cấu trúc mạng 4g lte và các vấn đề liên quan

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 3G Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhi

1 3 1 Ưu điểm nổi bật 11

1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G 11

CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 14

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 14

2.2 Cấu trúc của LTE [1] 24

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 29

2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) [2] 31

2.5 Một số đặc tính của kênh truyền 34

2.5.1 Trải trễ đa đường 34

2.5.2 Các loại fading 34

2.5.3 Dịch tần Doppler 35

2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE 35

2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE 36

2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] 362.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] 46

2.7.3 Các loại chuyển giao 56

2.7.4 Chuyển giao đối với LTE [3] 59

2.8 Điều khiển công suất [3] 60

2.8.1 Điều khiển công suất vòng hở [8] 61

2.8.2 Điều khiển công suất vòng kín [8] 62

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ

di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4 Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G

1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động

đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng. 

1.1.1.1 Đặc điểm

 Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

 Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

 Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi

MS trong cell

 Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS

1.1.1.2 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1

 Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ Nó bao gồm các hạn chế sau :

 Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ. 

 Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia

 Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở

hạ tầng

 Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

 Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác

 Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

 Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng

kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới

ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy đã xuấthiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế

hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và cácdịch vụ bổ sung khác Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa

vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quảvới hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM.

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số

Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

 Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access

- TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

 Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau

1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một

khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và các bit dữ liệu Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chếsố

 Các đặc điểm của TDMA

 TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước

và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi

có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch

 Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể

 TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng

bộ phải tối ưu

1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

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.

Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN

Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với tín hiệu băng thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán Tín hiệu phân tán là một chuỗi mã giảngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu Tất cả các users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể được phát đồngthời Mỗi user có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và nó được xem là trực giao với các từ mã khác Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với nó Tất cả các mã khác được xem như là nhiễu Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thu cần phải biết

từ mã dùng ở máy phát Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác

 Đặc điểm của CDMA

 Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh

 CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và

FDMA Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm

 Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin

di động tế bào Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps. 

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x 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 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 vàđưa 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 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

 Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục

vụ từ năm 2001 Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưngcũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2

Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:

 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:

 Đường lên : 1885-2025 MHz

 Đường xuống : 2110-2200 MHz

 Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông

 Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường,

 trên xe, vệ tinh

 Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

 Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environments trên cơ

 sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu

 Đảm bảo chuyển mạng quốc tế

 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu

 chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói

 Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng

phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác

Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần

số khác nhau Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số) Thiết bị 4G sử dụng máy thu

vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời Tổng đài chuyển

mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu.

1.2 Tổng quan về mạng 4G [12]

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT

Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại

IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz

Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009 Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) Thực tế chothấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-

Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG

Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-

Mobile, China Mobile, ZTE ) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên. 

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 128Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz

UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel- Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless 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

Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE

 Mục tiêu và cách tiếp cận:

4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số

 Các mục tiêu mà 4G hướng đến :

 Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz

 Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm

 Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới

 Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz)

 Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà

 Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp. 

 Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng

 Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực,tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động

 Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại

 Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa

 MIMO : để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng.

 Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SC- FDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống : để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp

 Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh

 Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu

 Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian

 Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi

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

1.3.1 Ưu điểm nổi bật

 Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G

 Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ

 Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA

 Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với WCDMA

1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G

 Hiệu suất phổ cao

 OFDM ở DL

 Chống nhiễu đa đường

 Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động

 Giảm độ trễ khứ hồi ( round trip delay)

 Tần số tái sử dụng linh hoạt: Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1

 Sử dụng hai dải tần số:

 Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn

 Dải 2 : phổ còn lại

 Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt

 Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc

độ dữ liệu cao

 Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell Nhưng đối với LTE thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu  

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC

VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai Cơ sở hạ tầng 4G được thiết kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạnghiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng Để thực hiện điều

đó, cần tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng Chương này sẽ trình bày hệ thống di động 4G LTE :các đặc điểm kỹ thuật, so sánh LTE với WiMAX, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó liên kết với các mạng khác ra sao, các kênh sử dụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sử dụngcho đường lên, đường xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên quan đến giao diện vô tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệtiềm năng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầutiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt

nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA Thêm vào đó, FDD

(Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp Không giống như FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm Điều này làm giảm

giá thành cho bộ song công trong UE Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phânchia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple

Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với

OFDMA Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng haiđến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6

 Động cơ thúc đây

 Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và đáp ứng nhu cầucủa người sử dụng

 Người dùng đòi hỏi tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn

 Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói

 Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi của người dùng về giảm giá thành (CAPEX và OPEX)

 Giảm độ phức tạp

 Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc không phải một cặp dải thông

 Các giai đoạn phát triển của LTE

 Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN và tối

ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP

 Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel 6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần (100Mbps) Tải lên: gấp 2 đến 3 lần (50Mbps)

 Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 -“EUTRA”- phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp nhận Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại

 Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA được

sử dụng cho đường lên. 

 Mục tiêu của LTE

 Tốc độ dữ liệu cao

 Độ trễ thấp

 Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu

 Các đặc tính cơ bản của LTE

 Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần

 Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS

 VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS

 Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm

Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa

là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP Trong thực tế, hiệu suất thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sựlựa chọn cho phổ tần của chính nó Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải

tần được sử dụng nào của 3GPP Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-2.1 GHz) Băng tần chỉ định dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ.

Các thông số lớp vật lý của LTE [14]

Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

Ghép kênh không gian

1 lớp cho UL/UE Lên đến 4 lớp cho DL/UE

Qua việc kết nối của đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu suất

sử dụng phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ

đa dạng hơn Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện Tất cả các dịch vụ sẽ cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của người dùng về đường truyền TV độ rõ nét cao Đối với khách hàng là doanh

nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng video hội nghị tốt LTE sẽ

mang đặc tính của “Web 2.0” ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên Dọc theo sự bảo đảm về thương mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi và chia sẻ tập tin

Bảng 2.3 : So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE

Dịch vụ Môi trường (3G) Môi trường 4G

Thoai (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất lượng cao

Tin nhắn P2F(P2F messaging) SMS, MMS, các email ưu tiên thấp Các tin nhắnphoto, IM, email di động, tin nhắn video

Games Tải về và chơi game trực Kinh nghiệm game trực

M-comerce( thương mại qua điện thoại) Thực hiện các giao dịch và thanh toán qua mạng di động Điện thoại cầm tay như thiết bị thanh toán, với các chi tiết thanh toán qua mạng tốc độ cao để cho phép các giao dịch thực hiện nhanh chóng.Mạng dữ liệu di động(mobile data netwoking) Truy cập đến các mạng nội bộ

và cơ sở dữ liệu cũng như cách sử dụng của các ứng dụng như CRM Chuyển đổi file P2P, các ứng dụng kinh doanh, ứng dụng chia sẻ, thông tin M2M, di động intranet/extranet

* So sánh LTE với HSPA và WiMAX [17]

Bảng 2.4 : So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE

Các tiêu chí HSUPA WiMAX LTE

Phiên bản 3GPP release 6 802.16e (2005) 3GPP release 8 (3/2009)

Cơ sở hạ tầng và các thiết bị có giá trị Bắt đầu năm 2007 Bắt đầu năm 2007 Bắt đầu năm 2010

Dải tần hoạt động 700MHz, 850 MHz,1.5 GHz, 1.8 GHz, 1.7/2.1 GHz

2.5GHz, 2.6GHz, 3.5GHz, 3.65 GHz, 5.8 GHz, 700MHz, 850 MHz,1.5 GHz, 1.8 GHz, 1.7/2.1 GHz, 2.1GHz, 2.3GHz, 2.6GHz

Các thông số hướng đến Tốc độ dữ liệu lên 5.6 Mbps đối với kênh 5MHz, bán kính cell là 680m 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

Khả năng tương thích lùi Tương thích lùi với Release 99 Không tương thích lùi với 3GPP hoặc 3GPP2 Kế thừa chuẩn 3GPP, nhưng khác kỹ thuật nên đòi hỏi thiết bị mới ở RAN nếu dải tần khác nhau được sử dụng

về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ

thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thuphát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải

dữ liệu đa phương tiện và video

Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 công nghệ WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - một biến thể của OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA.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 TDDs 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 LTE

