Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng OFDMA 4G

Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng OFDMA 4G Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng OFDMA 4G Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng OFDMA 4G luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

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

(Chuyện ngành: Kỹ thuật viễn thông)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh

Hà Nội – Năm 2018

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Phạm Đức Anh

Đề tài luận văn: Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ

trong mạng OFDMA/4G

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số SV: CB150229

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày… ………… với các nội dung sau:

………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… …

………

…

Ngày……tháng……năm 2018

Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Phạm Đức Anh

1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và công nghệ, các mạng thông tin di động cũng đang ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ truyền dẫn cũng như chất lượng dịch vụ của khách hàng, đặc biệt là nhu cầu sử dụng các dịch vụ video trực tuyến thời gian thực của khách hàng di động khiến cho các mạng di động thế hệ thứ 3 chưa thể đáp ứng đủ Trước tình hình đó, ITU đã chuẩn hóa chuẩn 4G với các yêu cầu khắt khe trong tiêu chuẩn IMT Advanced nhằm đáp ứng các yêu cầu về dịch vụ và chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao của khách hàng

Đối với bất cứ mạng thông tin di động hay mạng không dây nào, vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ đều rất được quan tâm, bởi phân bổ tài nguyên như thế nào cho thích hợp với các yêu cầu, các loại dịch vụ ngày càng đa dạng của khách hàng là một vấn đề không dễ giải quyết Đặt biệt trong mạng 4G, với những đặc điểm riêng biệt so với các mạng thông tin di động thế hệ trước, đã đặt ra những yêu cầu khác biệt trong quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch

vụ Cũng vì lý do này, em đã chọn lựa đề tài “ Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng OFDMA/4G” cho luận văn tốt nghiệp của mình Trong luận văn này, em đã đi vào nghiên cứu các vấn đề với bố cục đề tài bao gồm

ba phần:

➢ Phần 1: Tổng quan về mạng 4G và OFDMA

➢ Phần 2: Nghiên cứu về tài nguyên vô tuyến và chất lượng dịch vụ

➢ Phần 3: Đánh giá, so sánh kết quả các thuật toán lập lịch phân bổ tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng 4G

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như chuyên môn nên chắc chắn bài luận văn của em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng ghóp quý báu của các thầy cô để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 07 năm 2018

Học viên thực hiện

Phạm Đức Anh

2

LỜI CẢM ƠN

Như chúng ta đã biết tốt nghiệp cao học là một bước đánh dấu mới trong sự nghiệp,

công tác nghiên cứu của mỗi một học viên Để đến được cột mốc quan trọng đó, mỗi chúng ta phải trải qua rất nhiều thử thách đòi hỏi sự cố gắng, kiên trì của bản thân và không thể nói đến sự giúp đỡ tận tình của những người xung quanh chúng ta

Để hoàn thành được luận văn này, ngoài sự cố gắng của cá nhân, em cũng nhận được nhiều sự giúp đỡ, động viên từ gia đình, đồng nghiệp bạn bè và thầy cô

Lời cảm ơn chân thành đầu tiên em xin dành gửi tới thầy giáo hướng dẫn em thực hiện luận văn, PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh, Viện trưởng viện Điện tử viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã luôn tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Mặc dù rất bận rộn nhưng thầy luôn dành thời gian định hướng, ghóp ý, sửa chữa giúp em có được phương pháp nghiên cứu tốt hơn, sắp xếp trình bày luận văn một cách khoa học và trực quan nhất Luận văn tốt nghiệp của em hoàn thành được cũng nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy

Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong Viện đã dạy dỗ, dìu dắt em trong thời gian em học tập tại trường Xin cảm ơn đến bạn bè đồng nghiệp, lãnh đạo tại cơ quan công tác đã tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian học tập và nghiên cứu

