gồm cả chuyển mạng đến các mạng SAE khác cũng như đến các mạng hiện có Ngoài ra tương tác với các dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói số liệu hiện có cũng là một yêu cầu Tuy nhiên không đòi hỏi phải hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch kênh từ nhiều chuyển mạch kênh của các mạng hiện hữu

3.3 Yêu cầu hiệu năng

Các yêu cầu SAE cũng đưa ra một danh mục hiệu năng như là một đòi hỏi quan trọng nhưng không chi tiết như đối với LTE Các kịch bản và mức độ sử dụng lưu lượng khác nhau cũng được xem xét, chẳng hạn thông tin từ người sử dụng đến người sử dụng và thông tin từ người sử dụng đến nhóm

Ngoài ra cũng có yêu cầu về sử dụng hiệu suất tài nguyên, nhất là hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến (giống như hiệu suất sử dụng phổ đối với LTE)

3.4 Yêu cầu SAE đến các dịch vụ

Tât nhiên các yêu cầu SAE đề cập đến các khía cạnh dịch vụ khác nhau và đòi hỏi các dịch vụ truyền thống như: Thoại, video, nhắn tin và chuyển file phải được hỗ trợ

và thêm vào đó là các dịch vụ quảng bá và đa phương tiện Thực tế, cùng với yêu cầu hỗ trợ và kết nối IPv4 và IPv6 (bao gồm cả di động giữa các mạng hỗ trợ các phiên bản IP khác nhau cũng như kết nối giữa các đầu cuối sử dụng trong các phiên bản khác nhau), mọi dịch vụ IP đều sẽ được hỗ trợ, tuy nhiên với chất lượng dịch vụ không phải tối ưu

3.5 Yều cầu về QoS

Yều cầu về QoS của SAE cũng được soạn thảo khá chi tiết chẳng hạn hệ thống SAE phải đảm bảo giảm cấp chất lượng âm thanh cuộc gọi ở mức độ không cảm nhận được trong khi đang và sau chuyển giao giữa các mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói khác biệt Ngoài ra SAE phải đảm bảo rằng không mất gói số liệu

do chuyển giao giữa các hệ thống truy nhập di động và cố định Một yêu cầu quan trọng đối với khái niệm QoS là khái niệm QoS phải tương thích ngược với các khái niệm QoS trước đây trong 3GPP Điều này đảm bảo di động tĩnh giữa các công nghệ truy nhập khác nhau của 3GPP (LTE, WCDMA, HSPA, GSM)

Yêu cầu về an ninh và tính riêng tư

Hệ thống SAE phải cung cấp các cơ chế an ninh tiên tiến tương đương hoặc tốt hơn

an ninh đối với WCDMA/HSPA và GSM, nghĩa là việc bảo vệ chống lại các đe dọa

và tấn công bao gồm cả đe dọa và tấn công trên Internet và cơ chế này phải là một

bộ phận của SAE Ngoài ra, hệ thống SAE phải đảm bảo nhận thực thông tin giữa đầu cuối di động và mạng, đồng thời cho phép chặn bất cứ lưu lượng bất hợp pháp theo luật

Hệ thống SAE cũng có các yêu cầu nghiêm ngặt về tính riêng tư của người sử dụng, nghĩa là phải đảm bảo một số mức độ riêng tư của người dung, chẳng hạn bảo mật

vị trí và bả vệ nhận dạng Vì thế, các hệ thống SEA phải giữ kín nhận dạng người sử dụng đối với kẻ thứ ba không được phép, bảo vệ nội dung, nơi phát và nơi nhận của cuộc truyền tin… Các bên được phép thường là cơ quan chính phủ, nhũng người sử dụng có thể cho phép một số bên nào đó biết vị trí của các đầu cuối di động, ví dụ quản lý đoàn xe để điều hành xe tải

3.7 Yêu cầu tính cước

SEA hỗ trợ một số hình thức tính cước, bao gồm trả trước từ phía chủ gọi, cước cố định và cước trên cơ sở QoS Các khía cạnh tính cước đôi khi có thể nhận được trong mạng vô tuyến, nhất là các mô hình tính cước dựa trên QoS và khối lượng số liệu được chuyển Tuy nhiên hầu hết các mô hình tính cước chỉ cho phép nhìn thấy thông tin cước trong mạng lõi

Kiến trúc SEA với các cổng kết hợp được cho trên H.5

H.1.4: Kiến trúc SEA với các cổng kết hợp

Trong mạng lõi của kiến trúc SAE cho thấy các thực thể sau:

Cổng SAE phục vụ và cổng SAE mạng số liệu gói (PDN SAE) để xử lý số liệu của mặt phẳng người sử dụng Các nhiệm vụ xử lý này liên quan đến quản lý di động bên trong LTE cũng như giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác của 3GPP Cung từ H.5 cho thấy, SGSN của WCDMA có thể nối đến các cổng nói trên và các cổng này sẽ xử lý các chức năng của GGSN trong mạng WCDMA