Trên thế giới, 4G dù chưa phải phổ biến song cũng đã có quốc gia và các hãng viễnthông triển khai Chẳng hạn như Ericsson Tháng 1/2009, Ericsson và nhà mạng tạiThụy Điển đã triển khai thương mại TeliaSonera mạng LTE/4G đầu tiên tại Thụy Điển Tới tháng 1/2010 đã triển khai diện rộng mạng TeliaSonera trên toàn quốc ở

Na Uy và Thụy Điển Ngoài ra, Ericsson đã ký hợp đồng triển khai LTE trong thời gian tới với các nhà mạng AT&T (Mỹ), MetroPCS, Verizon Wireless (Mỹ), NTT Docomo (Nhật) Ericsson cũng đã tiến hành các thử nghiệm LTE/4G với các mạng Telstra, SingTel, T-Mobile Hungary, Zain Saudia Arabia

Với Việt Nam, ở thời điểm này, cơ quan quản lý nhà nước chưa đưa ra quyết định

sẽ đi lên 4G bằng Wimax hay LTE mà quan điểm sẽ tổ chức một hội thảo giữa Bộ với các doanh nghiệp để tìm ra sự lựa chọn hợp lý nhất Theo phân tích của các chuyên gia, hiện tại Wimax có lợi thế đi trước LTE Không chỉ trên thế giới mà ngay cả ở Việt Nam, mạng Wimax đã được triển khai cung cấp thử nghiệm từ năm

2004 tới giờ Còn LTE, lại được cho rằng phải tới khoảng năm 2012-2013 mới trở nên phổ biến Xong, so với Wimax, LTE lại có một thế mạnh được cho là rất quan trọng LTE nếu được triển khai cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn dù vẫn phải đầu tư thêm thiết bị Còn Wimax, nếu muốn triển khai thì phải xây dựng

từ đầu một mạng mới Với Việt Nam, trong bối cảnh hiện nay, theo nhiều chuyên gia, vẫn chưa đến thời điểm chín muồi để phát triển 4G cho dù đó là Wimax hay LTE Ở thời điểm này, Việt Nam vẫn chưa có kế hoạch triển khai 4G Nếu có, phải

ít nhất là năm 2012 Và với mốc thời gian này, biết đâu, LTE lại thắng thế hơn Wimax? Nhưng dù có lựa chọn công nghệ gì đi chăng nữa, điều quan trọng nhất

mà người dùng Việt đặt kỳ vọng ở các nhà khai thác mạng, cung cấp dịch vụ đó là làm sao đáp ứng được ba tiêu chuẩn Một chuyên gia của Ericsson chia sẻ.Thứ nhất, đó là tính thân thiện và đơn giản của dịch vụ công nghệ cung cấp Đa số người dùng trước đây chưa biết nhiều về Internet do đó tính thân thiện giúp họ sử dụng lần đầu tiên mà không bị nhầm lẫn là điều rất quan trọng Thứ hai đó chính lànhững nội dung tiếng Việt mà họ có thể hưởng thụ từ dịch vụ.Và thứ ba, là giá cả hợp lý Đặc biệt là dịch vụ trả trước Có thể nói, đa số người sử dụng không hiểu

về sự liên quan giữa Megab yte và giá cả nên chính sách giá phải dễ hiểu

2.2 Cấu trúc của LTE [1]

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

và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP

Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất

cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia sẻ Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây. 

Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào Dựa vào chúng, mạng có thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập Còn những chức

năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là EPC.

Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node Vì vậy, người phát triển đã chọn một cấu trúc đơn node Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy nhập

vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B) Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến

Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2 Trong

đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi S1 chia làm hai loại

là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE -GW và S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của LTE

Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ thống 3G,

và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói Vì vậy, nó có một cái tên mới: Evolved Packet Core (EPC)

Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phang, cộng với Gateway chung kếtnối mạng LTE với internet và những hệ thống khác EPC gồm có một vài thực thể chức năng

- MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên

- Gateway dịch vụ (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật3GPP khác

- P-Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng

về mạng dữ liệu gói bên ngoài Nó cũng là Router đến mạng Internet

- PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra bảng giá

và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP Multimedia Subsystem) cho mỗi người dùng

- HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả

dữ liệu của người dùng Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong trung tâm của nhà khai thác

Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub-system) dựa trên các nhà khaithác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng truy nhập nào IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA2000, truynhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũng

như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX IMS tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau có thể tương thích với nhau IMS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ Nó đã và đang được tập trung nghiên cứu cũng như thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghiệp Tuy nhiên IMS cũng gặp phải những khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín để thuyết phục các nhà cung cấp mạng đầu từ triển khai nó Kiến trúc IMS được cho là khá phức tạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác nhau.IMS dựa trên các nhà khai thác: là IMS đã được tích hợp sẵn trong cấu trúc của hệ thống 3GPP

- IMS không dựa trên các nhà khai thác: là IMS không được định nghĩa trong các chuẩn Các nhà khai thác có thể tích hợp dịch vụ này trong mạng của họ Các

UE kết nối đến nó qua vài giao thức được chấp thuận và dịch vụ video streaming là

1 ví dụ

- Các dịch khác không được cung cấp bởi 3GPP và cấu trúc phụ thuộc vào yêu cầu của dịch vụ Cấu hình điển hình sẽ được UE kết nối đến máy chủ qua mạng chẳng hạn như kết nối đến trang chủ cho dịch vụ lướt web

Cấu trúc của LTE liên kết với các mạng khác

Hình 2.4 : Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và không phải 3GPP

Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và liên mạng với CDMA 2000

Hệ thống 3GPP hiện tại (GSM và WCDMA/HSPA) và 3GPP2 (CDMA2000

1xRTT, EV-DO) được kết hợp vào hệ thống mới thông qua những giao diện chuẩnhóa, miễn là tối ưu tính di động với LTE Với hệ thống 3GPP, điều này có nghĩa là Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan

một giao diện báo hiệu giữa SGSN (Serving GPRS Support Node) và mạng lõi mới, với hệ thống 3GPP2 cũng có một giao diện báo hiệu giữa CDMA RAN và mạng lõi mới

Ví dụ tín hiệu điều khiển cho di động được xử lý bởi node Mobility Management Entity (MME), tách rời với Gateway Điều này thuận tiện cho việc tối ưu trong triển khai mạng và hoàn toàn cho phép chia tỉ lệ dung lượng một cách linh động Home Subscriber Server (HSS) nối đến Packet Core qua một giao diện IP, và không phải SS7 như đã sử dụng trong mạng GSM và WCDMA Mạng báo hiệu cho điều khiển chính sách và tính cước được dựa trên giao diện IP Hệ thống GSM

và WCDMA/HSPA hiện tại được tích hợp vào hệ thống mới qua những giao diện được chuẩn hóa giữa SGSN và mạng lõi mới Người ta cố gắng kết hợp truy nhập CDMA cũng sẽ đưa đến tính di động liên tục giữa LTE và CDMA, cho phép sự mềm dẻo trong việc chuyển lên LTE

LTE-SAE tiếp nhận khái niệm QoS theo từng lớp Điều này cung cấp một giải pháp đơn giản và đến bây giờ vẫn hiệu quả cho những nhà khai thác có được sự phân biệt giữa những dịch vụ gói

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN

a Kênh vật lý : các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm :

- PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) : phụ tải có ích (payload)

- PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) : PUSCH được dùng để mang dữliệu người dùng Các tài nguyên cho PUSCH được chỉ định trên một subframe cơ bản bởi việc lập biểu đường lên Các sóng mang được chỉ định là 12 khối tài

nguyên (RB) và có thể nhảy từ subframe này đến subframe khác PUSCH có thể dùng các kiểu điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

- PUCCH(Physical Uplink Control Channel): có chức năng lập biểu,

ACK/NAK

- PDCCH(Physical Downlink Control Channel): lập biểu, ACK/NAK

- PBCH(Physical Broadcast Channel): mang các thông tin đặc trưng của cell. 