Hà Nội, tháng 07 năm 2018

Học viên thực hiện

Phạm Đức Anh

3

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 13

I Giới thiệu mạng 4G 13

II Các yêu cầu và mục tiêu của mạng 4G 13

1 Các yêu cầu hiệu năng hệ thống 13

2 Dung lượng thoại 16

3 Tính di động và vùng phủ ô 16

4 Hiệu năng chế độ quảng bá 17

5 Trễ mặt phẳng người dùng và trễ mặt phẳng điều khiển 17

6 Chi phí triển khai và khả năng phối hợp 19

7 Sự cấp phát phổ và các chế độ song công 19

8 Phối hợp làm việc với các công nghệ truy nhập vô tuyến khác 19

9 Độ phức tạp thiết bị và giá thành 20

10 Các yêu cầu kiến trúc mạng 20

III Các công nghệ của mạng 4G 20

1 Công nghệ đa sóng mang 20

2 Công nghệ đa anten 23

3 Chuyển mạch gói trong giao diện vô tuyến 24

IV Cấu trúc của mạng 4G 25

1 Kiến trúc eNodeB 26

2 Kiến trúc EPC 28

3 Các kênh sử dụng trong mạng 4G 32

4 Một số đặc tính của kênh truyền 33

5 Các kỹ thuật sử dụng trong 4G 35

CHƯƠNG II: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G 49

I Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng 4G 49

1 Khái niệm tài nguyên vô tuyến 49

2 Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến trong 4G 51

II Chất lượng dịch vụ trong mạng 4G 52

1 Khái niệm về chất lượng dịch vụ QoS 52

2 Các tham số của chất lượng dịch vụ QoS trong mạng 4G 53

CHƯƠNG III: CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G 56

I Giới thiệu 56

II Thuật toán Delay Prioritized Scheduling (DPS) 56

1 Mô hình thực hiện thuật toán DPS 56

2 Nghiên cứu đánh giá thuật toán lập lịch DPS 58

4

III Thuật toán Extending Modified Largest Weighted Delay First

(EMLWDF) 69

1 Giới thiệu 69

2 Các tham số liên quan đến thuật toán 71

3 Mô hình hệ thống 73

4 Kết quả mô phỏng 77

5 Hạn chế và hướng phát triển của thuật toán 87

IV Đánh giá so sánh các thuật toán 87

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

5

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Chuyển đổi trạng thái trong kiến trúc E-UTRAN 18

Hình 2 Trễ mặt phẳng U 18

Hình 3 Các công nghệ đa truy nhập 4G nhìn theo miền tần số 21

Hình 4 Các lợi ích cơ bản của đa anten: (a) độ lợi phân tập; (b) độ lợi mạng anten; (c) độ lợi ghép kênh không gian 23

