Đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng OFDMA4G

LTE được hi p hội các nhà khai thác GSM GSM Association chấp nhận là công ngh băng rộng di động tương l i của h di động hi n đ ng thống trị thị trường di động toàn c u với khoảng 2,5 tỉ

Mục Lục

Mục Lục i

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH TIẾN LÊN 4G 2

1.1 Tổ chức 3GPP và lộ trình phát triển lên 4G 2

1.1.1 Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành 2

1.1.2 Truy nhập gói tốc độ cao HSPA 2

1.1.3 Phát triển dài hạn LTE 2

1.2 Tổng qu n c ng ngh LTE v c c y u c u 3

1.2.1 Tổng quan công ngh LTE 3

1.2.1.1 Giới thi u về công ngh LTE 3

1.2.1.2 So sánh công ngh LTE với công ngh WiMax 4

1.2.1.3 Những triển vọng cho công ngh LTE 8

1.2.2 Các mục tiêu yêu c u của LTE 10

1.2.2.1 Các khả năng của LTE 10

1.2.2.2 Hi u năng h thống 11

1.2.2.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai 13

1.2.2.4 Độ linh hoạt phổ và vi c triển khai 14

1.2.2.5 Kiến trúc và sự dịch chuyển 16

1.2.2.6 Quản lý tài nguyên vô tuyến 17

1.3 Kiến trúc giao di n vô tuyến LTE 17

1.3.1 Giới thi u 17

1.3.2 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC - Radio Link Control) 20

1.3.3 Điều khiển truy nhập m i trường (MAC - Medium Access Control) 22

1.3.3.1 Kênh logic và kênh truyền tải (Logical Channels And Transport Channels) 22

1.3.3.2 Hoạch định đường xuống 25

1.3.3.4 Hybrid ARQ 30

1.3.4 Lớp vật lý (PHY - Physical Layer) 34

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 37

CHƯƠNG 2 - TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 38

2.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến 38

2.2 Băng t n truyền dẫn 38

2.3 C c băng t n được hỗ trợ 39

2.4 Kỹ thuật đ truy nhập cho đường xuống OFDMA 40

2.4.1 OFDM 40

2.4.2 Các tham số OFDMA 43

2.4.3 Truyền dẫn dữ li u hướng xuống 45

2.5 Kỹ thuật đ truy nhập đường lên LTE SC-FDMA 48

2.5.1 SC-FDMA 48

2.5.2 Các tham số SC-FDMA 49

2.5.3 Truyền dẫn dữ li u hướng lên 51

2.5.4 So sánh OFDMA và SC-FDMA 53

2.6 KẾT LUẬN 55

CHƯƠNG 3 – CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP 56

3.1 Thủ tục dò tìm ô 56

3.1.1 C c bước của thủ tục dò tìm ô 56

3.1.2 Cấu trúc thời gian/t n số của tín hi u đồng bộ 58

3.1.3 Dò tìm b n đ u và dò tìm ô lân cận 60

3.2 Truy nhập ngẫu nhiên 61

3.2.1 Bước 1 : Truyền dẫn ph n mở đ u truy nhập ngẫu nhiên 62

3.2.2 Bước 2 : Đ p ứng truy nhập ngẫu nhiên 67

3.2.3 Bước 3: Nhận dạng thiết bị đ u cuối 68

3.2.4 Bước 4: Giải quyết tranh chấp 69

CHƯƠNG 4 - LẬP BIỂU PHỤ THUỘC KÊNH 71

4.1 Lập biểu đường xuống 71

4.1.1 Chỉ thị chất lượng kênh (CQI) 74

4.1.2 Các thuật toán lập biểu tài nguyên 75

4.1.2.1 Thuật toán phân bổ tài nguyên công bằng tỉ l 75

4.1.2.2 Thuật toán lập biểu tài nguyên dựa trên tái sử dụng t n số mềm hơn 75

4.1.2.3 Thuật toán lập biểu Round Robin 75

4.1.2.4 Thuật toán lập biểu nhiễu tối đ 76

4.1.3 Tối ưu hó lập biểu t i nguy n đường xuống trong các h thống LTE 76

4.1.3.1 Mô hình h thống 76

4.1.3.2 Tối ưu hó một người sử dụng 77

4.1.3.3 Bộ lập biểu tối ưu th ng lượng 78

4.1.3.4 Lập biểu tối ưu hó đ người sử dụng 79

4.1.3.5 Mô hình tuyến tính hóa 80

4.1.3.6 Lập biểu cận tối ưu đ người sử dụng 81

4.1.4 Bộ lập biểu tối ưu với công bằng tỉ l 81

4.1.4.1 Lập biểu tối ưu hó đ người sử dụng 81

4.1.4.2 Lập biểu cận tối ưu đ người sử dụng 82

4.2 LẬP BIỂU ĐƯỜNG LÊN 83

4.2.1 Chỉ thị chất lượng k nh (CQI) đường lên 86

4.2.1 Mô hình h thống 87

4.2.2 Lập biểu đ người sử dụng t n số không gian 87

4.4 KẾT LUẬN 89

CHƯƠNG 5 THUẬT TOÁN LẬP BIỂU DRRF VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 90

5.1 Giới Thi u 90

5.2 Thuật toán lập biểu công bằng 93

5.2.1 General Processor Sharing (GPS) 94

5.2.2 Deficit Round Robin (DRR) 94

5.2.3 Deficit Round Robin with Fragmentation (DRRF) 95

5.3 Phân bổ công bằng vê thông lượng 96

5.3.1 Thuật toán công bằng Max - Min 97

5.4 Mở rộng DRRF 98

5.4.2 Mở rộng tốc độ lưu lượng duy trì tối đ 99

5.4.2 Mở rộng lưu lượng ưu ti n 100

5.5 Đ nh gi hi u suất 100

5.5.1 Cấu hình mô phỏng 101

5.5.2 Kết quả mô phỏng 104

5.6 Kết quả v định hướng tương l i 107

KẾT LUẬN 109

Danh mục tài liệu tham khảo 110

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP 6

Bảng 1.2 LTE và WiMax 7

Bảng 1.3 : Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng 12

Bảng 1.4 Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA 14

Bảng 2.1 Các băng tần vận hành E-UTRAN ( TS 36.101 ) 40

Bảng 2.2 số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau (FDD&TDD) 44

Bảng 2.3 Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD ) 45

Bảng 2.4 Các tham số cấu trúc khung đường lên ( FDD&TDD) 51

Bảng 5.1 Cập nhật số lượng truy cập thiếu hụt cho DRR ( kích thước gói truyền/số lượng thiếu hụt) 95

Bảng 5.2 Cập nhật số lượng truy cập thiếu hụt cho DRRF ( kích thước gói truyền/số lượng thiếu hụt) 96

Bảng 5.3 Đánh giá các thông số hiệu suất 101

Bảng 5.4 Phân tích dữ liệu công suất 102

Bảng 5.5: Thông lượng của hệ thống và tỉ lệ % quá tải 105

Bảng 5.6 Thông lượng của DRRF ( MS1 với 2Mbps r min ) 106

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tiến trình các phát hành trong 3GPP [2] 2

Hình 1.2 Kiến trúc của mạng LTE 3

Hình 1.3 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 5

Hình 1.4 Hội thảo nghiên cứu LTE [2] 10

Hình 1.5 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000 15

Hình 1.6 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của một hệ thống GSM đã được triển khai 16

Hình 1.7 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 19

Hình 1.8 Phân đoạn và hợp đoạn RLC 21

Hình 1.9 Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền dẫn 25

Hình 1.10 Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải) 29

Hình 1.11 Giao thức Hybrid ARQ đồng bộ và không đồng bộ 32

Hình 1.12 Nhiều tiến trình Hybrid ARQ song song 32

Hình 1.13 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH 35

Hình 1.14Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH 36

Hình 2.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM 41

Hình 2.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT 41

Hình 2.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM 42

Hình 2.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA 42

Hình 2.5 Cấu trúc khung loại 1 43

Hình 2.6 Cấu trúc khung loại 2 43

Hình 2.7 lưới tài nguyên đường xuống 44

Hình 2.8 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA 46

Hình 2.9 Phát và thu OFDMA 47

Hình 2.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM 49

Hình 2.11 Lưới tài nguyên đường lên 50

Hình 2.12 Phát & thu hướng lên LTE 52

Hình 2.13 So sánh OFDMA & SC-FDMA truyền một chuỗi các ký hiệu dữ liệu QPSK 54

Hình 3.1 Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp & thứ cấp ( giả thiết chiều dài tiền tố vòng

bình thường ) 57

Hình 3.2 Sự hình thành tín hiệu đồng bộ trong miền tần số 59

Hình 3.3 Tổng quan về thủ tục truy nhập ngẫu nhiên 63

Hình 3.4 Minh họa cơ bản cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên 64