Phần tử quản lý (MME) xử lý báo hiệu mặt phẳng điều khiển, nhất là với quản lý di động và xử lý chế độ rỗi khi này giao diện S11 kết nối MME với các cổng SAE/PDN nếu chúng được thực hiện trong các phần từ vật lý riêng biệt

Server thuê bao thường trú (HSS: Home Subscriber Server) thực hiện các chức năng như HLR, chứa các thông tin đặc thù thuê bao như: các mức ưu tiên, tốc độ số liệu,

Chương 2 TRUY NHÂP VÔ TUYẾN, KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN

VÀ LỚP VẬT LÝ TRONG LTE

1 Truy nhập vô tuyến LTE

1.1 Tổng quan truy nhập vô tuyến LTE

+ Sơ đồ truyền dẫn DL

Sơ đồ truyền dẫn DL của LTE dựa trên công nghệ OFDM OFDM là sơ đồ truyền dẫn được chọn là do: thời gian ký hiệu OFDM kết hợp với tiền tố chu trình khá dài, đảm bảo độ bền chắc chống phading chọn tần số của kênh vô tuyến rất cao Nó có thể xử lý sự méo dạng tín hiệu do kênh chọn lọc tần số gây ra bằng cách cân bằng tại máy thu nhưng phải trả giá bằng độ phức tạp cao với đầu cuối tại băng thông lớn hơn 5 MHz

Ngoài ra còn một số lợi ích khác như:

- OFDM cung cấp đa truy nhập đến miền tần số, nên cho phép mở rộng mức độ tự

do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA

- Dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt bằng cách thay đổi số lượng các sóng mang con sử dụng cho truyền dẫn

- Cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá /đa phương, trong đó cùng một thông tin được phát đi từ nhiều trạm gốc

+ Sơ đồ truyền dẫn UL

Đối với UL của LTE, truyền dẫn đơn sóng mang, dựa trên phân cách trực giao giữa các người sử dụng trong miền thời gian và miền tần số Trong nhiều trường hơp, phân cách trực giao các người sử dụng rất có lợi vì nó tránh được nhiều nội ô Tuy nhiên, cấp phát đồng thời tài nguyên băng thông rất rộng cho một người sử dụng là một chiến lược không hiệu quả trong các tình trạng mà ở đó tốc độ số liệu bị hạn chế chủ yếu bởi công suất truyền dẫn chứ không phải bởi băng thông truyền dẫn Trong trường hợp này, một đầu cuối thường được cấp phát một phần trong băng thông tổng, còn các đầu cuối khác có thể cấp phát song song trong phần tử đa truy

nhập miền tần số và sơ đồ truyền dẫn UL của LTE cũng được gọi là EDMA đơn sóng mang (SC-FDMA)

1.2 Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ

Bản chất của sơ đồ truyền dẫn LTE là sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên thời gian – tần số được chia sẻ giữa các người sử dụng Điều này cũng giống như cách xử lý trong HSPA, mặc dù việc chia sẻ tài nguyên thực hiện giữa hai công nghệ này khác nhau Trong LTE là thời gian và tần số, còn trong HSPA là thời gian và mã định kênh Việc sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ là hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu tài nguyên thay đổi rất nhanh do truyền dẫn gói gây ra và nó cũng cho phép LTE sử dụng các công nghệ then chốt khác

Trong truyền dẫn LTE, đối với từng thời điểm, bộ lập biểu điều khiển việc người sử dụng nào được ấn định tài nguyên chia sẻ Nó cũng quyết định tốc độ số liệu sẽ được sử dụng cho từng liên kết và thích ứng đường truyền cũng có thể được coi như

là một bộ phận của bộ lập biểu Bộ lập biểu là một phần tử then chốt và với mức độ quan trọng nó quyết định hiệu năng tổng thể của DL, mà đặc biệt là trong ô trong mạng có tải trọng cao Cả DL và UL đều chịu sự điều khiển chặt chẽ của lập biểu Trong nhiều tài liệu đã chỉ ra rằng, có thể đạt được độ lợi dung lượng hệ thống đáng

kể, nếu xét đến các điều kiện kênh trong quyết định lập biểu, hay còn gọi là lập biểu phụ thuộc kênh, điều này đã được khai thác trong HSPA, trong đó lập biểu DL cho phép phát đến người sử dụng có điều kiện kênh ưu việt để đạt được tốc độ số liệu cực đại Ở mức độ nhất định, điều này cũng được thực hiện cho UL Tuy nhiên ngoài miền thời gian, LTE còn có thể truy nhập miền tần số nhờ sử dụng OFDM cho DL và DFTS-OFDM cho UL Do vậy, đối với từng miền tần số, bộ lập biểu có thể chọn người sử dụng có điều kiện kênh tốt nhất, điều này có nghĩa là lập biểu trong LTE có thể xét đến các thay đổi điều kiện kênh không chỉ trong miền thời gian như HSPA, mà cả trong miền tần số Điều này được minh họa trên H.2.1 Khả năng lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số đặc biệt hữu ích tại các tốc độ