Hình 5 Lập biểu nhanh và thích ứng đường truyền 24

Hình 6 Cấu trúc mạng 4G 25

Hình 7 Kiến trúc eNodeB 26

Hình 8 Kiến trúc eNodeB 28

Hình 9 Nguyên lý của FDMA 35

Hình 10 Nguyên lý đa sóng mang 36

Hình 11 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA 36

Hình 12 Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM 37

Hình 13 Các sóng mang trực giao với nhau 38

Hình 14 Biến đổi FFT 38

Hình 15 Thu phát OFDM 39

Hình 16 Chuỗi bảo vệ GI 39

Hình 17 Trường hợp có GI tác dụng của chuỗi bảo vệ 40

Hình 18 Sóng mang con OFDMA 41

Hình 19 Cấu trúc của một khối tài nguyên 42

Hình 20 Kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA 45

Hình 21 Kỹ thuật MIMO 47

Hình 22 Kỹ thuật MIMO 49

Hình 23 Kiến trúc RRM 51

Hình 24 Sơ đồ thực hiện thuật toán 60

Hình 25 Mô hình các gói video trực tuyến 63

Hình 26 So sánh thông lượng các thuật toán 66

Hình 27 So sánh trễ trung bình hệ thống của các thuật toán 67

Hình 28 So sánh PLR của các thuật toán 68

Hình 29 So sánh độ công bằng các thuật toán 68

Hình 30 Cấu trúc cơ bản của RB 70

Hình 31 Sơ đồ mô phỏng thuật toán 77

Hình 32 Thông lượng của thuê bao với ứng dụng Video 79

Hình 33 Thông lượng của thuê bao với ứng dụng Voip 79

Hình 34 Thông lượng của thuê bao với ứng dụng Http 80

Hình 35 Thông lượng trung bình với Video 82

Hình 36 Thông lượng trung bình với Voip 82

Hình 37 Thông lượng trung bình với Http 83

Hình 38 Độ công bằng của các thuật toán khác nhau 84

Hình 39 Hiệu quả phổ của các thuật toán khác nhau 85

6

Hình 40 So sánh thông lượng của thuê bao với các tần số khác nhau của

EMLWDF với Voip 86 Hình 41 So sánh thông lượng của thuê bao với tốc độ di chuyển khác nhau của EMLWDF với Video 86

7

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Mục tiêu yêu cầu chính cho 4G 14

Bảng 2 Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 41

Bảng 3 QCI của các dịch vụ 55

Bảng 4 Các thông số mô phỏng 57

Bảng 5 Tốc độ dữ liệu với các chuẩn điều chế 58

Bảng 6 Tham số các gói video 62

Bảng 7 Ngưỡng trễ của các dịch vụ 73

Bảng 8 Bảng các tham số trong công thức tính 74

Bảng 9 Các thông số mô phỏng thuật toán 78

8

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ ba

3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Dự án đối tác thế hệ thứ ba số 2

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống mạng di động cải tiến

AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hóa thích ứng ATB Adaptive Transmission Bandwidth Băng thông phát thích ứng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CQI Channel Quality Information Thông tin chất lượng kênh

DTX/DRX Discontinuos Transmission/

Discontinuos Reception

Phát/Thu không liên tục

EDGE Enhanced Data rates for GSM

Evolution

Hệ thống nâng cao tốc độ cho mạng GSM

Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

FDD Frequency Division Duplexing Truyền song công theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần

số

GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập của GSM, EDGE GMLC Gateway Mobile Location Centre Cổng trung tâm định vị di động GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GSM Global System for Mobile

HSPA+ High Speed Packet Access Plus Truy nhập gói tốc độ cao cải tiến

HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao đường

lên ICIC InterCell Interference Coordination Phối hợp nhiễu liên cell

IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers

Viện kĩ thuật điên và điện tử Hoa

Kì

IMT International Mobile

Telecommunications

Viễn thông di động quốc tế

ITU International Telecommunication

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

10

4G

Avanced

Long Term Evolution Advanced Thế hệ sau của 4G

MCS Modulation and Coding Scheme Kỹ thuật điều chế và mã hóa MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

OFDM Orthogonal Frequency Division

Factor

Mã trực giao có độ dài khả biến

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên trung

bình

PCFICH Physical Control Format Indicator

Channel

Kênh vật lí chỉ thị định dạng điều khiển

PCRF Policy Control and charging Rules

Function

Bộ phận chức năng quản lí chính sách và tính cước

PHICH Physical HARQ Indicator Channel Kênh chỉ thị HARQ vật lý

PDCCH Physical Downlink Control Channel Kênh điều khiển vật lí đường

xuống

liệu gói

11

PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ vật lí đường xuống

mạng lõi 4G PHICH Physical Hybrid ARQ Indicator

Channel

Kênh vật lí chỉ thị HARQ

PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh điều khiển đường lên vật lý PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên vật lý

tuyến

RSRP Reference Symbol Received Power Công suất thu của kí hiệu tham

chiếu RSRQ Reference Symbol Received Quality Chất lượng thu của kí hiệu tham

chiếu

SAE System Architecture Evolution Kiến trúc hệ thống cải tiến

SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số đơn sóng mang SCTP Stream Control Transmission

Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn luồng

12

SINR Signal to Interference and Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp

âm

theo thời gian

LTE là từ viết tắt của Long term evolution miêu tả công việc chuẩn hóa của 3GPP

để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông

di động

LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thứ 4 hay còn gọi là 4G

hệ thống này được kỳ vọng có những tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3G trước đó

II Các yêu cầu và mục tiêu của mạng 4G

Việc triển khai mạng 4G đòi hỏi các yêu cầu và mục tiêu như sau:

- Giảm trễ, cả trong thiết lập kết nối và trễ truyền dẫn;