Hình 3.5 Định thời phần mở đầu tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ngẫu nhiên khác nhau 65

Hình 3.6 Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số 66

Hình 4.1 Cấu trúc miền thời gian tần số đường xuống LTE [11] 71

Hình 4.2 Lập biểu đường xuống [11] 74

Hình 4.3 Mối quan hệ giữa r i,j và x i,n [11] 77

Hình 4.4 Lựa chọn MCS SB n có thể được lựa chọn nếu và không được chọn nếu ngược lại 80

Hình 4.5 Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải) 85

Hình 5.1 Cấu trúc của một mẫu khung OFDMA 92

Hình 5.3 Cấu hình mô phỏng 102

Hình 5.4 Thông lượng của DRRF ( MS1 với 2Mbps r min ) 106

Hình 5.5 Thông lượng của DRRF ( MS1 với 2Mbps r max ) 106

Hình 5.6 Thông lượng của DRRF ( MS1và MS2 với mức ưu tiên 2 và MS3-MS5 với mức ưu tiên 1) 107

AAS Adaptive Antenna System H thống antenna thích ứng

ACK Acknowledgement (In ARQ

Protocols) Báo nhận (trong giao thức ARQ)

ACLR Adjacent Channel Leakage

Ratio H số rò rỉ kênh lân cận

AGW Access Gateway (in

LTE/SAE) Cổng truy nhập

AM Acknowledged Mode (RLC

Configuration) Chế độ báo nhận (cấu hình RLC)

AMC Adaptive Modulation And

Coding Mã hó v điều chế thích nghi ARQ Automatic Repeat-Request Yêu c u lặp lại tự động

B

BCCH Broadcast Control Channel K nh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá

BER Bit-Error Rate Tỷ l lỗi bit

BLER Block-Error Rate Tỷ l lỗi khối

BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

DCH Dedicated Channel Kênh dành riêng

DFE Decision Feedback

Equalization Cân bằng hồi tiếp để quyết định DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi fourier rời rạc DFTS-

OFDM

DFT-Spread OFDM, See Also

SC-FDMA

OFDM trải phổ DFT, cũng được xem như l SC-FDMA

DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DPCCH Dedicated Physical Control

Channel K nh điều khiển vật lý dành riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý dành riêng

DPDCH Dedicated Physical Data

Channel Kênh dữ li u vật lý dành riêng DRX Discontinuous Reception Sự thu nhận không liên tục DTCH Dedicated Traffic Channel K nh lưu lượng dành riêng DTX Discontinuous Transmission Sự phát không liên tục

E

E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh dành riêng nâng cao eNodeB E-UTRAN NodeB NodeB E-UTRAN

EPC Evolved Packet Core Lõi gói cải tiến

ETSI European Telecommunication

Multiplexing Ghép kênh phân chia theo t n số

FDMA Frequency Division Multiple Đ truy nhập phân chia theo t n số

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier nhanh

G

GERAN GSM EDGE RAN Mạng truy nhập vô tuyến GSM

EDGE

GPRS General Packet Radio

Services Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM Global Sytem For Mobile

Communications

H thống truyền th ng di động toàn

c u

H

HSCSD High Speed Circuit Switched

Data

Dữ li u chuyển mạch kênh tốc độ

cao HLR Home Location Register Th nh ghi định vị thường trú

HS-DSCH High-Speed Downlink Shared

HSUPA High Speed Uplink Packet

Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

I

IEEE Institute Of Electrical And

Electronics Engineers Vi n kỹ sư đi n v đi n tử

IMS IP Multimedia Subsystem H thống con đ truyền thông IP

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications 2000 Viễn th ng di động quốc tế 2000

IR Incremental Redundancy Sự dư thừ gi tăng

ITU International

Telecommunications Union Hi p hội viễn thông quốc tế

MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động

MS Mobile station Đi n thoại di động

N

NAK Negative Acknowledgement

(In ARQ Protocols)

Commonly, but not necessarily, corresponding to

a base station

Một node logic điều khiển vi c phát

và thu trong nhiều tế bào Có khi còn xem như tương ứng với một

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đ truy nhập phân chia theo t n số

PCH Paging Channel Kênh tìm gọi

PCl Pre-coding Control Indication Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa

PDCCH Physical Downlink Control

Channel

K nh điều khiển đường xuống vật

lý

PDCP Packet Data Convergence

Protocol Giao thức hội tụ dữ li u gói

PDSCH Physical Downlink Shared

Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ li u giao thức

Q

QAM Quadrature Amplitude

Modulation Điều chế bi n độ c u phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying Khóa dịch pha c u phương

R

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RB Resource Block Khối tài nguyên

RF Radio Frequency T n số vô tuyến

S

SC-FDMA Single Carrier FDMA FDMA đơn sóng m ng SIR Signal To Interference Ratio H số tín hi u trên nhiễu SNR Signal To Noise Ratio H số tín hi u trên tạp âm

Access gian

TD-SCDMA

Time Division-Synchronous Code Division Multiple

MỞ ĐẦU

Tro nhữn năm g n đây, th ng tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông Nhu c u sử dụng củ con người ng y c ng tăng cả

về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đ phương ti n mới ng y c ng đ dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ li u Do đó để đ p ứng về nhu c u sử dụng ngày càng cao, các h thống th ng tin di động đã kh ng ngừng được cải tiến v được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới Vi c các h thống th ng tin di động tiến lên 4G là một điều tất yếu

Một trong những đặc tính của thông tin vô tuyến di động là sự th y đổi nhanh củ m i trường truyền dẫn Do đó tạp âm nhiễu là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn củ người sử dụng Ngoài ra, nhu c u

c n một th ng lượng lớn để đ p ứng nhu c u đ dạng củ người sử dụng ngày nay đòi hỏi phải có những phương ph p nhằm tối ưu hó lưu lượng cho người sử dụng

Từ những yêu c u cấp thiết như vậy, nội dung luận văn được đư r để xem xét cũng như đư r những giải ph p để khắc phục những vấn đề cấp bách trên

Nội dung luận văn gồm có năm chương:

Chương 1: Tổng quan công nghệ LTE

Chương 2: Truy nhập trong LTE

Chương 3: Các thủ tục truy nhập LTE

Chương 4: Kĩ thuật lập biểu trong LTE

Chương 5: Thuật toán lập biểu DRRF và kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH TIẾN LÊN 4G

Chương này trình bày tổng quan về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP bao gồm: các phiên bản phát hành của tổ chức 3GPP, các mục tiêu yêu cầu của LTE và cuối cùng là các tính năng quan trọng của LTE đã đưa 3GPP cũng như viễn thông thế giới tiến tới 4G

1.1.2 Truy nhập gói tốc độ cao HSPA

Những cải tiến trong R5 n y thường được nhắc đến với một tên gọi HSDPA

Sự r đời của HSDPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽ các dịch vụ số li u yêu c u tốc độc truyền dẫn lớn như c c dịch vụ tương tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming Tốc độ truyền dẫn tối đ có thể l n đến 14,4 Mbps Cả hai mạng HSDPA v HSUPA được gọi với cái tên chung là HSPA Các mạng HSDPA đ u ti n được thương mại hóa

v o năm 2005 v HSUPA được đư v o thương mại năm 2007

1.1.3 Phát triển dài hạn LTE

LTE là một trong số c c con đường tiến lên 4G LTE sẽ tồn tại trong gi i đoạn

đ u của 4G, tiếp theo đó l IMT Adv nce 4G LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3G UMTS s ng gi i đoạn đ u 4G s u đó sẽ l IMT Adv nce như hình 1.2[2] Ngo i LTE củ 3GPP thì 3GPP2 cũng đ ng thực hi n kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình,

h thống do 3GPP đư r l UMB Chương trình khung của kế hoạch này bắt đ u từ

1.2 Tổn q n c n n ệ T c c cầ

1.2.1 Tổng quan công nghệ LTE

1.2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là thế h thứ tư tương l i của chuẩn UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) do 3GPP phát triển UMTS thế h thứ ba dựa trên WCDMA/HSPA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho h thống n y trong tương l i, th ng 11/2004, 3GPP đã bắt đ u dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công ngh di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu c u cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt c c băng t n hi n

có v băng t n mới, đơn giản hóa kiến trúc với các giao tiếp mở và giảm đ ng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đ u cuối Đặc tính kỹ thuật cho LTE đ ng được hoàn tất và sản phẩm LTE đã ra mắt trên thị trường

