Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)Nghiên cứu về công nghệ 4g và đề xuất ứng dụng 4g tại VNPT (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN THỊ THANH HÒA

NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ 4G

VÀ ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG 4G TẠI VNPT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng )

HÀ NỘI - 2017

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN THỊ THANH HÒA

NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ 4G

VÀ ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG 4G TẠI VNPT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo đinh hướng nghiên cứu/ứng du ̣ng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN VIỆT HƯNG

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

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

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

Hà Nội, ngày 30 tháng 5 năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Hòa

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận này, em xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, những người đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở trường Học viên Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Việt Hưng đã

tận tình, chu đáo hướng dẫn em thực hiện luận văn này

Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề tài này một cách hoàn chỉnh nhất, song

do quá trình thực hiện luận văn còn tồn tại những khó khăn nhất định nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự góp ý của quý Thầy, Cô giáo và các bạn để bài luận văn được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 5 năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Hòa

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MẠNG 4G LTE 3

1.1 Lịch sử các thế hệ mạng di động, xu hướng phát triển lên 4G 3

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G 3

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 2G 3

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G 4

1.2 Tổng quan về 4G 5

1.3 Chuẩn wimax và LTE 9

1.4 Tình hình triển khai thử nghiệm 12

1.4.1 Trên thế giới: 12

1.4.2 Tại Việt Nam……….……… 14

1.5 Kết luận chương 15

Chương 2: CÔNG NGHỆ 4G LTE 16

2.1 Mô hình Kiến trúc mạng 4G LTE 16

2.1.1 EPC 18

2.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến LTE: e-UTRAN 19

2.1.3 Thiết bị đầu cuối di động 20

2.2 Quản lý di động trong 4G LTE 20

2.3 Truy nhập vô tuyến trong LTE: băng tần truyền dẫn, quy hoạch tần số 21

2.4 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA, kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA 22

2.4.1 Kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 22

2.4.2 Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA 27

2.5 Kỹ thuật đa ăng ten MIMO 28

2.5.1 SU-MIMO đường xuống trong LTE 29

2.5.2 MIMO đa người dùng MU-MIMO……… 32

2.6 Các thủ tục truy nhập 33

2.6.1 Tìm ô 33

2.6.2 Truy nhập ngẫu nhiên……… …….…35

2.6.3 Tìm gọi 37

2.7 Kết luận chương 38

Chương 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE CHO VNPT 39

3.1 Đặc điểm mạng thông tin di động tỉnh Lạng Sơn 39

3.1.1 Đặc điểm tỉnh Lạng Sơn 39

3.1.2 Hiện trạng mạng thông tin di động Lạng Sơn 40

3.1.3 Nhu cầu phát triển lên 4G của tỉnh Lạng Sơn 41

3.2 Các chỉ tiêu thiết kế 41

3.2.1 Dự báo lưu lượng 43

3.2.2 Phân tích vùng phủ 43

3.3 Quy hoạch chi tiết 44

3.3.1 Quy hoạch vùng phủ 44

3.3.2 Các mô hình truyền sóng 48

3.3.3 Tính bán kính ô phủ……… ……… ………52

3.3.4 Quy hoạch dung lượng 52

3.3.5 Tối ưu mạng……….56

3.4 Áp dụng quy hoạch cho VNPT Lạng Sơn 56

3.4.1 Quy hoạch vùng phủ 58

3.4.2 Quy hoạch theo dung lượng 63

3.4.3 Kết quả khảo sát tại một số địa điểm của tỉnh Lạng Sơn 64

3.5 Kết luận chương 68

KẾT LUẬN 68

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO………… ……… 70

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

1G One Generation Cellular Hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ

nhất

Cellular

Hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ hai

3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ ba 4G Four Generation Cellular Hệ thống thông tin di độngthế hệ thứ tư

Patnership Project

Dự án hợp tác thế hệ 3

CDMA Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã

DL-SCH Downlink Share Channel Kênh chia sẻ đường xuống

EDGE Enhance Data rates for

GSM Evolution

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho mạng GSM cải tiến

Terrestrial Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

Multiple

Đa truy cập phân chia theo tần số

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

FDD FrequencyDivision Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hồi tiếp

GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

Access

Mạng truy nhập vô tuyến GSM/EDGE

Service

Dịch vụ gói vô tuyến thông dụng

Packet

Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

Access

Truy nhập gói tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Quản lý thuê bao

Telecommunication Union

Đơn vị viễn thông quốc tế

Sub-system

Hệ thống đa phương tiện sử dụng IP

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

IFFT Inverse Fast Fourier

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

MIMO Multi Input Multi Output Đa ngõ vào đa ngõ ra

Entity

Quản lý tính di động

MU_MIMO Multi User - MIMO Đa người dung - Đa ngõ vào đa ngõ ra

Division Multiple

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

Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

SDR Software - Defined Radio Phần mềm nhận dạng vô tuyến

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SC- FDMA Single Carrier Frequency

Division multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao đơn sóng mang

Enhance

Cấu trúc hệ thống tăng cường

SU_MIMO Single User Multi Input

Multi output

MIMO đa người dùng

TDMA Time Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

TDD Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Telecommunication Mobile

Hệ thống thông tin di động

UTRAN UTMS Terrestrial Radio

Access Networks

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

UE System User Equipment Thiết bị người dùng (Di động)

WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: Các phiên bản….……….……… 8

Bảng 1.2:So sánh LTE và WIMAX….……….………13

Bảng 2.1: Băng tần LTE… ………26

Bảng 3.1: Hiện trạng thông tin di động trên địa bàn tỉnh …….………50

Bảng 3.2: Quá trình quy hoạch và triển khai mạng……… 44

Bảng 3.3:Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông …….61

Bảng 3.4: Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền 62 Bảng 3.5: Diện tích, dân số tỉnh Lạng Sơn 2016……… 65

Bảng 3.6: Quỹ đường truyền đường lên cho LTE ………60

Bảng 3.7: Quỹ đường truyền đường xuống cho LTE……… 61

Bảng 3.8: Các giá trị để tính toán diện tích ô ……… 62

Bảng 3.9: Tính toán cự ly và diện tích phủ sóng của một ô gồm ba đoạn ô……… 63

Bảng 3.10: Số site quy hoạch theo vùng phủ……… 64

Bảng 3.11: Dự đoán đầu ra lưu lượng qua các năm TP Lạng Sơn………65

Bảng 3.12: Dự đoán đầu ra lưu lượng qua các năm các huyện ngoại ô tỉnh Lạng Sơn ……… 65

Bảng 3.13: Quy hoạch TP Lạng Sơn theo dung lượng đến năm 2020 ……….65

Bảng 3.14: Quy hoạch vùng ngoại ô Lạng Sơn theo dung lượng đến 2020 ………65

Bảng 3.15: Vị trí các eNode B được thiết kế tại thành phố Lạng Sơn ………… 66

Bảng 3.16: Địa điểm thiết kế các eNodeB cho khu vực huyện Cao Lộc………….67

Bảng 3.17: Địa điểm thiết kế các eNodeB cho khu vực huyện Văn Lãng…………68

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Lộ trình phát triển lên 4G……… 8

Hình 1.2: Tỷ lệ kết nối LTE ở các châu lục……… ………… 14

Hình 2.1: Kiến trúc LTE… ……….17

Hình 2.2: UTRAN và e-UTRAN ……….18

Hình 2.3: Kiến trúc chung của LTE ……….19

Hình 2.4 Truyền đơn sóng mang ……….……….24

Hình 2.5: Nguyên lý của FDMA……….……… 24

Hình 2.6: Biến đổi FFT……….………25

Hình 2.7: Thu và phát OFDMA………25

Hình 2.8: Phân phối tài nguyên của OFDMA trong LTE……….25

Hình 2.9: Đặc tính đường bao của OFDMA……….26

Hình 2.10: PAPR cho các tín hiệu khác nhau ……… 26

Hình 2.11: Thu phát FC-FDMA trong miền tần số……….… 28

Hình 2.12: Mô hình truyền dẫn SU-MIMO……….… 31

Hình 2.13: Xử lý tín hiệu SU-MIMO vòng kín phía phát…….……… 31

Hình 2.14: Máy thu MMSE-SIC ……… 32

Hình 2.15: MU-MIMO với tạo búp dựa trên bảng mã cho nhiều UE sử dụng tài nguyên thời gian tần số……… 33

Hình 2.16: MU-MIMO đường kên ……… 34

Hình 2.17: Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp……… 35

Hình 2.18: Tổng thể thủ tục truy nhập ngẫu nhiên ……… 38

Hình 2.19: Thu không liên tục (DRX) đối với tìm gọi……… 39

Hình 3.1: Ba loại site khác nhau ( ommi, 2-sector, 3-sector)……… 53 Hình 3.2: Bản đồ phân bố các eNode B cho ba khu vực của tỉnh lạng Sơn…….…67

MỞ ĐẦU

Hiện nay 4G/LTE đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới 4G/LTE là công nghệ hứa hẹn tạo ra những bước đột phá mới về dịch vụ viễn thông và công nghệ thông tin Bên cạnh những trải nghiệm khác biệt đối với người

sử dụng, 4G còn là điều kiện phát triển các ứng dụng, giải pháp cho doanh nghiệp, chính quyền trong một kỷ nguyên “Internet kết nối mọi thứ” Việc triển khai 4G sẽ mang lại rất nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhà mạng Công nghệ 4G/LTE cung cấp băng thông rộng hơn, truyền tải dữ liệu nhanh hơn, dung lượng lớn hơn, được đánh giá là điều kiện lý tưởng để hiện thực hóa mục tiêu mọi lúc- mọi nơi- mọi người khi cung cấp các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, hàm lượng nội dung lớn như truyền hình trực tiếp, xem phim HD theo yêu cầu HD VOD, hội nghị truyền hình HD Video Conferencing, văn phòng di động mobile office, khám chữa bệnh từ xa, thương mại điện tử, chính phủ điện tử Cuối năm 2015, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp giấy phép thử nghiệm 4G cho một số doanh nghiệp viễn thông, trong đó có Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam

Lựa chọn đúng về công nghệ để tránh đầu tư sai hướng, vận hành khai thác được hệ thống mới một cách có hiệu quả, xây dựng một hệ thống mới đảm bảo chất lượng dịch vụ một cách hiệu quả nhất đồng thời đem đến cho người dùng các loại hình dịch vụ mới, đa dạng và khai thác được ưu thế của mạng 4G Vậy khi triển khai 4G cần lựa chọn công nghệ, quy hoạch mạng, đầu tư thiết bị như thế nào cho đúng hướng là một vấn đề hết sức quan trọng