- Tăng tốc độ dữ liệu người sử dụng;

- Tăng tốc độ bit biên ô, cho tính thống nhất của việc cung cấp dịch vụ;

- Giảm chi phí trên bit, tức là cải thiện hiệu quả phổ tần;

- Sử dụng phổ linh hoạt hơn, cả trong những băng tần đã tồn tại và mới;

- Đơn giản hóa kiến trúc mạng;

- Tính di động liền mạch, ngay cả giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau;

- Công suất tiêu thụ hợp lý cho thiết bị đầu cuối

1 Các yêu cầu hiệu năng hệ thống

Việc cải thiện hiệu năng hệ thống so với các hệ thống đang tồn tại là một trong những yêu cầu chính từ các nhà khai thác mạng, để đảm bảo tính cạnh tranh của 4G và

do đó để tăng thị hiếu thị trường Trong phần này chúng ta sẽ nêu bật lên các tham số

Bảng 1 Mục tiêu yêu cầu chính cho 4G

Hiệu suất phổ tần đỉnh > 5 bit/s/Hz 3 bit/s/Hz

Hiệu suất phổ trung

bình trên ô

>1,6 – 2,1 bit/s/Hz/ô

3 – 4 × 0,53 bit/s/Hz/ô

4G: Ghép kênh không gian 2 × 2, Máy thu kết hợp loại bỏ nhiễu (IRC) Tham khảo: HSDPA, máy thu Rake, 2 anten thu

Hiệu suất phổ tại biên ô >0,04 – 0,06

bit/s/Hz/người dùng

2-3 × 0,02 bit/s/Hz

Như trên, giả thiết 10 người dùng trên ô

Hiệu suất phổ quảng bá > 1 bit/s/Hz Không áp

dụng

Sóng mang dành riêng cho chế độ quảng bá

Hiệu suất phổ tần đỉnh > 2,5 bit/s/Hz 2 bit/s/Hz

Hiệu suất phổ trung

bình trên ô

>0,66 – 1,0 bit/s/Hz/ô

2 – 3 × 0,33 bit/s/Hz/ô

4G: phát đơn anten, Máy thu IRC

Tham khảo: HSUPA, máy thu Rake, 2 anten thu

Hiệu suất phổ tại biên ô >0,02 – 0,03

bit/s/Hz/người

2 – 3 × 0,01 bit/s/Hz/

Như trên, giả thiết 10 người dùng trên ô

đầu từ 1,25 MHz) Khả năng VoIP Mục tiêu được ưa chuộng trong NGMN là >60

phiên/MHz/ô

1.1 Tốc độ số liệu đỉnh và hiệu suất phổ đỉnh

4G sẽ hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời tăng đáng kể Tốc độ này được định cỡ tuỳ theo kích thước của phổ được ấn định

4G sẽ đảm bảo tốc độ số liệu đỉnh tức thời đường xuống lên đến 100Mbps và tốc

độ đỉnh đường lên 50Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20Mhz tương ứng với các hiệu suất phổ cực đại tương ứng là 5bit/s/Hz và 2,5bit/s/Hz Băng thông 4G được cấp phát linh hoạt từ 1.4 Mhz lên đến 20 Mhz (Gấp bốn lần băng thông 3G-UMTS)

Lưu ý rằng tốc độ đỉnh có thể phụ thuộc vào số lượng anten phát và anten thu tại

UE Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm: (1) khả năng đường xuống với hai anten tại UE,(2) khả năng đường lên với một anten tại UE Trong trường hợp phổ được dùng chung cho cả đường lên và đường xuống, 4G không phải hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh đường xuống và đường lên nói trên đồng thời

1.2 Hiệu suất phổ trung bình trên ô và thông lượng ô

Hiệu năng tại mức ô là một tiêu chuẩn quan trọng, vì nó liên quan trực tiếp đến số các địa điểm ô mà các nhà khai thác mạng yêu cầu, và do đó liên quan đến chi phí thiết yếu trong việc triển khai hệ thống Với 4G, nó được chọn để ấn định hiệu năng mức ô với các mô hình lưu lượng hàng đợi đầy (tức là giả thiết rằng không bao giờ thiếu dữ liệu để truyền nếu một người dùng có cơ hội truyền) và một tải hệ thống tương đối cao, thường là 10 người trên một ô