Hình 1.2 Kiến trúc của mạng LTE

Các mục tiêu của công ngh này là:

- Tốc độ đỉnh tức thời ở băng th ng 20 MHz: Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên:

50 Mbps

- Dung lượng dữ li u truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel 6: Tải xuống gấp 3 đến 4 l n; Tải lên gấp 2 đến 3 l n

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

Để đạt được mục tiêu này, có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đ truy nhập phân chia theo t n số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output - Đ nhập đ xuất) Ngoài ra h thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (All-IP Network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD

1.2.1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ WiMax

Về công ngh , LTE và WiMax có một số khác bi t nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng Cả hai công ngh đều dựa trên nền tảng IP Cả h i đều dùng kỹ thuật MIMO để cải thi n chất lượng truyền/nhận tín hi u, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đ u cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ

li u đ phương ti n và video Theo lý thuyết, chuẩn WiMax hi n tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đ l 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps Tuy nhi n, khi LTE được triển khai ra thị trường có thể WiM x cũng sẽ được nâng cấp lên chuẩn 802.16m (còn được gọi là WiMax 2.0) có tốc độ tương đương hoặc c o hơn

Đường lên từ thiết bị đ u cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 công ngh WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm vi c hi u quả hơn v c c thiết

bị đ u cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA

Hình 1.3 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác

LTE còn có ưu thế hơn WiM x vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD (Time Division Duplex) v FDD (Frequency Division Duplex) Ngược lại, WiMax hi n chỉ tương thích với TDD (theo một b o c o được công bố, WiMax Forum đ ng l m vi c với một phiên bản Mobile WiMax tích hợp FDD) TDD truyền dữ li u lên và xuống thông qua 1 kênh t n số (dùng phương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truyền dữ li u lên và xuống thông qua 2 kênh t n số riêng bi t Điều n y có nghĩ LTE có nhiều phổ t n sử dụng hơn WiM x Tuy nhiên, sự khác bi t công ngh kh ng có ý nghĩ quyết định trong cuộc chiến giữa WiMax và LTE

Bảng 1.1: Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP

Release

7 Quí 4/2007

Tập trung giảm độ trễ, cải thi n chất lượng dịch vụ và các ứng dụng thời gian thực như VoIP Phi n bản n y cũng tập trung vào HSPA+ (High Speeed Packet Evolution) và EDGE Evolution

Giới thi u LTE và kiến trúc lại UMTS như l mạng IP thế

h thứ tư ho n to n dựa trên IP

Hi n tại WiMax có lợi thế đi trước LTE: mạng WiM x đã được triển khai và thiết bị WiM x cũng đã có mặt trên thị trường, còn LTE thì sớm nhất cũng phải đến năm 2010 người dùng mới được trải nghi m Tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan trọng so với WiM x LTE được hi p hội các nhà khai thác GSM (GSM Association) chấp nhận là công ngh băng rộng di động tương l i của h di động

hi n đ ng thống trị thị trường di động toàn c u với khoảng 2,5 tỉ thuê bao (theo Inform Telecoms & Medi ) v trong 3 năm tới có thể chiếm thị ph n đến 89% (theo Gartner) - những con số “trong mơ” đối với WiM x Hơn nữa, LTE cho phép tận dụng dụng hạ t ng GSM có sẵn tuy vẫn c n đ u tư th m thiết bị trong khi

Bảng 1.2 LTE và WiMax

RAN1

802.16e/Mobile WiMax R1

802.16m/Mobile WiMax R2

Ghép kênh TDD, FDD TDD TDD, FDD

Băng t n dự kiến 700MHz –

2,6GHz

2,3GHz, 2,5GHz, 3,3-3,8GHz

2,3GHz, 2,5GHz, 3,3-3,8GHz Tốc độ tối đ

(Download/Upload)

300Mbps /100Mbps 70Mbps /70Mbps

300Mbps /100Mbps

2009-Thời thế đổi thay, nhận thấy lợi thế của LTE, một số nhà khai thác mạng đã cân nhắc lại vi c triển kh i WiM x v đã có nh kh i th c quyết định từ bỏ con đường WiM x để chuyển s ng LTE, đ ng kể trong số đó có h i t n tuổi lớn nhất tại

Mỹ là AT&T và Verizon Wireless Theo một khảo sát do RCR Wireless News và Yankee Group thực hi n g n đây, có đến 56% nh kh i th c di động chọn LTE, chỉ

có 30% đi theo 802.16e Khảo sát cho thấy c c nh kh i th c di động ở Bắc Mỹ và

Tây Âu nghiêng về LTE, trong khi c c nước mới phát triển đặc bi t là ở khu vực châu Á - Th i Bình Dương thì ủng hộ WiMax

Nhiều hãng sản xuất thiết bị đi nước đ i, một mặt tuyên bố vẫn ủng hộ WiMax, mặt khác lại dốc tiền đ u tư cho LTE Ng y như Intel, đ u tàu hậu thuẫn WiM x, cũng “đổi giọng” Cả Si v sh M Al mouti, gi m đốc kỹ thuật Wireless Mobile Group v Se n M loney, gi m đốc tiếp thị của Intel, trong các phát biểu g n đây đều cho rằng WiMax có thể “ho hợp” với LTE

Trong cuộc đu 4G, WiM x và LTE hi n là hai công ngh sáng giá nhất Li u hai công ngh này có thể cùng tồn tại độc lập hay sẽ sát nhập thành một chuẩn chung? Hi u năng củ WiM x v LTE tương đương nh u, do vậy vi c quyết định

hi n nay phụ thuộc vào yếu tố sẵn sàng và khả năng thâm nhập thị trường (1)

1.2.1.3 Những triển vọng cho công nghệ LTE

Nhận thấy tiềm năng to lớn của công ngh này, ngành công nghi p di động

đ ng đo n kết xung quanh h thống LTE với h u hết các công ty viễn thông hàng

đ u thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, France Telecom/Orange, Nokia, Nokia Siemens Networks, AT&T, T-Mobile, Vodafone, China Mobile, Huawei, LG Electronics, NTT DoCoMo, Samsung, Signalion, Telecom Italia, ZTE Kế hoạch thử nghi m và triển khai công ngh n y đ ng được các công ty trên cùng hợp tác thúc đẩy, dự kiến vào khoảng năm 2009 - 2010 sẽ được thương mại hó đến với người dùng

Mạng NTT DoCoMo của Nhật sẽ đi ti n phong khi đặt mục ti u kh i trương dịch vụ v o năm 2009

Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, và China Mobile tuyên bố hợp tác thử nghi m LTE vào 2008 - 2009 Vi c triển kh i cơ sở hạng t ng cho LTE sẽ bắt đ u vào nửa sau củ năm 2009 v kế hoạch cung cấp dịch vụ sẽ bắt đ u v o năm 2010 Với vi c d nh được số lượng giấy phép sử dụng băng t n 700 MHz thứ 2 sau Verizon, mạng AT&T cũng l n kế hoạch sử dụng băng t n này cho LTE Hãng này tuyên bố có đủ băng th ng 20 MHz d nh cho LTE để phủ sóng 82% dân số của 100 thành phố h ng đ u của Mỹ Như vậy 2 mạng chiếm thị ph n lớn nhất của Mỹ đều chọn LTE là giải pháp tiến lên 4G