Kênh logic : được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm: [18]

Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Được sử dụng để truyền thông tin điều khiển

hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell Trước khi truy nhập hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết được hệ thống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông hệ thống

Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối di động vìmạng không thể biết được vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế cần phát các bản tintìm gọi trong nhiều ô (vùng định vị)

Kênh điều khiển riêng (DCCH) : được sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới/từ một đầu cuối di động Kênh này được sử dụng cho cấu hình riêng của các đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác nhau

Kênh điều khiển đa phương (MCCH) : được sử dụng để truyền thông tin cần thiết

để thu kênh MTCH

Kênh lưu lượng riêng (DTCH) : được sử dụng để truyền số liệu của người sử dụng đến/từ một đầu cuối di động Đây là kiểu logic được sử dụng để truyền tất cả số liệu đường lên của người dùng và số liệu đường xuống của người dùng không phải MBMS

Kênh lưu lượng đa phương (MTCH) : Được sử dụng để phát các dịch vụ MBMS.Kênh truyền tải : bao gồm các kênh sau [18]

- Kênh quảng bá (BCH) : có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung cấp

- Nó được sử dụng để phát thông tin trên kênh logic

- Kênh tìm gọi (PCH) : được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh PCCH, PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm công suất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trước. 

- Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) : là kênh truyền tải để phát số liệu đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích ứng tốc độ động và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số Nó cũng hổ trợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống như cơ chế CPC trong HSPA DL-DCH TTI là 1ms

- Kênh đa phương (MCH) : được sử dụng để hỗ trợ MBMS Nó được đặc trưng bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh Trong trường hợp phát đa ô sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải được điều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN

2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) [2]

Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng như chức năng của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề Vì vậy, các giao thức liên quan của lớp vô tuyếnđược chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNC bây giờ chuyển thành giữa

UE và eNodeB

Hình 2.6: Giao thức của UTRAN

Hình 2.7: Giao thức của E-UTRAN

Giao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm L1 và MAC mới.

Hình 2.8: Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP

Chức năng của MAC(Medium Access Control) bao gồm :

- Lập biểu

- Điều khiển ưu tiên (Priority handling)

- Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC, cũng như trong WCDMA có chức năng sau:

o Truyền lại trong trường hợp giao nhận ở các lớp thấp (MAC và L1) bị

hỏng, tương tự trong trường hợp ở chế độ ACK của RLC ở UTRAN

o Phân đoạn để phù hợp cho các giao thức đơn vị dữ liệu

o Cung cấp các kênh vật lý cho các lớp cao hơn

Chức năng của PDCP bao gồm:

- Mã hóa (ciphering)

- Chèn tiêu đề

Trong suốt năm 2006, PDCP vẫn được giả sử trong mạng lõi, nhưng quyết định hiện tại là đưa PDCP vào eNodeB bao gồm mã hóa Điều này làm cho chức năng

vô tuyến của LTE tương tự như của HPSA cải tiến

Trong giao diện điều khiển, chức năng của giao thức RRC thì cũng giống như bên UTRAN Giao thức RRC cấu hình các thông số kết nối, điều khiển báo cáo đo lường thiết bị đầu cuối, các lệnh chuyển giao Mã ASN1 được sử dụng cho RRC của LTE, nó dãn cách sự khác biệt giữa các phiên bản ở đường tương thích lùi Giao thức RRC sẽ bao gồm ít trạng thái hơn EUTRAN Chỉ có trạng thái “tích

cực” hay “rỗi” được dự đoán bởi vì đặc tính linh động của sự phân bố nguồn tài nguyên Các trạng thái của RRC trong LTE là:

- RRC-rỗi: thiết bị sẽ quan sát bản tin paging và sử dụng cell cho di động Không có RRC nào lưu trữ trong bất kỳ eNodeB cá nhân nào UE chỉ có duy nhất một ID nhận dạng nó ở trong vùng di chuyển

- RRC-kết nối: biết vị trí của UE ở cell nào và dữ liệu được phát và nhận.Kết nối RRC tồn tại đến một eNodeB Điều khiển chuyển giao bởi mạng được sử dụng cho di động

2.5 Một số đặc tính của kênh truyền

Ta tìm hiểu một số đặc tính của kênh truyền ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu, các đặc tính này bao gồm trải trễ, fading, dịch tần Doppler, ảnh hưởng của dịch tầnDoppler đối với tín hiệu OFDM, nhiễu MAI, và cách khắc phục nhiễu MAI