Thông lượng đường xuống trong 4G sẽ gấp ba đến bốn lần thông lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một Mhz Cần lưu ý rằng thông lượng

2 Dung lượng thoại

Không giống lưu lượng hàng đợi đầy (như khi tải file xuống) mà đặc trưng là khả năng chịu độ trễ và không yêu cầu một tốc độ bit đảm bảo, lưu lượng thời gian thực như VoIP có các hạn chế chặt về độ trễ Việc thiết lập các yêu cầu khả năng hệ thống cho các dịch vụ như vậy là rất quan trọng, một thử thách đặc biệt trong các hệ thống hoàn toàn dựa trên gói giống như 4G dựa trên lập biểu thích ứng

Yêu cầu khả năng hệ thống được định nghĩa là số người dùng VoIP hài lòng, cho sẵn một mô hình lưu lượng cụ thể và các hạn chế độ trễ Ở đây, một người dùng VoIP được coi là không hài lòng nếu nhiều hơn 2% các gói VoIP không đến thành công tại phía thu vô tuyến trong vòng 50 ms và do đó bị loại bỏ Điều này giả thiết rằng toàn bộ trễ từ đầu đến cuối (từ đầu cuối di động đến đầu cuối di động) dưới 200 ms Dung lượng hệ thống cho VoIP do đó có thể được định nghĩa là số người dùng hiện tại trên ô khi nhiều hơn 95% người sử dụng hài lòng

3 Tính di động và vùng phủ ô

Hiệu năng 4G cần được tối ưu hoá cho người sử dụng di động tại các tốc độ thấp từ

0 đến 15km/h Các người di động tại các tốc độ cao từ 15 đến 120 km/h cần được đảm bảo hiệu năng cao thoả mãn Cũng cần hỗ trợ di động tại các tốc độ từ 120 km/h đến

350 km/h (thậm chí đến 500 km/h phụ thuộc vào băng tần được cấp phát) Việc đảm bảo tốc độ 350km/h cần thiết để duy trì chất lượng dịch vụ chấp nhận được cho các người sử dụng cần được cung cấp dịch vụ trong các hệ thống xe lửa tốc độ cao Trong trường hợp này cần sử dụng các giải pháp và mô hình kênh đặc biệt Khi thiết lập các thông số lớp vật lý, 4G cần có khả năng duy trì kết nối tại tốc độ lên tới 350 km/h thậm chí lên đến 500km/h phụ thuộc băng tần được cấp phát

17

4G phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại các đài trạm UTRAN

và tần số sóng mang hiện có

Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phải đáp ứng các

ô có bán kính 5km và với giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán kính 30km

4 Hiệu năng chế độ quảng bá

MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service: Dịch vụ đa phương quảng bá đa phương tiện) được đưa vào các dịch vụ của 4G Các hệ thống 4G phải đảm bảo hỗ trợ tăng cường cho MBMS 4G phải hỗ trợ các chế độ MBMS tăng cường so với hoạt động của UTRA Đối với trường hợp đơn phương, 4G phải có khả năng đạt được các mục tiêu chất lượng như hệ thống các hệ thống UTRA khi làm việc trên cùng một đài trạm

Hỗ trợ MBMS của 4G cần đảm bảo các yêu cầu sau: Tái sử dụng các phần tử vật lý : để giảm độ phức tạp đầu cuối, sử dụng các phương pháp đa truy nhập, mã hoá, điều chế cơ bản áp dụng cho đơn phương cho các dịch vụ MBMS và cũng sử dụng tập chế

độ băng thông của UE cho các khai thác đơn phương cho MBMS, thoại và MBMS : giải pháp 4G cho MBMS phải cho phép tích hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dành riêng và các dịch vụ MBMS cho người sử dụng: Khai thác MBMS đơn băng : phải hỗ trợ triển khai các sóng mang 4G mang các dịch vụ MBMS trong phổ tần đơn băng