Do đó luận văn đi sâu nghiên cứu về 4G để có được những căn cứ khoa học

để xây dựng phương án thiết kế, triển khai mạng thông tin di động 4G/LTE trên nền mạng 3G Tìm phương pháp quy hoạch, thiết kế và tối ưu mạng thông tin di động 4G/LTE làm căn cứ để xây dựng phương án triển khai mạng 4G/LTE trên nền mạng GSM/3G, cụ thể là cho VNPT tỉnh Lạng Sơn

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MẠNG 4G LTE

Chương 2: CÔNG NGHỆ 4G LTE

Chương 3: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE CHO VNPT

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

Năm 1991, Mỹ phát triển hệ thống AMPS thành hệ thống N-AMPS (Narowband AMPS) với một số thay đổi về băng tần Hệ thống này có thể phục vụ lượng thuê bao lớn hơn mà không cần thêm cell mới

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 2G

Cuối thập niêm 1980, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 2G sử dụng công nghệ số đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Các hệ thống này

có ưu điểm là sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu, đảm bảo an toàn thông tin , cho phép chuyển mạng quốc tế Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở châu Âu

Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy nhập phân chia theo mã CDMA trở thành loại hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa IS-95 Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần Tín hiệu truyền

đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuy nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã Thông tin di động CDMA sử dụng

kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau

Mỹ tiếp tục phát triển hệ thống số IS54 thành phiên bản mới là IS-136 còn gọi là AMPS số (D-AMPS) đạt được nhiều thành công Năm 1985 công nghệ CDMA ra đời Đó là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã sử dụng kỹ thuât trải phổ được nghiên cứu và triển khai bởi hãng Qualcomm Communication Công nghệ này trước đó sử dụng chủ yếu trong quân sự và đến nay được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trến thế giới

Ở giai đoạn chuyển tiếp, mạng 2G đã được nâng cấp lên mạng 2,5G vào cuối những năm 1990 , bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE

và CDMA2000-1x

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3G

Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công

nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải

dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh ) 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay Điểm mạnh của công nghệ này

so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng

và truyền hình số; Các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail;video streaming; High-ends games;

Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s hiện vẫn được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với tốc độ trung bình 1,5 Mbps Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng

Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được

đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và

đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000 Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3

W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các

hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như:GSM, IS-136

CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95

Tốc độ của thế hệ thứ ba được quy định:

- 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng

- 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương

Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):

Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:

all-IP Release 5 Quý I/2002 UMTS với IMS và HSDPA

Release 6 Quý I năm

Release 8 Quý 4/2008 phát hành LTE đầu tiên; mạng All-IP; OFDMA

mới dựa trên giao diện vô tuyến; FDE; MIMO;

sự không tương thích ngược với giao diện CDMA trước; dual cell HSPA

Release 9 Quý 4 năm

2009

cải tiến SAES; WIMAX và LTE / UMTS khả năng tương thích; HSPDA di động kép với MIMO; dual cell HSUPA

Release 10 Quý I năm

2011

LTE Advanced đáp ứng yêu cầu IMT 4G tương thích ngược với các phiên bản 8 LTE tiên tiến; HSDPA tế bào đa với 4 sóng mang

Release 11 Quý 3 năm

2012

Nâng cao IP kết nối các dịch vụ; lớp dịch vụ kết nối giữa các nhà khai thác / hãng quốc gia cũng như các nhà cung cấp ứng dụng của bên thứ ba; mạng không đồng nhất (HetNet) cải tiến; phối hợp đa hoạt động (COMP; in-device coexistence Release 12 Quý III

/2014

các cuộc gọi nhóm (GCSE); dịch vụ gần (proSe)

Release 13 Quý I/2016 Push to talk (MCPTToLTE; IOPS)

ITU phân loại các mạng viễn thông di động quốc tế như sau:

-Các hệ thống IMT-2000: là các hệ thống 3G hiện nay như UMTS ,CDMA2000

-Các hệ thống Enhanced 2000: sự phát triển của các hệ thống

IMT-2000 như HSPA, CDMA1xEvDo và các hệ thống phát triển hơn nữa của chúng trong tương lai

-Các hệ thống IMT-Advance: được xem là hệ thống 4G

Hình 1.1: Lộ trình phát triển lên 4 G

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R

Các công nghệ tiềm năng tiến tới 4G

Di động WiMAX (IEEE 802 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz

UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được phát triển từ nền tảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc

ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và

75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Các kĩ thuật Multiple radio và antena tiên tiến MIMO, đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA, kỹ thuật beamforming atena

LTE là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, cho phép chuyển đổi dần từ 3G UMTS dang giai đoạn đầu của 4G, sau đó là IMT adv 3GPP đã hướng đến IMT-advance với LTE-advance 3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ

đa phương tiện với tốc độ lên tới 100Mb/s Tốc độ đường lên đạt tới 10Mb/s Tốc

độ này cao gấp 7 lần so với HSDPA Công nghệ này hỗ trợ các dịch vụ có dung lượng lớn, độ phân giải cao

LTE có nhiều ưu điểm nổi bật như:

+Tốc độ cao:LTE đảm bảo tốc độ số liệu đỉnh tức thời đường xuống lên đến 100Mbit/s khi băng thông cấp phát cực đại là 20Mhz (5bit/sHz) và tốc độ đỉnh đường lên 50Mbit/s khi băng thông được cấp phát cực đại là 20Mhz (2,5 bit/s hz) Băng thông LTE được cấp phát linh hoạt từ 1,25 Mhz đến 20Mhz ( gấp 4 lần băng thông 3G-UMTS)

+Thông lượng đường xuống trong LTE gấp ba đến bốn lần thông lượng đường xuống của R6 HSDPA tính trung bình trên 1MHz Thông lượng đường lên trong LTE cũng gấp hai đến ba lần thông lượng đường lên trong R6 HSUPA tính trung bình trên 1MHZ [8]

+Hiệu suất phổ tần: LTE đảm bảo tăng đáng kể hiệu suất phổ tần và tăng tốc

độ bit tại biên ô trong khi vẫn đảm bảo duy trì các vị trí đặt trạm hiện có của UTRAN và EDGE Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của LTE gấp ba đến bốn lần R6 HSDPA tính theo bit/s/Hz/trạm

+ Hỗ trợ di động cho người sử dụng di động tại các tốc độ cao

+Kiến trúc mạng đơn giản hơn 3G mà vẫn tích hợp dễ dàng với mạng 3G và 2G, các nhà cung cấp mạng có thể phát triển LTE mà không cần thay đổi toàn bộ

cơ sở hạ tầng sẵn có OFDMA và MIMO sẽ được sử dụng cho LTE thay vì CDMA như trước đây

So sánh 3G và 4G:

Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần :

700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Tốc độ DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt

là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz,

15 MHz, 20 MHz Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA

1.3 Chuẩn wimax và LTE

Bảng 1.2 : Bảng so sánh LTE và WIMAX [6]

Các thông số

hướng đến

Tốc độ dữ liệu lên 75Mbps/25 Mbps đối với kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kính cell lên đến 2-7Km, 100-200 người dùng

Tốc độ dữ liệu lên 100Mbps/50 Mbps đối với kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kính cell lên đến 5Km, lớn hơn 400 người dùng

dữ liệu đa phương tiện và video Theo lý thuyết, chuẩn WiMax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps Tuy nhiên, khi LTE được triển khai ra thị trường có thể WiMax cũng sẽ

được nâng cấp lên chuẩn 802.16m (còn được gọi là WiMax 2.0) có tốc độ tương đương hoặc cao hơn

LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex) Ngược lại, WiMax hiện chỉ tương thích với TDD (theo một báo cáo được công bố đầu năm nay, WiMax Forum đang làm việc với một phiên bản Mobile WiMax tích hợp FDD) TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùng phương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống thông qua

2 kênh tần số riêng biệt Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn WiMax Tuy nhiên, sự khác biệt công nghệ không có ý nghĩa quyết định trong cuộc chiến giữa WiMax và TLE

Tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan trọng so với WiMax LTE được hiệp hội các nhà khai thác GSM (GSM Association) chấp nhận là công nghệ băng rộng di động tương lai của hệ di động hiện đang thống trị thị trường di động toàn cầu với khoảng 2,5 tỉ thuê bao (theo Informa Telecoms & Media) Hơn nữa, LTE cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần đầu tư thêm thiết bị) trong khi WiMax phải xây dựng từ đầu

So với WiMAX, 4G LTE đã có một công nghệ đi trước là 2G, 3G với số lượng thuê bao đã có sẵn Đây là một lợi thế lớn để triển khai 4G LTE Đặc biệt các thiết bị di động 4G LTE sẽ tương thích với các mạng thông tin di động thế hệ trước,

do vậy người dùng sẽ có thể chuyển giao dễ dàng với các mạng đã tồn tại Điều này cho phép những nhà cung cấp mạng 4G LTE có thể triển khai mạng dần dần

Trong khi đó WiMAX phải triển khai mạng từ con số không Do WiMAX không tương thích với các chuẩn di động không dây trước đó nên việc thiết bị đầu cuối WiMAX có được tích hợp với chip 2G/3G hay không vẫn còn là một câu hỏi

mở Nó hoàn toàn không phải là một câu hỏi về kỹ thuật mà là một vấn đề mang tính chiến lược Nó tùy thuộc vào tác nhân nào sẽ triển khai mạng WiMAX trong tương lai : nhà cung cấp mạng thông tin di động 2G/3G hiện tại hay một nhà cung

cấp mạng WiMAX hoàn toàn mới Nếu là một nhà cung cấp mạng 2G/3G thì chắc chắn họ sẽ triển khai 4G LTE nếu như WiMAX không mang lại lợi ích nào đặt biệt vượt trội so với 4G LTE

1.4 Tình hình triển khai thử nghiệm

1.4.1 Trên thế giới:

Nhận thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này, ngành công nghiệp di động với các công ty viễn thông hàng đầu thế giới đang triển khai hệ thống LTE như : Samsung, NTT DoCoMo, Huawei, China mobile, Nokia, nokia Siemens Network, Ericson, ZTE, AT&T…