2.5.1 Trải trễ đa đường

Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian

Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữatín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục Đối với LTE, sử dụng kỹ thuật OFDM đã tránh được nhiễu xuyên ký tựISI

2.5.2 Các loại fading

Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua

2.5.2.1 Rayleigh fading

Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath Signal)

và xác suất mức tín hiệu thu bị suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân

bố Rayleigh

2.5.2.2 Fading chọn lọc tần số và fading phang

Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem như là phẳng

Nếu trải trễ thời gian đa đường là D(s) thì băng thông kết hợp Wc(Hz) xấp xỉ bằng:

Wc «1/2nD 

Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu

Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số

Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông của tín hiệu Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc tần số

2.5.3 Dịch tần Doppler

Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler Dịch tần Doppler

là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu Cụ thể là: khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau :

Af = ±f0 v (2.1)

c

Trong đó Af là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát, v là vận tốctương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng Đối với LTE, để khắc phục hiện tượng dịch tần Doppler, người ta chọn khoảng cách giữa các sóng mang đủ lớn (Af = 15 Khz)

2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE

Đối với LTE, ở đường lên sử dụng kỹ thuật SC-FDMA, nó cũng nhạy cảm với dịchtần Các user khác nhau luôn có dịch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset) Khi tồn tại nhiều CFO, tính trực giao giữa các sóng mang bị mất Nhiễu liên sóng mang (ICI : Inter Carrier Interference) và MAI (Multi Access

Interference) tạo ra đã làm giảm chất lượng của tín hiệu thu được Một phương

pháp triệt ICI cũng như MAI, là dựa trên các ký hiệu hoa tiêu khối (block type pilots).

Các user khác nhau giao tiếp với trạm gốc tại các khe thời gian khác nhau Phương pháp này lấy trực tiếp thành phần nhiễu bằng cách lợi dụng các ký hiệu hoa tiêu khối, vì vậy nó không cần sử dụng ước lượng CFO nhiều lần Sau đó, ma trận can nhiễu có thể được khôi phục lại và ảnh hưởng của các CFO có thể được triệt dễ dàng bằng cách sử dụng phương pháp đảo ma trận Phương pháp triệt nhiễu MAI

cụ thể được đề cập ở [19]

2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE

LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai ghép

2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1]

Hình 2.11 : Nguyên lý đa sóng mang

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

Hình 2.12 : So sánh phổ tần của OFDM với FDMA

Hình 2.13 : Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM

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

- OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol

Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớnnhất của kênh truyền

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

đa đường giảm xuống

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

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

có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency

selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

- Cấu trúc máy thu đơn giản

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

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

Hình 2.14 : Các sóng mang trực giao với nhau

Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong các hệ thống thông tin di động là cần dịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời Dịch tần phá hỏng tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập Vì vậy nó rất nhạy cảm với dịch tần Ở LTE chọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, đối với khoảng cách này là khoảng cách đủ lớn đối với dịch tần Doppler. 

Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữa miền thời gian và miền tần số

Chiều dài biến đổi FFT là 2n với n là số nguyên Với LTE chiều dài có thể là 512 hoặc 1024 Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi điều chế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song Sau đó được đưa đến bộ biến đổi IFFT Mỗi ngõ vào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt (thành phần tần số riêng biệt của tín hiệu miền thời gian) và mỗi sóng mang được điều chếđộc lập với các sóng mang khác Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu được chèn thêm tiền tố vòng (CP) và phát đi Ở bộ thu ta làm ngược lại.

cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG

sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này Trong trường hợp TG >T MAX như hình vẽ mô

tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tínhiệu có ích vẫn an toàn Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín

hiệu đến bộ giải điều chế OFDM Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống

OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là: TG >T MAX với TMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh. 

a ) Không có GI

b) Có GI

Hình 2.18 Tác dụng của chuỗi bảo vệ

OFDM lượng tử hóa trong miền tần số dựa trên ước lượng đáp ứng tần số của kênh Do đó nó hoạt động đơn giản hơn WCDMA và nó không phụ thuộc vào chiều dài của kênh (chiều dài của đa đường trong các chip) như khi lượng tử