Mạng Telstra của Úc g n đây cũng đã x c nhận phát triển theo hướng LTE Hãng TeliaSonera, nhà cung cấp lớn nhất cho thị trường Bắc Âu và vùng Baltic cũng c m kết sẽ sử dụng công ngh LTE cho các thị trường của mình

Vào ngày 19/12/2007, hãng Noki Siemens Networks đã c ng bố thử nghi m thành công công ngh LTE với tốc độ l n đến 173 Mbps trong m i trường đ thị với nhiều thu b o cùng lúc Tr n băng t n 2,6 GHz ở băng th ng 20MHz, tốc độ

n y đã vượt xa tốc độ yêu c u là 100 Mbps

Ngày 11/6/2008, theo Financial Times, cổ phiếu của Nortel, nhà sản xuất viễn thông nổi tiếng củ C n d , đã tăng 13% khi hãng tuy n bố tập trung các nỗ lực nghiên cứu không dây vào công ngh LTE thay vì công ngh WiMax

Gi m đốc kỹ thuật của hãng, ông Stephan Scholz phát biểu: “Khi thế giới tiến

g n đến con số 5 tỉ thu b o v o năm 2015, theo ti n đo n của chúng tôi, các nhà cung cấp dịch vụ di động sẽ phải sử dụng tất cả c c băng t n với một cấu trúc mạng đơn giản nhất và hi u quả chi phí cao nhất để phục vụ lưu lượng liên lạc c o hơn

100 l n Cuộc thử nghi m thực tế này là một chứng minh b n đ u quan trọng cho khái ni m về LTE”

Cuộc gọi thoại đ u tiên giữ 2 đi n thoại LTE đã được trình diễn vào Hội Nghị Thế Giới Di Động (Mobile World Congress) được tổ chức vào tháng 2/2008 tại Barcelona, Tây Ban Nha Vào tháng 3 vừa qua, mạng NTT DoCoMo đã thử nghi m LTE đạt đến tốc độ 250Mbps

Tại các triển lãm viễn thông quốc tế g n đây, c c nh sản xuất Huawei, Motorol , Ericsson… cũng đã biểu diễn LTE với các ứng dụng như xem tivi chất lượng c o HDTV, chơi g me online…

Các cuộc thử nghi m và trình diễn n y đã chứng tỏ khả năng tuy t vời của công ngh LTE và khả năng thương mại hó LTE đã đến rất g n

Trước đây, muốn truy cập dữ li u, bạn phải c n 1 đường dây cố định để kết nối Trong tương l i kh ng x 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 c o, đi n thoại thấy Hình, chơi g me trực tuyến, tải cơ sở dữ li u … với tốc độ “si u tốc”

Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hi u năng h thống s u R6 RAN để

có thể triển khai v o năm 2010 C c nghi n cứu của LTE nhằm giảm giá thành,

nâng cao hi u suất phổ t n, th ng lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm

độ phức tạp của h thống (nhất l đối với các giao di n) và quản lý tài nguyên vô tuyến hi u quả để dễ ràng triển khai và khai thác h thống

Hình 1.4 Hội thảo nghiên cứu LTE [2]

1.2.2 Các mục tiêu yêu cầu của LTE

Mục tiêu củ LTE l đạt được th ng lượng người sử dụng c o hơn tr n cả đường lên và xuống,hi u suất sử dụng phổ t n c o hơn v y u c u tương thích với các mạng đ ng tồn tại của 3GPP hay các mạng khác Các mục ti u LTE được thể

hi n dưới các khía cạnh sau

1.2.2.1 Các khả năn của LTE

Yêu c u được đặt ra là vi c đạt tốc độ dữ li u đỉnh cho đường xuống là 100 Mbps v đường lên là 50 Mbps, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 MHz Khi mà phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ li u đỉnh cũng sẽ tỉ l theo Do đó, điều ki n đặt

ra là có thể biểu diễn được 5 bit/s/Hz cho đường xuống v 2.5 bit/s/Hz cho đường

l n Như vậy, LTE hỗ trợ cả chế độ FDD v TDD R r ng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường l n v đường xuống, theo định nghĩ kh ng thể xuất hi n đồng thời Do đó m y u c u tốc độ dữ li u đỉnh cũng kh ng thể trùng nh u đồng thời Mặt kh c, đối với trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho phép quá trình phát

v thu đồng thời đạt được tốc độ dữ li u đỉnh theo ph n lý thuyết ở trên

Yêu c u về độ trễ được chia thành:

- Yêu c u độ trễ mặt phẳng điều khiển (The Control Plane Latency Requirements) x c định độ trễ của vi c chuyển từ các trạng thái thiết bị đ u

cuối di động có thể gửi và nhận dữ li u Có h i c ch x c định: c ch x c định thứ nhất được thể hi n qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (Camped State) chẳng hạn như trạng th i Rele se 6 Idle Mode, khi đó thì thủ tục chiếm 100 ms; c ch x c định thứ h i được thể hi n qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ chẳng hạn như trạng thái Release 6 Cell_PCH, khi đó thì thủ tục chiếm 50 ms Trong cả hai thủ tục n y, thì độ trễ chế độ ngủ và

vi c báo hi u Non-RAN đều được loại trừ (Chế độ Release 6 Idle là 1 trạng thái mà khi thiết bị đ u cuối kh ng được nhận biết đối với mạng truy nhập

vô tuyến, nghĩ l , mạng truy nhập vô tuyến không có bất cứ thuộc tính nào của thiết bị đ u cuối và thiết bị đ u cuối cũng kh ng được chỉ định một tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đ u cuối có thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe h thống mạng tại những khoảng thời gian cụ thể Trạng thái Release 6 Cell_PCH là trạng thái khi mà thiết bị đ u cuối kh ng được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết bị đ u cuối

đ ng ở trong tế b o n o nhưng thiết bị đ u cuối lại kh ng được cấp phát bất

cứ tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đ u cuối lúc này có thể đ ng trong chế

hi n trong tế bào

Xét về mặt yêu c u đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất

200 thiết bị đ u cuối di động ở trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng t n 5 MHz Trong mỗi phân bố rộng hơn 5 MHz, thì ít nhất có 400 thiết bị đ u cuối được

hỗ trợ Số lượng thiết bị đ u cuối không tích cực trong tế bào không nói rõ là bao

nhi u nhưng có thể l c o hơn một c ch đ ng kể (2)

1.2.2.2 Hiệ năn ệ thống

Các mục tiêu thiết kế c ng năng h thống LTe sẽ x c định lưu lượng người dung, hi u suất phổ, độ linh động, vùng phủ song, và MBMS nâng cao

Nhìn chung, các yêu c u tính LTE có li n qu n đến h thống chuẩn sử dụng HSPA Rele se 6 Đối với trạm gốc, giả định có một anten phát và hai anten thu Tuy nhiên, một điều quan trọng c n lưu ý l những đặc tính nâng c o như l một ph n của vi c cải tiến HSPA thì kh ng được bao gồm trong tham chiêu chuẩn Vì thế, mặc dù thiết bị đ u cuối trong h thống chuẩn được giả định là có hai anten thu thì một bộ thu RAKE đơn giản vẫn được áp dụng Tương tự, ghép k nh kh ng gi n cũng

kh ng được áp dụng trong h thống chuẩn

Yêu c u lưu lượng người dùng được định r theo h i điểm: tại sự phân bố người dùng trung bình v người dùng phân vị thứ 5 ( khi m 95% người dùng có được chất lượng tốt hơn) Mục tiêu hi u suất phổ cũng được chỉ rõ, và trong thuộc tính này thì hi u suất phổ được định nghĩ l lưu lượng của h thống theo tế bảo được tính theo bit/s/MHz/Cell Những mục tiêu thiết kế n y được tổng hợp trong Bảng 1.3

Bảng 1 3 : Các yêu c u về hi u suất phổ v lưu lượng người dùng

Yêu c u về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết

bị đ u cưới di động Tại tốc độ thấp, 0 – 15 km/h thì hi u suất đạt được là tối đ , v cho phép giảm đi một ít đối với tốc độ c o hơn Tại vận tốc l n đến 120 km/h, LTE vẫn cung cấp hi u suất c o v đối với vận tốc trên 120 km/h thì h thống phải duy

thống LTE có thể được thiết lập đến 350 km/h ( hoặc thậm chí l n đến 500 km/h tùy thuộc v o băng t n) Một yếu tố quan trọng đặc bi t là dịch vụ thoại được cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lượng mà WCDMA/HSPA hỗ trợ