Vào năm 2007, Nokia Siemens network công bố thử nghiệm thành công LTE với tốc độ lên tới 173Mb/s trong môi trường đô thị trên băng tần 2,6 Ghz với 20Mhz băng thông

Theo VnMedia Mới đây, cơ quan Viễn thông 5G Americas đã công bố những số liệu thống kê về hoạt động triển khai mạng công nghệ LTE và LTE Advance ở nhiều khu vực trên thế giới Cụ thể, đã có 480 nhà mạng tại 157 quốc gia triển khai LTE và 117 nhà mạng tại 57 nước triển khai LTE Advanced

Số lượng kết nối LTE đã đạt hơn 1 tỷ vào năm 2015 so với 516 triệu kết nối của năm 2014 Và theo dự đoán, tỷ lệ kết nối của công nghệ này sẽ chạm đến con số

4 tỷ vào năm 2020 Hãng nghiên cưu thị trường Ovum cho rằng, thị phần toàn cầu của công nghệ LTE sẽ đạt 45% vào năm 2020 Hiện tại, tổng lượng kết nối di động toàn cầu đang là 7,3 tỷ

Hình 1.2: Tỷ lệ kết nối mạng LTE ở các châu lục

Có thể thấy, khu vực châu Đại Dương và châu Á – Thái Bình Dương đã có thêm 343 triệu kết nối tới công nghệ LTE, Bắc Mỹ có thêm 66 triệu và Tây Âu là 64 triệu Cụ thể, khu vực Bắc Mỹ đã có thêm 237 triệu kết nối tới mạng LTE, chiếm ½ hoặc 54% của tổng kết nối di động tại khu vực này Hoa Kỳ với tổng dân số là 362 triệu, tỷ lệ thâm nhập của công nghệ LTE tại đây đã đạt gần 65%

Hoạt động triển khai thương mại công nghệ LTE ở các nước trên thế giới cũng rất khác biệt, cụ thể tại Hoa Kỳ và Canada, đã có 69 nhà mạng triển khai, tại khu vực Bắc Mỹ có 7 nhà mạng Và khu vực Bắc Mỹ hiện có khoảng 94 triệu kết nối tới Công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSPA) Tính đến quý 4/2015, khu vực châu Mỹ Latin có thêm 15 triệu kết nối tới công nghệ LTE, riêng Brazil có thêm 7 triệu Năm 2015, tổng lượng kết nối của công nghệ LTE tại khu vực châu Mỹ Latin là 54 triệu, so với 13 triệu của năm 2014 Hiện tại, công nghệ HSPA có 325 triệu kết nối và công nghệ GSM giảm 317 triệu kết nối tại khu vực châu Mỹ Latin

1.4.2 Tại Việt Nam:

VNPT đã hợp tác với Alltech Telecom ngay sau khi nhận được giấy phép thử nghiệm và tần số để xây dựng và phát triển mạng và dịch vụ 4G/LTE tại Việt Nam Trạm BTS LTE đầu tiên đã được VNPT khánh thành và vận hành thử nghiệm thành công tại Hà Nội vào ngày 10/10 nhân dịp Đại lễ 1000 năm Thăng Long Giai đoạn 1 của dự án thử nghiệm đã được hoàn tất tại Hà Nội chỉ trong vòng hai tháng kể từ khi nhận được giấy phép Tốc độ truy cập Internet lên đến 70 Mbps khi thu phát trực tiếp, và đạt 20 Mbps khi tín hiệu đâm xuyên qua vật cản như tường nhà, bê-tông

Từ cuối năm 2015 tới đầu năm 2016, các nhà mạng Việt Nam đã bắt đầu rục rịch triển khai thử nghiệm có giới hạn khu vực mạng 4G trong khi mà công nghệ này đã xuất hiện từ lâu và phổ biến tại nhiều nước trên thế giới

Hồi cuối tháng 12, Viettel đã tiến hành thử nghiệm 4G giới hạn tại khu vực Thành phố Vũng Tàu Nhà mạng này cho biết họ đã lắp đặt gần 200 trạm phát sóng 4G phủ toàn bộ khu vực dân cư tại Thành phố Vũng Tàu, Thành phố Bà Rịa và huyện Long Điền Trong quá trình thử nghiệm, tốc độ mạng 4G ghi nhận đạt mức trung bình từ 40-80 Mbps (Mb/giây) và cao nhất đạt 230 Mbps Tốc độ này là gần bằng với tốc độ lý thuyết của 4G LTE-A hiện nay

Nửa đầu năm 2017,Mạng 4G của Viettel đã có mặt rộng khắp ở tất cả các tỉnh thành trên cả nước, phủ sóng tới 704 quận, huyện, tương đương với gần 99% tổng số quận, huyện của Việt Nam Sau nửa năm, nhà mạng đã lắp đặt xong hơn 36.000 trạm để phủ sóng 4G toàn quốc Không chỉ triển khai hạ tầng ở các khu vực thủ phủ tỉnh hay trung tâm huyện, Viettel còn đưa sóng 4G tới gần 6.300 xã trên toàn quốc, trong đó có nhiều xã ở vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo Trong số các huyện đã có sóng 4G có tới hơn 100 huyện biên giới thuộc 25 tỉnh Tiêu biểu như các huyện Lộc Bình, Cao Lộc (Lạng Sơn); huyện Mường Nhé, Nậm Pồ, Mường Chà (Điện Biên); huyện Phong Thổ, Sìn Hồ, Nậm Nhùn, Mường Tè (Lai Châu); huyện Mèo Vạc, Đồng Văn, Yên Minh, Quản Bạ (Hà Giang); huyện Mường Khương, Bát Xát (Lào Cai); huyện Kỳ Sơn, Anh Sơn (Nghệ An); huyện Tây Giang,