WCDMA Trong WCDMA các cell khác nhau được phân biệt bởi các mã trải phổ khác nhau nhưng trong OFDM trải phổ không có giá trị, nó sử dụng các ký hiệu tham khảo riêng biệt giữa các cell hoặc giữa các anten khác nhau

LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho tuyến lên 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

Kỹ thuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm Ở các thời điểm khác nhau, nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc

độ thấp từ nhiều người sử dụng

Subchannel 1 Subchannel 2 Subchannel 3 Subchannel 4

Hình 2.19 Sóng mang con OFDMA

Hình 2.20 OFDM và OFDMA

Tài nguyên thời gian - tần số được chia nhỏ theo cấu trúc sau : 1 radio frame có chiều dài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chiều dài là 1ms, và mỗi subframe nhỏ lại được chia thành 2 slot với chiều dài của mỗi slot là 0.5ms Mỗi slot sẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường

và 6 ký tự OFDM trong trường hợp CP mở rộng

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

Hình 2.21 : Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE Bảng 2.5 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền

(MHz)

Hình 2.22 : Cấu trúc của một khối tài nguyên

Tín hiệu tham khảo (RS) : LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt để dễ dàngước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộ thời gian Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau: 

Các tín hiệu tham khảo này được phát ở ký tự OFDM thứ nhất và thứ năm của mỗi slot và ở sóng mang thứ sáu của mỗi subframe Tín hiệu tham khảo cũng được sử dụng để ước lượng tổn hao đường truyền sử dụng công suất thu tín hiệu tham khảo (RSRP)

Nhược điểm của OFDM là gì? Ta xét các hình sau

rower Amplifier sees this!

QAM modulated inputs

Hình 2.24: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM

Hình 2.25: 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

2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1]

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 caotrong 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 củađường 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

Hình 2.26: OFDMA và SC-FDMA

Hình trên cho thấy sự khác nhau trong quá trình truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian Trên hình này ta coi mỗi người sử dụng được phân thành 4 sóng mang con (P = 4) với băng thông con bằng 15KHz, trong đó mỗi ký hiệu OFDMA hoặc SC-FDMA truyền 4 ký hiệu số liệu được điều chế QPSK cho mỗi người sử dụng Đối với OFDMA 4 ký hiệu số liệu này được truyền dồng thời với băng tần con chomỗi ký hiệu là 15KHz trong mỗi khoảng thời gian hiệu dụng TFFT của một ký hiệu OFDMA, trong khi đó đối với SC-FDMA, 4 ký hiệu số liệu này được truyền lần lượt trong khoảng thời gian bằng 1/P (P = 4) thời gian hiệu dụng ký hiệu SC-FDMA với băng tần con bằng P x 15KHz (4 x 15 KHz) cho mỗi ký hiệu. 

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

Hình 2.27 : Thu phát SC-FDMA trong miền tần số

2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1]

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

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

Hình 2.28 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO

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

Trong hệ thống MIMO, bộ phát gửi các dòng dữ liệu qua các anten phát Các dòng

dữ liệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đường truyền giữa các anten phát và các anten thu Sau đó bộ thu nhân các vector tín hiệu từ các anten thu, giải mã thành thông tin gốc

Đối với tuyến xuống, cấu hình hai anten ở trạm phát và hai anten thu ở thiết bị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản, cấu hình sử dụng bốn anten đang được xem xét Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian với

lợi thế hơn các kỹ thuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử dụng và kỹ thuật điều chế tín hiệu, SU cho phép tăng tốc độ dữ liệu (data rate) bằng số lần của

số lượng anten phát

Ghép kênh không gian cho phép phát chuỗi bit dữ liệu khác nhau trên cùng một khối tài nguyên tuyến xuống Những dòng dữ liệu này có thể là một người dùng Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan

(SU-MIMO) hoặc những người dùng khác nhau (MU-MIMO) Trong khi SU- MIMO tăng tốc độ dữ liệu cho một người dùng, MU-MIMO cho phép tăng dung lượng Dựa vào hình 2.29, ghép kênh không gian lợi dụng các hướng không gian của kênh truyền vô tuyến cho phép phát các dữ liệu khác nhau trên hai anten