Yêu c u về vùng phủ sóng yếu tập trung vào phạm vi tế bào ( bán kính), nghĩ l khoảng cách tối đ từ vùng tế b o (cell site) đến thiết bị đ u cuối di động trong Cell Đối với phạm vi tế b o l n đến 5km thì những yêu c u về lưu lượng người dùng, hi u suất phổ v độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không

bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những tế bào có phạm vi l n đến 30 km thì có một

sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng và hi u suất phổ thì lại giảm một

c ch đ ng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được Tuy nhiên, yêu c u về độ di động vẫn được đ p ứng Khi mà phạm vi tế b o l n đến 100 km thì không thấy có đặc tính kỹ thuật về yêu c u hi u suất n o được nói r trong trường hợp này (2)

1.2.2.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai

Các yêu c u li n qu n đến vi c triển khai bao gồm các kịch bản triển kh i, độ linh hoạt phổ, trải phổ, sự cùng tồn tại và làm vi c với nhau giữa LTE với các công ngh truy cập vô tuyến khác củ 3GPP như GSM v WCDMA/HSPA

Những yêu c u về kịch bản triển khai bao gồm: trường hợp mà h thống LTE được triển kh i như l một h thống độc lập v trường hợp m LTE được triển kh i đồng thời với WCDMA/HSPA hoặc GSM Do đó m y u c u này sẽ không làm giới hạn các tiêu chuẩn thiết kế Những yêu c u về độ linh hoạt phổ và triển khai sẽ được

phác thảo chi tiết hơn trong ph n “Độ linh hoạt phổ và vi c triển kh i” ở dưới

Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các h thống 3GPP khác

và những yêu c u tương ứng đã thiết lập ra những điều ki n về tính linh động giữa LTE và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đ u cuối di động hỗ trợ những công ngh này Bảng 1.4 li t kê những yêu c u về sự gi n đoạn, đó l , thời

gi n gi n đoạn dài nhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển giữa các công ngh truy cập vô tuyến khác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Có một điều đ ng chú ý l những yêu c u n y kh ng được chặt chẽ cho lắm đối với vấn đề gi n đoạn trong chuyển giao và hy vọng khi mà triển khai thực

tế thì sẽ đạt được những giá trị tốt hơn đ ng kể

Yêu c u về vi c cùng tồn tại và có thể làm vi c với nh u cũng x c định vi c chuyển đổi lưu lượng Multicast từ phương ph p Bro dc st trong LTE th nh phương pháp Unicast trong cả GSM hoặc WCDMA, mặc dù không có số lượng cho trước

Bảng 1.4 Yêu c u về thời gi n gi n đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA

1.2.2.4 Độ linh hoạt phổ và việc triển khai

Nền tảng cho những yêu c u về độ linh hoạt phổ là những điều ki n để LTE có thể được triển khai trên những băng t n IMT-2000 hi n h nh, nghĩ l khả năng cùng tồn tại với các h thống đã được triển khai trên những băng t n này, bao gồm WCDMA/HSPA và GSM Một ph n li n qu n đến những yêu c u LTE về mặt độ linh hoạt phổ là khả năng triển khai vi c truy nhập vô tuyến dựa trên LTE cho dù phân bố phổ là theo cặp h y đơn lẻ, như vậy LTE có thể hỗ trợ cả Song công phân chia theo t n số (FDD) và Song công phân chia theo thời gian (TDD)

Sơ đồ Song công hay vi c qui hoạch Song công là một thuộc tính của công ngh truy cập vô tuyến Tuy vậy, một phân bố phổ cho trước thì cũng được liên kết với một qui hoạch song công cụ thể H thống FDD được triển khai theo một cặp phân bố phổ, với một dải t n cho truyền dẫn đường xuống và một dải t n khác dành cho đường lên Còn h thống TDD thì được triển khai trong các phân bố phổ đơn lẻ Lấy một ví dụ là phổ của IMT-2000 tại t n số 2 GHz, gọi l băng t n lõi IMT-

2000 Như trình b y trong Hình 1.3, nó b o gồm cặp băng t n 1920-1980 MHz và 2110-2170 MHz dành cho truy cập vô tuyến dự tr n FDD, v h i băng t n là 1910-

1920 MHz và 2010-2025 MHz dành cho truy cập vô tuyến dựa trên TDD Chú ý là

có thể vì những qui định củ đị phương v vùng m vi c sử dụng phổ của

IMT-2000 có thể khác so với những gì được trình bày ở đây

Hình 1.5 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000

Cặp phân bố cho FDD trong Hình 1.3 là 2 x 60 MHz, nhưng phổ khả dụng cho một nhà khai thác mạng đơn lẻ có thể chỉ là 2 x 20 MHz hoặc thậm chí là 2 x 10 MHz Trong những băng t n khác phổ khả dụng có thể còn ít hơn nữa Ngoài ra, sự dịch chuyển của phổ đ ng được sử dụng cho những công ngh truy cập vô tuyến khác c n phải diễn ra một cách từ từ để chắc chắn rằng lượng phổ còn lại phải đủ để

hỗ trợ cho những người dùng hi n tại Vì vậy, lượng phổ b n đ u được dịch chuyển tới LTE có thể tương đối nhỏ, nhưng s u đó có thể tăng l n từ từ, được thể hi n trong Hình 1.4 Sự khác nhau của những diễn tiến phổ có thể xảy ra sẽ dẫn đến một yêu c u về độ linh hoạt phổ cho LTE dưới dạng băng th ng truyền dẫn được hỗ trợ Yêu c u về độ linh hoạt phổ đòi hỏi LTE phải có khả năng mở rộng trong miền t n số và có thể hoạt động trong nhiều băng t n khác nhau Yêu c u về độ linh hoạt trong tài li u tham khảo được li t kê thành danh sách các phân bố phổ của LTE (1.25, 1.6, 2.5, 5, 10, 15 và 20 MHz) Ngoài ra, LTE còn có khả năng hoạt động theo cặp phổ cũng như l đơn lẻ LTE cũng có thể triển khai trong nhiều băng t n khác nhau Những băng t n được hỗ trợ được chỉ rõ dự v o “độc lập phiên bản” (“Rele se Independence”), nghĩ l phi n bản đ u tiên của LTE không phải hỗ trợ tất cả c c băng t n ngay từ đ u

Hơn nữa, tài li u tham khảo cũng x c định về vấn đề cùng tồn tại và lắp đặt chung với GSM và WCDMA trên những t n số lân cận, cũng như l sự cùng tồn tại giữa những nhà khai thác và h thống mạng lân cận trên những quốc gia khác nhau nhưng sử dụng phổ chồng nhau (Overlapping Spectrum) Ở đây cũng có một điều

ki n là không có h thống n o kh c được yêu c u hợp l khi một thiết bị đ u cuối

truy cập v o LTE, nghĩ l LTE c n phải có tất cả tín hi u điều khiều c n thiết được yêu c u cho vi c kích hoạt truy nhập (2)

Hình 1.6 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của

một hệ thống GSM đã được triển khai

1.2.2.5 Kiến trúc và sự dịch chuyển

Một vài nguyên tắc chỉ đạo cho vi c thiết kế kiến trúc LTE RAN được đưa ra bởi 3GPP được li t kê trong [86]:

- Một kiến trúc đơn LTE RAN được chấp nhận

- Kiến trúc LTE RAN phải dự tr n gói (P cket), tuy nhi n, lưu lượng lớp thoại và thời gian thực vẫn được hỗ trợ

- Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hi n di n củ “Những hư hỏng cục bộ” (“Single Points Of F ilure”) m kh ng c n tăng chi phí cho đường truyền (Backhaul)

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

- Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS End-To-End TNL có thể cung cấp QoS thích hợp khi được yêu c u bởi RNL

- Các cơ cấu QoS có thể tính to n đến các dạng lưu lượng đ ng tồn tại khác

nh u để mang lại hi u suất sử dụng băng th ng c o: lưu lượng mặt phẳng điều khiển (Control Pl ne), lưu lượng mặt phẳng người dùng (User Plane), lưu lượng O&M, v.v…