Nam Giang (Quảng Nam); huyện Đăk Mil, Cư Jút (Đăk Nông); huyện Châu Thành, Trảng Bàng (Tây Ninh); huyện Mộc Hóa, Thạnh Hóa (Long An); huyện Châu Đốc,

An Phú, Tịnh Biên (An Giang),…[12]

Hiện có rất nhiều vị trí đặc biệt trên lãnh thổ Việt Nam đã có sóng 4G của Viettel như các xã cực đầu của Tổ quốc như xã Đất Mũi (huyện Ngọc Hiển, Cà Mau), xã Lũng Cú (huyện Đồng Văn, Hà Giang), xã Hòa Tâm (huyện Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên) hay Ngã ba biên giới Việt Nam - Lào - Campuchia tại xã Bờ Y (huyện Ngọc Hồi, Kon Tum) hay đỉnh núi Fansipan cao nhất được mệnh danh là “nóc nhà Đông Dương” tại huyện Sapa (Lào Cai),…

Theo đại diện VNPT VinaPhone, trong giai đoạn thử nghiệm, VNPT phủ sóng 4G toàn bộ huyện đảo Phú Quốc với 50 trạm và tại Hà Nội, TP Hồ Chí Minh với 200 trạm phát sóng 4G VNPT Net cho hay đã triển khai phủ sóng 4G tại các khu vực thị trường trọng điểm tại các tỉnh, thành phố (Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh, Cà Mau, Bạc Liêu, Kiên Giang, Lâm Đồng, Bình Dương, Vũng Tầu, Đồng Nai) trong thời gian cuối năm 2016 và đầu năm 2017 Dự kiến cuối năm 2017, VNPT Net sẽ triển khai mạng lưới, đảm bảo phủ sóng 4G trên tất cả các tỉnh, thành phố cả nước với số lượng khoảng 15.000 trạm 4G

1.5 Kết luận chương

Chương 1 đã khái quát sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế

hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ

4 Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G Mạng 4G LTE

có những ưu điểm vượt trội so với các thế hệ mạng thông tin di động trước đây, vì vậy việc triển khai là hết sức cần thiết

Chương 2: CÔNG NGHỆ 4G LTE

2.1 Mô hình Kiến trúc mạng 4G LTE

Hình 2.1: Kiến trúc LTE [9]

LTE có khả năng quản lý thiết bị di động di chuyển nhanh và hỗ trợ luồng multicast và broadcast Mạng truy nhập LTE hỗ trợ băng tần sóng mang từ 1.4 MHz đến 20MHz và cũng hỗ trợ đa truy nhập phân chia theo tần số FDD và đá truy nhập phân chia theo thời gian TDD Giao thức mạng IP của LTE- dựa trên kiến trúc mạng hỗ trợ chuyển giao liền mạch cho cả thoại và dữ liệu Kiến trúc đơn giản dẫn đến chi phí hoạt động thấp hơn ( ví dụ: mội tế bào E-UTRA sẽ hỗ trợ gấp bốn lần dung lượng dữ liệu và thoại bởi Gới truy cập tốc độ cao HSPA)

LTE được thiết kế để kế nhiệm GSM và UMTS, co tính đến sự cải tiến của các thành phần kĩ thuật số

Do sự tiến bộ của bộ vi xử lý số, đặc biệt là các mạch tích hợp, DSP, FPGA

và các thiêt bị khác, LTE có thể quản lý mạng với một gói phằng chỉ có kiến trúc RAN

Theo [9], Kiến trúc LTE theo 3GPP gồm:

Circuit switched

Packed switched

-Một mạng lõi (CN), được gọi là evolved packet core network (EPC)

-Một mạng truy nhập vô tuyến radio access network (RAN), gọi là eUTRA -Thiết bị di động người dùng UE , bao gồm một modul nhận dạng thuê bao chung USIM, và một ứng dụng chat trên một hỗ trợ gọi là UICC USIM và UICC thay thế modul nhận dạng thuê bao SIM của GSM

Long-Term Evolution (LTE) là một công nghệ phức tạp LTE dựa vào một truy cập vô tuyến mới và các khía cạnh phi phát thanh của nó dựa trên một mô hình mới, gọi là sự phát triển kiến trúc hệ thống (SAE), bao gồm mạng EPC LTE là một

sự tiến triển của các tiêu chuẩn GSM / UMTS Mục tiêu của LTE là tăng khả năng

và tốc độ của mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu

số (DSP) mới và các mô đun đã được phát triển xung quanh vòng quay của thiên niên kỷ này Một mục tiêu nữa là thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng cho một hệ thống dựa trên IP với độ trễ chuyển giao đáng kể so với kiến trúc 3G Toàn

bộ hệ thống LTE còn được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS)

Hình 2.2: UTRAN và e-UTRAN [9]

eNB: E-UTRAN Node B MME: Mobility Management Entity S-GW: Serving Gateway

P-GW: PDN(Product Data network) Gatewway

NB: Node B (Node B station)