số liệu thấp, nghĩa là khi kênh thay đổi chậm theo thời gian Như đã xét ở trước, lập biểu phụ thuộc kênh dựa trên các thay đổi chất lượng kênh để nhận được độ lợi

trong dung lượng hệ thống Đối với các dịch vụ nhạy cảm trễ, bộ lập biểu cho miền thời gian có thể bị buộc phải lập biểu cho một người sử dụng cho dù chất lượng kênh của người này không tốt lắm Trong trường hợp này, việc khai thác cả các thay đổi chất lượng kênh trong miền tần số sẽ hỗ trợ cải thiện tổng hiệu năng hệ thống Đối với LTE, các quyết định lập biểu được thực hiện trong 1ms và tính hạt trong miền tần số là 180 kHz Điều này cho phép bộ lập biểu bám theo các thay đổi kênh khá nhanh

H.2.1: Lập biểu phụ thuộc kênh DL trong miền thời gian và miền tần số

- Lập biểu DL: trên DL, mỗi một đầu cuối báo cáo kết quả ước tính chất lượng kênh tức thời cho trạm gốc Các ước tính này nhận được bằng cách đo một tín hiệu tham khảo được phát đi từ trạm gốc và cũng được sử dụng cho cả mục đích giải điều biến Dựa trên ước tính chất lượng kênh, bộ lập biểu DL ấn định các tài nguyên

cho các người sử dụng Về nguyên tắc, đầu cuối được lập biểu có thể được ấn định một tổ hợp bất kỳ gồm các khối tài nguyên rộng 180 kHz trong một khoảng thời gian 1 ms

- Lập biểu UL: UL của LTE được xây dựng trên cơ sở phân tách trực giao các người sử dụng và đây là nhiệm vụ của bộ lập biểu UL Bộ lập biểu này ấn định các tài nguyên cho các tài nguyên cho các người sử dụng khác nhau (TDMA/FDMA) trong cả miền thời gian và miền tần số Quyết định lập biểu được đưa ra mỗi 1ms một lần để điều khiển việc các đầu cuối nào được quyền phát trong ô trong khoảng thời gian cho trước và trên tài nguyên tần số nào cũng như tốc độ số liệu UL là bao nhiêu (khuôn dạng truyền tải) Lưu ý rằng, đầu cuối được ấn định một vùng tần số liên tục cho truyền dẫn đơn sóng mang được sử dụng cho UL của LTE

Các điều kiện kênh cũng được xét trong quá trình lập biểu UL giống như trong lập biểu DL Tuy nhiên nhận được thông tin về điều kiện kênh UL không phải là vấn đề

dễ dàng Vì thế cần bổ sung thêm các phương tiện để đạt được phân tập UL trong trường hợp không sử dụng lập biểu UL phụ thuộc kênh

- Điều phối nhiễu giữa các ô trong LTE: LTE đảm bảo tính trực giao giữa các người sử dụng trong một ô cho cả UL và DL Vì thế có thể nói rằng hiệu năng liên quan đến hiệu suất sử dụng phổ của LTE bị giới hạn nhiều hơn bởi nhiễu đến từ các

ô khác nhau (nhiễu giữa các ô) so với WCDMA/HSPA Vì thế phương tiện để giảm nhiễu hay để điều khiển nhiễu giữa các ô sẽ đem lại lợi ích rất lớn cho hiệu năng liên quan LTE (chẳng hạn tốc độ số liệu) nhất là đối với các người sử dụng tại biên

ô

Điều phối nhiễu giữa các ô là một chiến lược trong đó các tốc độ số liệu tại biên ô được tăng nhờ xét đến nhiễu giữa những người sử dụng Về bản chất, điều phối nhiễu giữa các có nghĩa là đưa ra các hạn chế nhất định (miền thời gian) cho các bộ lập biểu UL và DL để điều khiển nhiễu giữa các ô Bằng cách hạn chế công suất của một số bộ phận trong một ô, nhiễu trong các ô lân cận trong phổ này sẽ giảm Phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ số liệu cao hơn cho các người sử

dụng trong các ô lân cận Về thực chất, hệ số tái sử dụng tần số trên các phần phổ khác nhau của ô sẽ khác nhau, như trên H.2.2