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

V ri tion Jitter) đối với lưu lượng c n độ Jitter thấp, ví dụ TCP/IP

1.2.2.6 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu c u về quản lý tài nguyên vô tuyến được chi r như s u: hỗ trợ nâng cao cho QoS End To End, hỗ trợ hi u quả cho truyền dẫn ở lớp c o hơn, v hỗ trợ cho vi c chia sẻ tải cũng như l quản lý chính sách thông qua các công ngh truy cập vô tuyến khác nhau

Vi c hỗ trợ nâng cao cho QoS End To End yêu c u cải thi n sự thích ứng giữa dịch vụ, ứng dụng v c c điều ki n về giao thức (bao gồm báo hi u lớp c o hơn) với

t i nguy n RAN v c c đặc tính vô tuyến

Vi c hỗ trợ hi u quả cho truyền dẫn ở lớp c o hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hi u suất cao và hoạt động của các giao thức ở lớp c o hơn qu gi o tiếp vô tuyến, chẳng hạn như qu trình nén ti u đề

IP (IP Header)

Vi c hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách thông qua các công ngh truy cập

vô tuyến kh c nh u đòi hỏi phải xem xét đến vi c lựa chọn lại c c cơ cấu để định hướng các thiết bị đ u cuối di động theo các dạng công ngh truy cập vô tuyến thích hợp đã được nói r cũng như l hỗ trợ QoS End To End trong quá trình chuyển giao giữa các công ngh truy cập vô tuyến

1.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE

1.3.1 Giới thiệu

Tương tự với WCDMA/HSPA cũng như l h u hết những h thống truyền thông hi n đại khác, quy trình kỹ thuật d nh cho LTE được cấu trúc thành nhiều lớp vật lý khác nhau Mặc dù có một số lớp trong những lớp n y thì tương tự với những lớp được sử dụng cho WCDMA/HSPA nhưng vẫn có một số khác bi t, chẳng hạn

như sự khác nhau về kiến trúc tổng thể giữ WCDMA/HSPA v LTE Chương n y

sẽ đi sâu m tả các lớp giao thức bên trên lớp vật lý, sự tương t c giữa chúng, và sự giao tiếp với lớp vật lý

Tổng quan về kiến trúc gi o di n LTE cho đường xuống được minh họa trong Hình 1.5 Có một vấn đề sẽ trở n n r r ng hơn trong ph n thảo luận tiếp theo đó l không phải tất cả những ph n tử được minh họa trong Hình 1.5 đều được áp dụng trong mọi trường hợp Ví dụ như trong trường hợp Broadcast thông tin h thống thì MAC Scheduling v Hybrid ARQ đều kh ng được sử dụng Hơn nữa, kiến trúc gi o

di n LTE li n qu n đến đường l n thì tương tự với kiến trúc đường xuống trong Hình 1.5, mặc dù cũng có một số sự khác bi t về sự lựa chọn định dạng truyền tải (Transport Format Selection) và truyền dẫn đ nten (Multi-Antenna Transmission)

và vấn đề n y cũng sẽ được thảo luận

Dữ li u được truyền tr n đường xuống dưới dạng các gói IP trên một trong những tải tin SAE (SAE Bearers) Trước khi truyền đi qu gi o di n vô tuyến, những gói IP đến (Incoming IP Packets) sẽ đi qu nhiều ph n tử, được tổng kết dưới đây v được mô tả chi tiết hơn trong những ph n sau:

- Giao thức hội tụ dữ li u gói (Packet Data Convergence Protocol -PDCP): thực hi n vi c nén ti u đề IP (IP He der) để làm giảm số lượng bit c n thiết cho vi c truyền dẫn thông qua giao di n vô tuyến Cơ chế nén ti u đề dựa trên ROHC, một thuật to n nén ti u đề tiêu chuẩn được sử dụng trong WCDMA cũng như l trong c c ti u chuẩn th ng tin di động khác PDCP cũng đảm nhi m vi c mã hóa và bảo v tính toàn vẹn của dữ li u được truyền đi Tại phía thu, giao thức PDCP sẽ thực hi n công vi c giải nén và giải mã thông tin Chỉ có một ph n tử PDCP trên một tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đ u cuối di động

- Điều khiển liên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC): đảm nhi m vi c phân đoạn/ghép nối, điều khiển vi c truyền lại, và phân phát lên các lớp cao hơn theo thứ tự Không giống như WCDMA, gi o thức RLC được định vị trong eNodeB vì chỉ có một loại node đơn trong kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE (LTE Radio Access Network Architecture) RLC cung cấp các

dịch vụ cho PDCP dưới dạng các tải tin vô tuyến Chỉ có một ph n tử RLC trên một tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đ u cuối di động

Hình 1.7 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống)

- Điều khiển truy cập m i trường (Medium Access Control - MAC): điều

khiển vi c truyền lại Hybrid ARQ và hoạch định đường l n, đường xuống Chức năng hoạch định được định vị trong eNodeB, và nó chỉ có một ph n tử MAC cho một tế bào, cho cả đường l n v đường xuống Ph n giao thức Hybrid ARQ có mặt trong cả đ u cuối phát và thu của giao thức MAC Khối MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic

- Lớp vật lý (Physical Layer – PHY): điều khiển vi c mã hóa/giải mã, điều

chế/ giải điều chế, ánh xạ đ nten (Multi Antenn M pping), v c c chức

năng lớp vật lý tiêu biểu khác Lớp vật lý cung cấp dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh chuyển tải (Transport Channels)

Những ph n sau sẽ cung cấp những mô tả chi tiết hơn về các giao thức RLC

và MAC củ LTE cũng như l tổng quan về lớp vật lý khi được nhìn từ lớp MAC, trong khi những chi tiết đ y đủ của lớp vật lý LTE sẽ được đề cập đến trong Chương 4 Những thông tin khác có thể được tìm thấy trong đặc tính kỹ thuật của LTE và những tham khảo trong đó (2)

1.3.2 Đ ều khiển liên kết vô tuyến (RLC - Radio Link Control)

RLC LTE, tương tự như WCDMA/HSPA, đảm nhi m vi c phân đoạn (nén

ti u đề) c c gói IP, còn được xem như l RLC SDUs, từ PDCP thành những đơn vị nhỏ hơn, RLC PDUs (Nhìn chung, c c ph n tử dữ li u đến/từ một lớp giao thức cao hơn thì được xem như l một Đơn vị dữ li u dịch vụ SDU (Service Data Unit) và

ph n tử tương ứng đến/từ một lớp giao thức thấp hơn được biểu thị như Đơn vị dữ

li u giao thức PDU (Protocol D t Unit)) Nó cũng điều khiển vi c truyền lại các PDUs bị nhận nh m, cũng như l xó bỏ những PDUs bị nhân đ i (Duplic te Removal) và ghép nối các PDUs nhận được Cuối cùng, RLC sẽ đảm bảo vi c phân phát theo trình tự các RLC SDUs lên các lớp bên trên

Cơ chế truyền lại RLC có trách nhi m cung cấp dữ li u phân phát không bị lỗi cho các lớp c o hơn Để l m được điều này, sẽ có một giao thức truyền lại hoạt động giữa các ph n tử RLC tại đ u thu v đ u phát Bằng vi c giám sát các số thứ

tự đi đến (Incoming Sequence Numbers), RLC thu có thể phát hi n ra những PDUs

bị thiếu Các báo cáo trạng thái sẽ được phản hồi trở về RLC phát, yêu c u truyền lại các PDUs bị thiếu Khi phản hồi một trạng th i b o c o được cấu hình, một báo

c o đặc trưng chỉ chứa thông tin về nhiều PDUs v ít khi được truyền đi Dựa trên báo cáo trạng th i thu được, ph n tử RLC tại đ u phát có thể đư r những hành động thích hợp và truyền lại những PDUs bị thiếu nếu được yêu c u

Khi RLC được cấu hình để yêu c u truyền lại các PDUs bị thiếu như được mô

tả ở tr n, nó được gọi l đ ng hoạt động trong chế độ báo nhận (Acknowledged Mode - AM) Điều n y cũng giống như cơ chế tương ứng được dùng trong WCDMA/HSPA Th ng thường AM được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên TCP

như khi truyền tập tin mà yếu tố phân phát dữ li u không bị lỗi được đặt lên hàng