RNC: Radio Network controller

SGSN: Serving GPRS suport Node

GGSN: Gateway GPRS Suport Node

MME S-GW/P-GW

MME S-GW/P-GW GGSN

SGSN

Hình 2.3: Kiến trúc chung của LTE [9]

Sự kiểm soát chung của UE với kiến trúc LTE được xử lý bởi mạng lõi Mạng lõi (được gọi là EPC trong kiến trúc SAE của LTE) cũng chịu trách nhiệm thiết lập người mang

Các chức năng chính của MME trong kiến trúc hệ thống LTE/SAE như sau: Chức năng xác thực bảo mật, chức năng quản lý di động, chức năng quản lý lịch sử thuê bao và kết nối dịch vụ

Chức năng quy định chính sách và tính cước PCRF (Policy and charging rules function) là một node phần mềm hoạt động theo thời gian thực Nó truy cập cơ

sở dữ liệu của người đăng ký, hệ thống tính cước và các thiết bị liên quan khác Nó tổng hợp thông tin do mạng lưới cung cấp và các nguồn khác Nó cũng cung cấp thông tin đến mạng chung, như chất lượng dịch vụ áp dụng cho một thuê bao nhất định Nó được kết nối hệ thống thanh toán

Máy chủ thuê bao thường trú HSS: HSS là nơi chức dữ liệu cho tất cả thuê bao Nó cũng ghi lại vị trí thuê bao như ở mức MME

2.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến LTE: e-UTRAN

Mạng truy cập của LTE, được gọi là eUTRAN Bao gồm một mạng phẳng của eNodeB Đối với lưu lượng người dùng bình thường, không có bộ điều khiển tập trung trong eUTRAN; Do đó kiến trúc eUTRAN được coi là phẳng Các eNodeB được kết nối với nhau bằng một giao diện được gọi là "X2" và tới EPC bởi giao diện SI - cụ thể hơn, tới MME bằng giao diện Sl-MME và tới S-GW bằng giao diện Sl-U

Nút duy nhất trong E-UTRAN là eNodeB (evolved Node B: Nút B phát triển) eNodeB là trạm gốc vô tuyến chịu trách nhiệm điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến trong phần cố định của hệ thống eNodeB thông thường được phân bố trên các vùng phủ sóng của mạng, eNodeB được đặt gần các anten vô tuyến thực tế Về mặt chức năng eNodeB hoạt động như một cầu nối lớp 2 giữa UE và EPC và là điểm kết cuối của tất cả các giao thức vô tuyến hướng đến

UE và chuyển tiếp số liệu giữa kết nối vô tuyến và kết nối dựa trên IP tương ứng đến EPC Trong vai trò này, eNodeB thực hiện mật mã hóa/giải mật mã hóa số liệu

và đồng thời nén/giải nén tiêu đề IP eNodeB cũng chịu trách nhiệm cho nhiều chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP) eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên

vô tuyến (RRM: Radio Resource Management), nghĩa là điều khiển mức độ sử dụng giao diện vô tuyến bao gồm: ấn định các tài nguyên vô tuyến theo yêu cầu, đặt mức

ưu tiên và lập biểu lưu lượng theo chất lượng dịch vụ (QoS) yêu cầu và thường xuyên giám sát tình trạng sử dụng tài nguyên

2.1.3 Thiết bị đầu cuối di động

LTE có rất nhiều thiết bị đầu cuối di động được cung cấp Các chức năng viễn thông của họ được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn 3GPP

Trong 3GPP , thiết bị đầu cuối di động được gọi là UE UE là bất kỳ thiết bị nào được sử dụng trực tiếp bởi người dùng cuối để giao tiếp, chẳng hạn như điện thoại cầm tay, máy tính xách tay được trang bị bộ chuyển đổi băng rộng di động hoặc bất kỳ thiết bị nào khác (ví dụ thiết bị kết nối M2M)

Đối với LTE, UE kết nối với trạm gốc eNodeB như được chỉ định trong loạt chi tiết kỹ thuật 3GPP 36 (tiêu chuẩn ETSI 136)

Giao diện vô tuyến giữa UE và eNodeB được gọi là LTE-Utt

UE xử lý các nhiệm vụ sau đối với mạng lõi:

2.2 Quản lý di động trong 4G LTE

Vị trí của được MME nhận biết với độ chính xác đến vùng theo bám (TA: Tracking Area) Khi UE ở trạng thái rỗi, mỗi lần chuyển dịch từ một TA này sang một TA khác nó phải thực hiện thủ tục TA để thông báo cho MME về TA mới Kích thước TA phải được chọn hợp lý để không bị lớn quá (dể giảm tải báo hiệu tìm gọi) và không bị nhỏ quá (đến tránh thường xuyên báo hiệu cập nhật vị trí) Cũng

giống như vùng định tuyến (RA: Routing Area) trong WCDMA/HSPA, TA trong LTE thông thường bao phủ vài trăm BTS