H.2.2: Thí dụ về điều phối nhiễu giữa các ô, trong đó một số phần phổ bị hạn chế công

suất

Cần lưu ý rằng, điều phối nhiễu giữa các ô chủ yếu là chiến lược lập biểu với việc xét đến tình trạng trong các ô lân cận Như vậy, điều phối nhiễu ô lân cận là vấn đề của nhiệm vụ thực hiện và khó đưa vào các đặc tả Điều này cũng có nghĩa là điều phối nhiễu giữa các ô có thể được áp dụng chỉ cho một tập các ô được chọn phụ thuộc vào các yêu cầu của một triển khai cụ thể

1.3 HARQ với kết hợp mềm

Cũng giống như HSPA, HARQ nhanh với kết hợp mềm được sử dụng để đầu cuối

có thể yêu cầu phát lại nhanh các khối truyền tải bị mắc lỗi và dễ dàng cung cấp một công cụ cho thích ứng tốc độ ẩn tàng Các giao thức ở đây cũng giống như các giao thức được sử dụng cho HSPA: Nhiều xử lý HARQ dừng và đợi Để giảm thiểu ảnh hưởng lên hiệu năng của người sử dụng đầu cuối, các phát lại được yêu cầu nhanh sau mỗi lần phát gói Tăng phần dư được sử dụng như là một chiến lược kết hợp mềm có thể thực hiện kết hợp mềm giữa các lần phát

1.4 Hỗ trợ đa anten

Hỗ trợ đa anten là một trong những công nghệ then chốt được sử dụng trong LTE LTE đã hỗ trợ đa anten cả trạm gốc và đầu cuối, đây là một phần của các đặc tả trong chuẩn Xét về nhiều khía cạnh, sử dụng đa anten làm tăng mạnh mẽ hiệu năng của LTE Như đã xét trước đây, đa anten có thể sử dụng theo các cách khác nhau cho hai mục tiêu sau:

Thứ nhất: Đa anten có thể được sử dụng cho phân tập thu Đối với truyền dẫn UL,

kỹ thuật này đã được sử dụng từ lâu, tuy nhiên, vì hai anten thu là mục tiêu cho tất

cả các đầu cuối của LTE, nên hiệu năng DL sẽ được cải thiện Các sử dụng nhiều anten thu đơn giản nhất là phân tập thu kinh điển để chống phading Cũng có thể dùng nhiều anten thu để triệt nhiễu nhằm đạt được độ lợi trong các kịch bản bị hạn chế bởi nhiễu

Thứ hai: Ghép kênh không gian (đôi khi còn gọi là hệ thống MIMO) sử dụng nhiều anten cả phía phát và thu cũng được hỗ trợ trong LTE Ghép kênh không gian cho phép tăng tốc độ số liệu kênh, cho phép trong trường hợp bị hạn chế băng thông Như vậy, tổng quát kỹ thuật đa anten khác nhau có lợi trong các kịch bản khác nhau, chẳng hạn tại SNR (Signal to Noise Ratio)và SIR (Signal to Interference Ratio) thấp (do tải cao hoặc tại biên ô) Ghép kênh không gian chỉ mang lại lợi ích hạn chế Trong khi đó tại các kịch bản này, kỹ thuật đa anten dựa trên tạo búp tại phía phát cần được sử dụng để tăng SNR/SIR Trái lại, trong các kịch bản khi SNR

và SIR khá cao, chẳng hạn trong các ô nhỏ, việc tăng thêm chất lượng tín hiệu chỉ đem lại lợi ích không lớn vì tốc độ số liệu có thể đạt được chủ yếu bị hạn chế bởi băng thông chứ không phải bởi SNR/SIR Trong các trường hợp này tốt nhất là sử dụng phân tập không gian, nghĩa là sử dụng đa anten để tận dụng băng thông Trạm gốc điều khiển sơ đồ đa anten để chọn sơ đồ phù hợp cho mỗi cuộc truyền dẫn

1.5 Hỗ trợ quảng bá và đa phương

Quảng bá đa ô thực hiện phát cùng một thông tin từ nhiều ô như đã xét ở trước Khai thác dịch vụ này tại đầu cuối và sử dụng hiệu quả công suất tín hiệu từ nhiều trạm ô cho phép đã đạt được cải thiện đáng kể vùng phủ (hay các tốc độ số liệu cao hơn) Dịch vụ này đã được khai thác trong WCDMA/HSPA, ở đây, trong trường hợp quảng bá/đa phương đa ô, đầu cuối di động có thể nhận tín hiệu từ nhiều ô và kết hợp mềm các tín hiệu này tại máy thu