đ u

Hình 1.8 Phân đoạn và hợp đoạn RLC

Tương tự như WCDMA/HSPA, RLC cũng có thể được cấu hình theo chế độ không báo nhận (Unacknowledged Mode - UM) và chế độ trong suốt (Transparent Mode - TM) Trong chế độ UM, sẽ cung cấp vi c phân ph t đúng thứ tự lên các lớp

c o hơn, nhưng sẽ không truyền lại các PDUs bị thiếu Th ng thường UM được sử dụng cho những dịch vụ như VoIP khi m vi c phân phát không lỗi không quan trọng bằng thời gian phân phát ngắn TM, mặc dù được hỗ trợ, nhưng chỉ được sử dụng cho những mục đích ri ng bi t như truy cập ngẫu nhiên

Mặc dù RLC có khả năng kiểm soát lỗi truyền dẫn do nhiễu, sự biến đổi kênh truyền không thể dự đo n (Unpredict ble Ch nnel V ri tions), v.v…, nhưng trong

h u hết trường hợp những lỗi n y được kiểm soát bởi giao thức Hybrid ARQ dựa trên MAC Vi c sử dụng cơ chế truyền lại trong RLC có thể vì vậy mà trở nên không c n thiết Tuy nhi n, như sẽ được thảo luận trong ph n 3.3.4 dưới đây, kh ng phải trường hợp n o cũng vậy và vi c sử dụng cả h i cơ chế truyền lại dựa trên MAC và RLC trên thực tế cũng có mặt tích cực khi mà có sự khác nhau trong vi c truyền tín hi u phản hồi

Ngoài vi c điều khiển vi c truyền lại và phân phát theo trình tự, RLC cũng chịu trách nhi m vi c phân đoạn và ghép nối theo như minh họa trong Hình 1.6 Dựa trên quyết định của Scheduler (Scheduler Decision), một lượng dữ li u n o đó được lựa chọn để truyền đi từ bộ đ m RLC SDU và các SDUs sẽ được phân đoạn/ghép nối để tạo th nh RLC PDU Do đó, đối với LTE thì kích thước RLC PDU th y đổi một c ch động (Varies Dynamically), trong khi WCDMA/HSPA trước phiên bản 7 lại sử dụng kích thước PDU b n tĩnh (Semi-Static PDU Size) Khi

mà tốc độ dữ li u c o, kích thước PDU lớn dẫn đến ph n m o đ u nhỏ hơn tương

ứng, còn khi mà tốc độ dữ li u thấp, đòi hỏi kích thước PDU phải nhỏ nếu không thì tải trọng sẽ trở nên quá lớn Vì vậy, khi tốc độ dữ li u nằm trong khoảng từ một vài kbps tới tr n 100 Mbps, kích thước PDU động (Dynamic PDU Sizes) sẽ được điều chỉnh bởi LTE Từ RLC, Scheduler v cơ chế thích ứng tốc độ đều được định vị tại eNodeB, v kích thước PDU động sẽ dễ d ng được hỗ trợ cho LTE (2)

1.3.3 Đ ều khiển truy nhập m trường (MAC - Medium Access Control)

Lớp điều khiển truy nhập m i trường MAC quản lý vi c ghép kênh luận lý (Logical Channel Multiplexing), vi c truyền lại Hybrid ARQ, và hoạch định đường

l n, đường xuống Trong khi công ngh HSPA sử dụng phân tập vĩ m đường lên (Uplink Macro Diversity) và vì thế nó x c định cả những tế bào phục vụ và không phục vụ (Serving And Non-Serving Cells), thì LTE chỉ x c định một tế bào phục vụ

vì không có phân tập vĩ m đường lên Tế bào phục vụ (Serving Cell) là tế bào mà thiết bị đ u cuối di động được kết nối tới và tế bào mà chịu trách nhi m cho vi c hoạch định v điều khiển Hybrid ARQ (2)

1.3.3.1 Kênh logic và kênh truyền tải (Logical Channels And Transport

Channels)

MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic Một kênh logic được định nghĩ bởi dạng th ng tin m nó m ng theo v thường được phân loại th nh c c k nh điều khiển, được dùng cho vi c truyền dẫn các thông tin về cấu hình v điều khiển c n thiết cho hoạt động của h thống LTE, v c c k nh lưu lượng (Tr ffic Ch nnels), được sử dụng cho dữ li u người dùng Tập hợp các loại

k nh logic được chỉ định cho LTE bao gồm:

- K nh điều khiển quảng bá (Broadcast Control Channel - BCCH): được sử dụng cho vi c truyền dẫn th ng tin điều khiển h thống từ mạng tới tất cả các thiết bị đ u cuối di động trong một tế b o Trước khi truy nhập vào h thống, một thiết bị đ u cuối di động c n phải đọc những th ng tin được truyền trên

k nh BCCH để tìm ra cách thức h thống được cấu hình, ví dụ như băng thông của h thống

- K nh điều khiển tìm gọi (Paging Control Channel – PCCH): được sử dụng cho vi c tìm gọi của các thiết bị đ u cuối di động mà mạng không biết được

vị trí của nó về mức tế bào (Cell Level) và vì vậy tin nhắn tìm gọi c n được truyền trong nhiều tế bào

- K nh điều khiển dành riêng (Dedicated Control Channel – DCCH): được

dùng cho vi c truyền dẫn th ng tin điều khiển tới hoặc từ thiết bị đ u cuối di động K nh n y được sử dụng cho vi c cấu hình riêng lẻ từng thiết bị đ u cuối di động ví dụ như những tin nhắn chuyển giao khác nhau

- K nh điều khiển Multicast (Multicast Control Channel - MCCH): được dùng

cho vi c truyền dẫn th ng tin điều khiển được yêu c u cho vi c tiếp nhận của MTCH, xem ph n dưới đây

- K nh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel - DTCH): được dùng

cho vi c truyền dữ li u người dùng đến hoặc từ một thiết bị đ u cuối di động Đây l 1 loại k nh logic được dùng để truyền dữ li u người dùng đường lên

v đường xuống phi-MBMS (Non-MBMS)

- K nh lưu lượng Multicast (Multicast Traffic Channel – MTCH): được dùng

cho truyền dẫn đường xuống những dịch vụ MBMS

Tương tự với kiến trúc k nh logic được dùng cho WCDMA/HSPA Tuy nhiên, khi so sánh với WCDMA/HSPA, thì kiến trúc kênh logic LTE có ph n đơn giản hơn, với vi c giảm bớt số lượng các loại kênh logic

Từ lớp vật lý, lớp MAC sử dụng các dịch vụ dưới dạng các kênh truyền tải (Transport Channels) Một kênh truyền tải được định nghĩ bởi những đặc tính mà thông tin được truyền đi qu gi o di n vô tuyến Theo những ghi chú từ HSPA, những ph n được kế thừa cho LTE, dữ li u trên 1 kênh truyền tải được tổ chức thành các khối truyền tải Trong mỗi khoảng thời gian truyền tải (Transmission Time Interval – TTI), một khối truyền tải với kích thước n o đó được truyền đi qu giao di n vô tuyến khi không có sự hi n di n của ghép kênh không gian Trong trường hợp ghép kênh không gian (MIMO), có thể lên tới 2 khối truyền tải trên mỗi TTI

Liên kết với mỗi khối truyền tải là một định dạng truyền tải (Transport Format

- TF), x c định cách thức mà khối truyền tải được truyền đi th ng qu gi o di n vô tuyến Định dạng truyền tải bao gồm thông tin về kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều chế (The Modulation Scheme), ánh xạ anten (The Antenna Mapping) Cùng

với vi c phân bố t i nguy n, lưu lượng mã cuối cùng có thể nhận được từ định dạng truyền tải Bằng vi c th y đổi c c định dạng truyền tải, lớp MAC có thể vì vậy mà nhận r được các tốc độ dữ li u khác nhau Vi c điều khiển tốc độ vì vậy mà còn được xem như vi c lựa chọn định dạng truyền tải

Tập hợp các loại kênh truyền tải được chỉ định cho LTE bao gồm:

- Kênh quảng bá (Broadcast Channel - BCH): có một định dạng truyền tải cố định, được cung cấp bởi c c đặc tính kỹ thuật Nó được dùng cho vi c truyền dẫn những thông tin trên kênh logic BCCH

- Kênh Paging (Paging channel - PCH): được dùng cho vi c Paging thông tin trên kênh logic PCCH Kênh PCH hỗ trợ vi c thu nhận không liên tục (Discontinous Reception - DRX) nhằm cho phép thiết bị đ u cuối di động tiết ki m năng lượng pin bằng cách ngủ (Sleeping) và chỉ thức (Wake Up) khi nhận PCH tại những thời điểm x c định trước Cơ chế P ging được mô tả

có ph n chi tiết hơn trong Chương 5

- Kênh chia sẻ đường xuống (Downlink Shared Channel - DL-SCH): là kênh truyền tải được dùng cho truyền dẫn dữ li u đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ những đặc tính củ LTE như cơ chế thích ứng tốc độ động (Dynamic Rate Adaption) và hoạch định phụ thuộc kênh truyền (Channel Dependent Scheduling) trong miền thời gian và t n số, Hybrid ARQ, và ghép kênh

kh ng gi n (Sp ti l Multiplexing) Nó cũng hỗ trợ DRX nhằm làm giảm năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đ u cuối di động trong khi vẫn cung cấp trải nghi m luôn mở (Always-On Experience), tương tự như cơ chế CPC trong HSPA DL-SCH TTI là 1 ms

- Kênh Multicast (Multicast Channel - MCH): được dùng để hỗ trợ MBMS và

được đặc trưng bởi định dạng truyền tải b n tĩnh v hoạch định b n tĩnh (Semi-Static Transport Format And Semi-St tic Scheduling) Trong trường hợp truyền dẫn nhiều tế bào (Multi-Cell Transmission) sử dụng MBSFN, cấu hình định dạng truyền tải và hoạch định được điều phối giữa những tế bào liên quan trong truyền dẫn MBSFN

- Kênh chia sẻ đường lên (Uplink Shared Channel - UL-SCH): l đường lên

Hình 1.9 Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền dẫn

Một trong những chức năng của MAC là vi c ghép các kênh logic khác nhau

và ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền tải tương ứng Không giống với MAC-HS trong HSDPA, MAC trong LTE hỗ trợ ghép kênh các RLC PDUs từ nhiều truyền tải vô tuyến khác nhau (Radio Bearers) vào cùng khối truyền tải Vì có một vài mối quan h giữa loại thông tin và cách thức m nó được truyền đi cho n n vẫn tồn tại những giới hạn n o đó trong vi c ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền tải Một ví dụ về ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền tải được đư r trong Hình 1.7 Những ánh xạ kh c cũng được hình dung (2)

n o được phép thu truyền dẫn DL-SCH và trên những tài nguyên gì Nhiều thiết bị

đ u cuối có thể được hoạch định song song, trong mỗi trường hợp chỉ có 1 DL-SCH trên mỗi thiết bị đ u cuối được hoạch định, và nó sẽ được ánh xạ động

(Dynamically Mapped) tới một tập hợp tài nguyên t n số duy nhất Đơn vị thời gian-t n số cơ bản trong Scheduler còn được gọi là khối tài nguyên (Resource Block) Các khối t i nguy n được mô tả chi tiết hơn trong Chương 4 cùng với vi c ánh xạ dữ li u tới tài nguyên vật lý, nhưng về nguyên tắc cơ bản thì một khối tài nguy n l 1 đơn vị rộng 180 kHz trong miền t n số Trong mỗi khoảng thời gian hoạch định 1ms, Scheduler sẽ phân bổ các khối tài nguyên cho một thiết bị đ u cuối

để tiếp nhận vi c truyền dẫn DL-SCH, một sự phân bổ được sử dụng bởi tiến trình lớp vật lý sẽ được mô tả trong chương 4 Scheduler cũng đảm trách vi c lựa chọn kích thước khối truyền tải (Tr nsport Block) Như l một h quả của vi c Scheduler điều khiển tốc độ dữ li u, mà sự phân đoạn RLC v ghép k nh MAC cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi quyết định phân bố (Scheduling Decision) Đ u ra từ Scheduler đường xuống có thể được nhìn thấy trong Hình 1.5

Mặc dù chiến lược hoạch định (Scheduling Strategy) là một đặc trưng bổ sung

v kh ng được chỉ định bởi 3GPP, mục tiêu chung của h u hết những Scheduler là lợi dụng sự th y đổi kênh truyền giữa những thiết bị đ u cuối di động v ưu ti n hoạch định truyền dẫn cho thiết bị đ u cuối di động trên những tài nguy n có điều

ki n kênh truyền thuận lợi Về mặt này, hoạt động của Scheduler LTE về cơ bản thì tương tự với hoạch định đường xuống trong HSDPA Tuy nhiên, vì sử dụng sơ đồ truyền dẫn đường xuống OFDM, LTE có thể khai thác sự biến đổi kênh truyền trong cả miền thời gian và t n số, trong khi HSDPA chỉ có thể khai thác sự biến đổi trong miền thời gi n Đối với những băng th ng lớn hơn được hỗ trợ bởi LTE, khi

m lượng fading lựa chọn t n số (Frequency Selective Fading) sẽ thường xuyên xảy

ra, khả năng kh i thác sự biến đổi kênh của miền t n số của Scheduler sẽ trở nên càng quan trọng khi so với vi c chỉ khai thác sự biến đổi trên miền thời gi n Đặc

bi t tại những tốc độ thấp, khi mà sự biến đổi trong miền thời gi n l tương đối chậm so với yêu c u về độ trễ được đặt ra bởi nhiều dịch vụ, lúc này khả năng kh i thác cả sự biến đổi miền t n số sẽ trở nên có lợi

Thông tin về trạng thái kênh truyền đường xuống, c n thiết cho vi c hoạch định phụ thuộc kênh truyền, được phản hồi từ thiết bị đ u cuối di động tới eNodeB thông qua những báo cáo chất lượng kênh truyền (Channel Quality Reports) Báo

(Channel Quality Indicator), bao gồm những thông tin không chỉ về chất lượng kênh truyền hi n thời trong miền t n số, mà còn những thông tin c n thiết cho vi c

đư r những quyết định xử lý anten thích hợp trong trường hợp phân kênh không

gi n Cơ sở cho những báo cáo CQI là vi c đo lường những tín hi u tham chiếu đường xuống (The Downlink Reference Signals) Tuy nhiên, những nguồn phụ về

hi n trạng kênh truyền, ví dụ như sự tr o đổi kênh truyền trong hoạt động TDD, cũng được khai thác bằng c ch c i đặt một Scheduler riêng bi t như một sự bổ sung cho những báo cáo CQI

Ngoài chất lượng kênh truyền, một Scheduler hi u năng c o cũng phải cân nhắc đến tình trạng bộ đ m (Buffer Status) và mức độ ưu ti n trong quyết định phân

bố (Decision Scheduling) Cả những khác nhau về loại dịch vụ cũng như l loại thuê bao (Subscription Type) có thể gây ảnh hưởng đến độ ưu ti n khi hoạch định Ví dụ, một người dùng Voice Over IP với một đăng ký thu b o đắt tiền phải lu n được duy trì chất lượng dịch vụ cho dù tải trọng h thống đ ng ở mức cao, trong khi một người dùng đăng ký thu b o chi phí thấp (A Low-Cost Subscription) đ ng tải về một file có thể phải được thỏa mãn với những t i nguy n m kh ng được yêu c u để

hỗ trợ cho những người dùng khác

Sự điều phối nhiễu, sẽ thực hi n vi c điều khiển nhiễu liên tế b o tr n cơ sở chậm (Slow B sis), cũng l một ph n của Scheduler Khi chiến lược hoạch định

kh ng được ủy nhi m bởi những đặc tính kỹ thuật, sơ đồ điều phối nhiễu (nếu được

sử dụng) l đặc thù của nhà khai thác và có thể nằm trong phạm vi từ những triển khai tái sử dụng bậc c o đơn giản (Simple Higher Order Reuse Deployments) tới những sơ đồ tiên tiến hơn (2)

và LTE có một vài sự khác bi t đ ng kể