2.3 Truy nhập vô tuyến trong LTE: băng tần truyền dẫn, quy hoạch tần

2.4.1 Kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

Truyền dẫn Single Carrier (SC) có nghĩa là thông tin được điều chế chỉ cho một sóng mang, điều chỉnh pha hoặc biên độ của sóng mang hoặc cả hai Tần số cũng có thể được điều chỉnh, nhưng trong LTE thì không có hiệu quả Tỷ lệ dữ liệu cao hơn, tỷ lệ biểu tượng trong hệ thống số cao hơn và do đó băng thông cao hơn Với việc sử dụng Điều chế biên độ đơn giản (QAM), với các nguyên tắc được giải thích, ví dụ như trong [8], máy phát điều chỉnh tín hiệu để mang theo số bit mong muốn cho mỗi biểu tượng điều chế Dạng sóng kết quả là một phổ sóng mang duy

nhất, như thể hiện trong hình, với mặt nạ phổ bị ảnh hưởng (sau lọc) bởi dạng xung được sử dụng

Với nguyên tắc FDMA (Multiple Frequency Division Multiple Access), những người dùng khác nhau sau đó sẽ sử dụng các sóng mang khác nhau, như thể hiện trong hình 2.5 , để truy cập vào hệ thống đồng thời có điều chế dữ liệu xung quanh một tần số trung tâm khác nhau Cần phải chú ý tạo ra dạng sóng theo cách

mà không có sự can thiệp quá mức giữa các sóng mang, cũng không nên bắt buộc phải sử dụng các băng mở rộng dự phòng giữa các người dùng

Hình 2.4: Truyền đơn sóng mang [8]

Hình 2.5: Nguyên lý của FDMA [8]

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

chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là công nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng của mô hình điều chế số OFDM

Việc triển khai thực tế của một hệ thống OFDMA dựa trên công nghệ số và

cụ thể hơn về việc sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và hoạt động nghịch đảo (IDFT) để di chuyển giữa thời gian và đại diện miền tần số Tín hiệu kết quả cho phép một sóng sin tới khối Fast Fourier Transform (FFT) được minh họa trong hình

hệ thống OFDMA sử dụng khối IFFT để tạo tín hiệu Nguồn dữ liệu nguồn cấp dữ liệu cho chuyển đổi hàng loạt-nối tiếp và xa hơn tới khối IFFT Mỗi đầu vào cho khối IFFT tương ứng với đầu vào đại diện cho một sóng mang con đặc biệt (hoặc một thành phần tần số cụ thể của tín hiệu miền thời gian) và có thể được điều chế độc lập với các sóng mang phụ khác Khối IFFT được theo sau bằng cách thêm tiền

tố vòng (cyclix prefix), như thể hiện trong hình Mục đích của việc chèn thêm tiền

tố vòng là có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference)

Hình 2.7: Thu và phát OFDMA [8]

Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không dựa vào từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource Block) Mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot và khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz dẫn đến kết quả băng thông tối thiểu của nó là 180 KHz Đơn vị nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài nguyên (RE), nó bao gồm một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký tự OFDM Một RB bao gồm 84 RE (tức 7 x12) trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 72 RE (6x12) trong trường hợp chiều dài CP mở rộng

Hình 2.8: Phân phối tài nguyên của OFDMA trong LTE

Hình 2.9: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDMA

Hình 2.10 : PAPR cho các tín hiệu khác nhau

Từ các hình trên ta thấy, dạng sóng OFDM thể hiện sự thăng giáng đường bao rất lớn dẫn đến PAPR cao Tín hiệu với PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất có tính tuyến tính cao để tránh làm méo dạng tín hiệu Để đạt được mức

độ tuyến tính này, bộ khuếch đại phải làm việc ở chế độ công tác với độ lùi (so với điểm bão hòa cao) Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng công suất (tỷ số công suất phát với công suất tiêu thụ một chiều) thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với các

thiết bị cầm tay Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DTFS-OFDM với tên gọi là SC- FDMA và áp dụng cho LTE

Đây là lý do chính tại sao 3GPP đã quyết định sử dụng OFDMA theo hướng downlink nhưng sử dụng công suất SC-FDMA hiệu dụng theo hướng lên

2.4.2 Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA

Lý do quan trọng nhất để lựa chọn kỹ thuật SC-FDMA cho hướng lên là giảm công suất tiêu thụ của các thiết bị đầu cuối Về mặt kỹ thuật, SCFDMA cho tỷ

lệ giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR) thấp hơn OFDMA giúp mang lại hiệu quả cao cho việc thiết kế các bộ khuếch đại của thiết bị đầu cuối theo

đó giảm công suất tiêu thụ của máy đầu cuối

Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR tốt hơn OFDMA Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE PAPR giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lý tín hiệu của SC- FDMA vẫn có một số điểm tương đồng với OFDMA, do đó, tham số hướng DL và

UL có thể cân đối với nhau Giống như trong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin Tuy nhiên các ký hiệu này phát đi lần lượt chứ không phải song song như trong OFDMA Vì thế, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát Vì thế các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA Tuy nhiên trong các hệ thống thông tin di động bị ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường, SC-FDMA được thu tại các BTS bị nhiễu giữa các ký tự khá lớn BTS sử dụng bộ cân bằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này

Trong OFDM, biến đối Fourier nhanh FFT dùng ở bên thu cho mỗi khối ký

tự, và đảo FFT ở bên phát Còn ở SC-FDMA sử dụng cả hai thuật toán này ở cả bên phát và bên thu