Về công nghệ, LTE cải tiến thêm dịch vụ này để cung cấp quảng bá/ đa phương hiệu quả cao Bằng cách không chỉ phát ra các tín hiệu giống nhau ở nhiều trạm ô (thực hiện mã hóa và điều biến như nhau), mà còn đồng bộ thời gian giữa các ô, tín

hiệu đầu cuối sẽ thể hiện hệt như tín hiệu được phát đi từ một ô Do OFDM có khả năng chống phading đa đường tốt, phát đa ô còn được gọi là phát của “mạng đa phương quảng bá đơn sóng mang” (MBSFN) Cách phát này không chỉ cải thiện được cường độ tín hiệu thu mà còn hạn chế được nhiễu giữa các ô Như vậy, đối với OFDM, thông lượng quảng bá/đa phương đa ô có thể bị giới hạn bởi tạp âm và vì thế trong trường hợp các ô nhỏ có thể đạt được thông lượng này rất cao

Cần lưu ý rằng, việc sử dụng MBSFN cho quảng bá/đa phương đa ô đòi hỏi phải sử dụng đồng bộ chặt và đồng chỉnh thời gian cho các tín hiệu được phát đi từ các trạm

ô khác nhau

1.6 Linh hoạt phổ

Như đã chỉ ra, mức độ linh hoạt phổ cao là một trong các đặc tính của truy nhập vô tuyến LTE Mục đích của linh hoạt phổ là để cho phép triển khai truy nhập LTE trong các dạng phổ khác nhau, các sắp xếp song công khác nhau, hoạt động tại các băng tần khác nhau và các kích thước phổ khả dụng khác nhau

Dưới đây sẽ xem xét một vài vấn đề có liên quan đến đặc tính linh hoạt phổ

- Linh hoạt trong sắp xếp song công: một trong những tính năng quan trọng của LTE liên quan đến tính linh hoạt phổ là khả năng triển khai LTE trong phổ kép và phổ đơn, nghĩa là LTE phải hỗ trợ cả ghép song công theo tần số (FDD) và ghép song công theo thời gian (TDD) Trong ghép song công theo FDD truyền dẫn DL

và UL xảy ra trong các băng tần khác nhau, như H.2.3a; còn trong trường hợp TDD truyền dẫn DL và UL xảy ra trong cùng một băng tần nhưng luân phiên nhau theo thời gian, như H.2.3b

Vì thế TDD có thể hoạt động trong phổ đơn, còn FDD phải trong phổ kép Hỗ trợ

cả phổ kép lẫn phổ đơn đã có trong đặc tả của 3GPP ngay từ phát hành R3, mặc dù hiện nay mới triển khai FDD cho WCDMA là khác nhau Trái lại, LTE hỗ trợ cả FDD và TDD trong cùng một công nghệ truy nhập vô tuyến LTE là rất ít Vì thế, truy nhập vô tuyến được trình bày trong phần sau sẽ đúng cho cả FDD và TDD, nếu xảy ra khác biệt sẽ được giải thích riêng

- Linh hoạt băng thông: khả năng triển khai truy nhập vô tuyến vô tuyến LTE trong các băng tần khác nhau phụ thuộc vào khả năng LTE như hoạt động với các băng thông truyền dẫn khác nhau trên cả UL và DL Lý do chính là độ khả dụng cho LTE

có thể thay đổi rất lớn giữa các băng tần khác nhau và cũng còn phụ thuộc vào tình trạng của nhà khai thác Ngoài ra, khả năng hoạt động trong các ấn định phổ khác nhau cho phép chuyển dịch từ từ phổ từ các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau sang LTE

Các đặc tả lớp vật lý LTE, về nguyên tắc, không thể biết băng thông và không đưa

ra quy định cụ thể bất kỳ nào về việc hỗ trợ các băng truyền dẫn ngoài một giá trị tối thiểu Sau này ta sẽ thấy, đặc tả truy nhập vô tuyến bao gồm các đặc tả lớp vật lý

và giao thức, cho phép mọi băng thông truyền dẫn trong dải từ 1 MHz đến 20 MHz với tính hạt 180 kHz Đồng thời, tại giai đoạn đầu, các yêu cầu tần số vô tuyến chỉ

được đặc tả cho một tập hạn chế băng thông truyền dẫn tương ứng với dự báo liên quan đến các kích thước ấn định phổ và các kịch bản chuyển dịch tương ứng Vì thế, trong thực tế truy nhập vô tuyến LTE hỗ trợ hạn chế các băng thông, nhưng có thể dễ dàng hỗ trợ bổ sung các băng thông truyền dẫn bằng các cập nhật các đặc tả

vô tuyến

2 Kiến trúc giao thức LTE

2.1 Tổng quan kiến trúc giao thức LTE cho DL

Tổng quan kiến trúc giao thức LTE cho DL được minh họa trên H.2.4

H.2.4: Kiến trúc giao thức LTE DL

Trong các phần trình bày dưới đây cần chú ý rằng không phải tất cả các thực thể trên H.2.4 là đều được áp dụng cho tất cả các tình huống, chẳng hạn, cả lập biểu