Hình 2.29: Ghép kênh không gian

Kỹ thuật phân tập đã được biết đến từ WCDMA release 99 và cũng sẽ là một phần của LTE Thông thường, tín hiệu trước khi phát được mã hóa để tăng hiệu ứng phân tập MIMO được sử dụng để khai thác việc phân tập và mục tiêu là làm tăng tốc độ Việc chuyển đổi giữa MIMO truyền phân tập và ghép kênh không gian có thể tùy thuộc vào việc sử dụng kênh tần số

Đối với đường lên, từ thiết bị đầu cuối di động đến BS, người ta sử dụng mô hình MU-MIMO (Multi-User MIMO) Sử dụng mô hình này ở BS yêu cầu sử dụng nhiều anten, còn ở thiết bị di động chỉ dùng một anten để giảm chi phí cho thiết bị

di động Về hoạt động, nhiều thiết bị đầu cuối di động có thể phát liên tục trên cùng một kênh truyền, nhiều kênh truyền, nhưng không gây ra can nhiễu với nhau bởi vì các tín hiệu hoa tiêu (pilot) trực giao lẫn nhau Kỹ thuật được đề cập đến, đó

là kỹ thuật đa truy nhập miền không gian (SDMA) hay còn gọi là MIMO ảo

2.6.4 Mã hóa Turbo [18]

Để sửa những bit bị lỗi do sự thay đổi kênh và nhiễu, mã hóa kênh được sử dụng Với kênh chia sẻ hướng xuống của LTE (DL-SCH), sử dụng một bộ mã hóa Turbo với tốc độ 1/3, theo sau là một bộ so khớp tốc độ để thích ứng với tốc độ mã

Trong mỗi khung con chiều dài 1ms, một hoặc hai từ mã có thể được mã hóa và truyền đi.

2.6.5 Thích ứng đường truyền [18]

Thích ứng đường truyền giải quyết vấn đề liên quan đến cách thiết lập các thông sốtruyền dẫn của đường truyền vô tuyến để xử lý các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến Nó sử dụng điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) Phương pháp này cho phép hệ thống điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống LTE có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải

sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế

Hình 2.30 Điều chế thích nghi

Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì

nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn

2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [18]

Lập biểu phụ thuộc kênh giải quyết vấn đề cách thức chia sẻ các tài nguyên vô tuyến giữa những người sử dụng (các đầu cuối di động) khác nhau trong hệ thống

để đạt được hiệu suất sử dụng tài nguyên tốt nhất Lập biểu phụ thuộc kênh cho phép giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng, vì thế cho phépnhiều người sử dụng hơn trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu chất lượng dịch

vụ Nguyên lý lập biểu cũng như việc chia sẻ các tài nguyên giữa những người sử dụng, ít nhất về mặt lý thuyết, phụ thuộc vào các đặc tính của giao diện vô tuyến, vào việc đường truyền là đường truyền lên hay truyền xuống và vào việc truyền

dẫn của những người sử dụng với nhau có trực giao hay không Thích ứng đường truyền và lập biểu phụ thuộc kênh liên quan mật thiết với nhau và thường thì chúngđược coi như là một chức năng liên kết.

2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [18]

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

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

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

Trong HARQ với kết nối mềm, những gói nhận được bị sai, được lưu trong một bộđệm và sau đó được kết hợp với truyền lại để đạt được một gói đáng tin cậy TrongLTE, Incremental Redundancy (IR) được áp dụng, nghĩa là những gói được truyền lại không giống những gói đã truyền đầu tiên, mà nó mang thông tin bổ sung

2.7 Chuyên giao

Chuyển giao là phương tiện cần thiết để thuê bao có thể di chuyển trong mạng Khithuê bao chuyển động từ vùng phủ sóng của một cell này sang một cell khác thì kếtnối với cell mới phải được thiết lập và kết nối với cell cũ phải được hủy bỏ

2.7.1 Mục đích chuyên giao

Lý do cơ bản của việc chuyển giao là kết nối vô tuyến không thỏa mãn một bộ tiêu chuẩn nhất định và do đó hoặc UE hoặc E-UTRAN sẽ thực hiện các công việc để cải thiện kết nối đó Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gói, chuyển giao được thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gói không thành công Các điều