MAC lẫn HARQ với kết hợp mềm đều không được sử dụng cho quảng bá thông tin

hệ thống Ngoài ra, cấu trúc LTE liên quan đến truyền dẫn UL cũng giống như DL trên H.2,4, mặc dù có một số điểm khác biệt liên quan đến chọn khuôn dạng truyền tải và truyền dẫn đa anten

2.1.1 Giao thức hội tụ số liệu gói (PDCP):

Giao thức hội tụ số liệu gói, PDCP (Packet Data Convergence Protocol) thực hiện nén tiêu đề để giảm số bit cần thiết phát trên giao diện vô tuyến Nguyên lý “nén tiêu đề bền chắc”, ROHC (Roubust Header Compression), là giải thuật nén tiêu đề chuẩn được sử dụng trong WCDMA cũng như trong nhiều chuẩn thông tin di động khác PDCP cũng chịu trách nhiệm mã mật và bảo vệ toàn vẹn số liệu Tại phía thu, PDCP thực hiện giải mã mật và giải nén Mỗi đầu cuối di động được lập cấu hình một thực thể PDCP trên một kênh mang vô tuyến

2.1.2 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC):

Điều khiển liên kết vô tuyến RLC (Radio Link Control) chịu trách nhiệm phân đoạn/móc nối, xử lý phát và chuyển giao theo thứ tự đến lớp cao hơn Khác với WCDMA, giao thức RLC được đặt trong eNodeB vì chỉ có một kiểu nut duy nhất trong kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến của LTE RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP ở dạng các kênh mang vô tuyến Mỗi đầu cuối được lập cấu hình một thực thể RLC trên một kênh mang vô tuyến

2.1.3 Điều khiển truy nhập môi trường (MAC):

Điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) xử lý các phát lại HARQ và lớp biểu UL và DL Chức năng lập biểu được đặt tại eNodeB, mỗi nut này có một thực thể MAC cho một ô, cho cả DL và UL Một bộ phận của giao thức HARQ được đặt tại đầu phát và đầu thu của giao thức MAC MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC trong dạng các kênh logic

2.1.4 Lớp vật lý (PHY)

Lớp vật lý xử lý mã hóa/giải mã, điều biến/giải điều biến, sắp xếp đa anten và các chức năng điển hình khác của lớp vật lý Lớp vật lý cung cấp các dịch vụ cho lớp MAC trong dạng kênh vật lý

Dưới đây ta sẽ trình bày chi tiết hơn các giao thức LTE RLC và MAC

2.2 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC):

Giống như trong WCDMA/HSPA, giao thức LTE RLC chịu trách nhiệm phân đoạn các gói IP (được nén tiêu đề), các gói IP này nhận được từ PDCP và được gọi là điều khiển liên kết vô tuyến “đơn vị số liệu dịch vụ”, RLCSDU (RLC Service Data Unit), thành các đơn vị nhỏ hơn được gọi là “đơn vị số liệu gói’, RLC PDU (PDU- Packet Data Unit) Nó cũng xử lý việc phát lại các PDU thu bị lỗi cũng như loại bỏ thu kép và thực hiện móc nối các PDU thu Cuối cùng RLC đảm bảo việc chuyển các RLCPDU theo đúng thứ tự lên lớp trên

Cơ chế phát lại RLC chịu trách nhiệm đảm bảo chuyển số liệu lên lớp cao hơn không bị lỗi Để thực hiện điều này, giao thức phát lại làm việc giữa các thực thể RLC phía phát và phía thu Bằng cách giám sát các số thứ tự thu, RLC thu có thể nhận biết các PDU bị mất Báo cáo trạng thái được phản hồi đến RLC phát để yêu cầu phát lại các PDU bị mất Thời điểm phản hồi trạng thái có thể lập cấu hình được, tuy nhiên báo cáo thông thường chứa thông tin về nhiều PDU và vì thế được phát không thường xuyên Dựa trên báo cáo trạng thái thu được, thực thể RLC tại máy phát có thể đưa ra các hành động thích hợp và phát lại các PDU bị mất theo yêu cầu

Khi RLC được lập cấu hình để yêu cầu phát lại các gói bị mất như đã nói ở trên, ta gọi đó là hoạt động trong chế độ được công nhận, AM (Acnowledged Mode) Điều này giống như WCDMA/HSPA AM thường được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên giao thức điều khiển truyền dẫn TCP (Transmission Control Protocol) như chuyển file khi mà chuyển số liệu không bị lỗi là mối quan tâm hàng đầu về QoS

Giống như WCDMA/HSPA, RLC cũng có thể được lập cấu hình trong chế độ không công nhận, UM (Unacknowledged Mode) và chế độ trong suốt TM (Transparent Mode) Trong UM, chuyển theo trình tự lên lớp cao hơn vẫn được đảm bảo, nhưng không yêu cầu phát lại các PDU bị mất Mặc dù TM được hỗ trợ nhưng

nó chỉ được sử dụng cho các mục đích đặc biệt như truy nhập ngẫu nhiên Mặc dù RLC có thể xử lý các lỗi truyền dẫn do tạp âm, các thay đổi kênh không thể dự

báo,…nhưng các ảnh hưởng này chủ yếu được xử lý bởi giao thức HARQ Vì thế,

có vẻ như sử dụng phát lại RLC là thừa Tuy nhiên vấn đề này không phải như vậy, việc sử dụng phát lại RLC và MAC trong thực tế xuất phát từ các khác nhau trong báo hiệu phản hồi (sẽ ở phần sau)

Ngoài xử lý phát lại và chuyển theo thứ tự, RLC còn chịu trách nhiệm phân đoạn và móc nối, như chỉ ra trên H.2.5

H.2.5: Phân đoạn và móc nối RLC

Phụ thuộc vào quyết định của bộ lập biểu, một khối lượng số liệu nhất định được chọn để phát từ bộ đệm RLC SDU và các SDU được phân đoạn/móc nối để tạo ra các RLC PDU Như vậy, đối với LTE, kích thước RLC PDU thay đổi động, trong khi WCDMA/HSPA trước R7 sử dụng kích thước PDU bán tỉnh Đối với các tốc độ

số liệu cao, PDU có kích thước lớn dẫn đến chi phí thêm (tiêu đề chẳng hạn) tương đối nhỏ, trái lại đối với tốc độ số liệu thấp, yêu cầu kích thước PDU phải nhỏ nếu không tải trọng sẽ quá lớn Vì thế, do các tốc độ số liệu của LTE có thể thay đổi từ vài kbps lên đếnhơn 100 Mbps, nên cần có kích thước PDU động Vì vậy RLC, bộ lập biểu và các cơ chế thích ứng đều được đặc tả trong eNodeB, nên dễ dàng hỗ trợ các kích thước PDU động cho LTE

2.3 Điều khiển truy nhập môi trường (MAC)

Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) xử lý ghép kênh logic, các phát lại HARQ, lập biểu UL và DL Khác với HSPA, trong đó sử dụng phân tập vĩ mô vì thế phải định nghĩa cả ô phục vụ và các ô không phục vụ, còn trong LTE chỉ định nghĩa ô phục vụ vì không có phân tập UL Ô phục vụ là ô mà đầu cuối di động nối đến và chịu trách nhiệm lập biểu và hoạt động HARQ Dưới đây ta cũng xem xét chi tiết hơn hai vấn trong MAC:

2.3.1 Các kênh logic và các kênh truyền tải

MAC cung cấp dịch vụ cho RLC trong dạng kênh logic Kênh logic được định nghĩa bởi kiểu thông tin mà nó mang Nói chung các kênh này được phân thành các kênh điều khiển (được sử dụng để truyền dẫn thông tin và cấu hình cần thiết để vận hành hệ thống LTE) và các kênh lưu lượng để truyền dẫn số liệu của người sử dụng

+ Tập các kênh logic

Tập các kênh logic của LTE gồm:

- Kênh điều khiển quảng bá (BCCH - Boardcast Control Channel):

- Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH - Paging Control Channel):

- Kênh điều khiển riêng (DCCH - Dedicated Control Channel):

- Kênh điều khiển đa phương (MCCH - Mul-ticast Control Channel):

- Kênh lưu lượng riêng (DTCH - Dedicated Traffic Channel):

- Kênh lưu lượng đa phương (MTCH - Multicast Traffic Channel):

Các kênh logic có cấu trúc như các kênh đã được sử dụng cho WCDMA/HSPA Tuy nhiên, so với WCDMA/HSPA, cấu trúc kênh logic của LTE phần nào đơn giản hơn với số lượng kiểu kênh ít hơn

Từ các lớp vật lý MAC sử dụng, các dịch vụ trong dạng các kênh truyền tải Kênh truyền tải được định nghĩa bởi các cách thức và đặc tính mà thông tin được phát trên giao diện vô tuyến Cũng giống như HSPA, số liệu trên một kênh truyền tải được tổ chức thành các khối truyền tải Trong mỗi khoảng thời gian truyền dẫn, TTI (Transmission Time Interval) tối đa một khối truyền tải với một kích thước nhất định được phát trên giao diện vô tuyến khi không có ghép kênh không gian Trong trường hợp với ghép kênh không gian “MIMO” có thể có hai khối truyền tải trên một TTI

Liên kết với khối truyền tải là “khuôn dạng truyền tải” TF (Transport Format) để đặc tả cách thức sẽ truyền khối truyền tải này trên giao diện vô tuyến Khuôn dạng truyền tải bao gồm thông tin về kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều biến và cách sắp xếp anten Cùng với ấn định tài nguyên tỷ lệ mã cũng có thể được rút ra từ khuôn dạng truyền tải Bằng cách thay đổi khuôn dạng truyền tải, lớp MAC có thể

thực hiện các tốc độ số liệu khác nhau Vì thế, điều khiển tốc độ cũng được coi là tham số chọn lựa khối truyền tải

+ Tập các kênh truyền tải được định nghĩa trong LTE gồm

- Kênh quảng bá, BCH (Broadcast Channel):

- Kênh tìm gọi, PCH (Paging Channel):

- Kênh chia sẻ DL, DL-SCH (Downlink Shared Channel):

- Kênh đa phương, MCH (Multicast Channel):

- Kênh chia sẻ UL, UL-SCH (Up-link Shared Channel):

Kênh chia sẻ UL là đối tác UL của DL-SCH

Một bộ phận của chức năng MAC là ghép kênh logic và sắp xếp chung lên các kênh truyền tải tương ứng Khác với MAC-hs trong HSDPA, MAC trong LTE hỗ trợ ghép các RLC PDU từ các kênh mang vô tuyến khác nhau vào cùng một khối truyền tải Vì kiểu thông tin và cách phải phát nó có mối quan hệ nhất định nên sẽ

có các quy định về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải Thí dụ sắp xếp các kênh logic lên kênh truyền tải được cho trên H.6

H.2.6: Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải

2.3.2 Lập biểu DL

Một trong các nguyên lý cơ bản của truy nhập vô tuyến LTE là truyền dẫn chia sẻ trên DL-SCH và UL-SCH, nghĩa là tài nguyên thời gian – tần số được chia sẻ đồng thời giữa các người sử dụng trên cả UL và DL Bộ lập biểu là một bộ phận của lớp MAC, nó điều khiển ấn định tài nguyên UL và DL trong LTE, lập biểu UL và DL được tách riêng và các quyết định lập biểu UL và DL có thể được đưa ra độc lập (trong các giới hạn được đặt ra bởi việc phân chia UL/DL trong trường hợp khai

thác TDD) Phần còn lại ở phần này sẽ xét lập biểu DL (lập biểu UL sẽ xét trong mục sau)

Nguyên tắc chung của bộ lập biểu DL là quyết định động (trong từng khoảng thời gian 1 ms) đầu cuối nào sẽ được truyền dẫn DL-SCH và trên các tài nguyên nào Nhiều đầu cuối có thể được lập biểu đồng thời, trong trường hợp này một DL-SCH được dành cho một đầu cuối được lập biểu, mỗi DL-SCH được sắp xếp đến một tập các tài nguyên tần số Đơn vị tài nguyên – tần số cơ sở trong bộ lập biểu được gọi là

“khối tài nguyên” Các khối tài nguyên sẽ được trình bày chi tiết trong phần sau cùng với việc sắp xếp số liệu lên các tài nguyên vật lý, nhưng về nguyên tắc một khối tài nguyên là một đơn vị rộng 180kHz trên miền tần số Trong mỗi khoảng lập biểu 1 ms, bộ lập biểu ấn định các khối tài nguyên cho một đầu cuối để thu truyền dẫn DL-SCH Bộ lập biểu cũng chịu trách nhiệm chọn kích thước khối truyền tải, sơ

đồ điều biến và cách sắp xếp anten (trong trường hợp phát nhiều anten)

Ta chú ý rằng, thông tin về các điều kiện kênh DL cần thiết cho lập biểu phụ thuộc kênh được phản hồi từ đầu cuối di động đến eNodeB thông qua các báo cáo chất lượng kênh Báo cáo chất lượng kênh, hay còn gọi là chỉ thị chất lượng kênh (CQI) không chỉ chứa thông tin về chất lượng kênh tức thời trong miền tần số mà còn thông tin cần thiết để quyết định xử lý anten phù hợp trong trường hợp ghép kênh không gian Cơ sở của các báo cáo CQI là kết quả đo các tín hiệu tham khảo DL Tuy nhiên, các nguồn thông tin kênh bổ sung, như tính đảo lẫn kênh trong trường hợp khai thác TDD, cũng có thể được khai thác bởi một thực hiện đặc biệt của bộ lập biểu như là một thông tin bổ sung thêm cho các báo cáo CQI

Ngoài chất lượng kênh, bộ lập biểu hiệu năng cao cũng phải xét đến trạng thái bộ đệm và các mức ưu tiên trong các các quyết định lập biểu Ngoài ra các khác biệt về kiểu dịch vụ và kiểu đăng ký cũng có thể ảnh hưởng lên mức ưu tiên lập biểu, chẳng hạn, một người sử dụng VoIP với đăng ký đắt tiền sẽ được đảm bảo chất lượng dịch

vụ của mình ngay cả khi tải hệ thống cao, trong khi một người sử dụng tải file xuống và có đăng ký giá rẻ có thể phải thỏa mãn với các tài nguyên không dùng cho các người sử dụng khác