5 Trễ mặt phẳng người dùng và trễ mặt phẳng điều khiển

Cần giảm đáng kể trễ mặt phẳng điều khiển (mặt phẳng C) (chẳng hạn bao gồm trễ chuyển đổi từ trạng thái rỗi sang trạng thái trao đổi số liệu không kể trễ tìm gọi là 100ms)

18

4G phải có thời gian chuyển đổi trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong chế độ rỗi R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Ô_DCH) Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ (như trong R6 Ô_PCH) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Ô_DCH)

Cần đảm bảo trễ trong mặt phẳng U nhỏ hơn 10ms Trễ mặt phẳng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong UE (hoặc nút biên của UTRAN) đến lớp IP trong nút biên của UTRAN (hoặc UE) Nút biên của UTRAN là nút giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩn phải đảm bảo trễ mặt phẳng U của 4G nhỏ hơn 5ms Trong điều kiện không tải (nghĩa là một người sử dụng với một luồng số liệu) đối với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề) Rõ ràng rằng các chế độ

ấn định băng thông của 4G có thể ảnh hưởng đáng kể lên trễ

Mạng lõi

UE

Trễ : ~ 5ms

Trạng thái tích cực (ô_DCH)

Trạng thái ngủ (Ô_PCH)

19

6 Chi phí triển khai và khả năng phối hợp

Bên cạnh các khía cạnh hiệu năng hệ thống, một số các cân nhắc khác cũng rất quan trọng cho nhà khai thác mạng Đó là chi phí triển khai giảm, độ linh hoạt phổ và khả năng phối hợp được nâng cao với các hệ thống kế thừa - các yêu cầu quan trọng để cho phép triển khai mạng 4G trong nhiều viễn cảnh và để tạo điều kiện thuận lợi chuyển dịch sang 4G

7 Sự cấp phát phổ và các chế độ song công

Vì nhu cầu về phổ vô tuyến phù hợp cho thông tin di động tăng, 4G được yêu cầu phải có thể hoạt động trong một dải rộng các băng tần và kích thước các dải phổ được cấp trong cả đường xuống và đường lên 4G có thể sử dụng các dải phổ được cấp kéo dài từ 1,4 đến 20MHz với một sóng mang đơn

Điều này theo đúng trình tự sẽ bao gồm việc triển khai 4G trong phổ tần hiện được chiếm bởi các công nghệ truy nhập vô tuyến cũ hơn - một hoạt động thường được biết đến là sự “canh tác lại dải phổ”

Khả năng hoạt động trong cả phổ tần theo cặp và không theo cặp được yêu cầu, phụ thuộc sự sẵn sàng dải phổ 4G cung cấp hỗ trợ cho FDD, TDD và hoạt động FDD bán song công trong một thiết kế thống nhất, đảm bảo rằng một mức độ tương đồng cao mà tạo điều kiện thuận lợi trong việc thực hiện các thiết bị đầu cuối đa chế độ và chuyển vùng trên toàn thế giới

8 Phối hợp làm việc với các công nghệ truy nhập vô tuyến khác

Sự phối hợp nhịp nhàng với các công nghệ truy nhập vô tuyến khác là rất cần thiết cho tính liên tục của dịch vụ, đặc biệt trong suốt giai đoạn dịch chuyển trong những thời kỳ đầu triển khai 4G với vùng phủ từng phần, trong đó việc chuyển giao tới các hệ thống kế thừa sẽ thường xuyên diễn ra

4G dựa trên một mạng lõi gói được phát triển cho phép khả năng phối hợp với nhiều công nghệ truy nhập khác nhau, cụ thể là các công nghệ 3GPP ban đầu (GSM/EDGE và UTRAN) cũng như các công nghệ không thuộc 3GPP (ví dụ WiFi, CDMA2000 và WiMAX)

Tuy nhiên, tính liên tục của dịch vụ và các thời gian gián đoạn ngắn có thể chỉ được đảm bảo nếu các phép đo của các tín hiệu từ các hệ thống khác và các kỹ thuật chuyển giao nhanh được tích hợp trong thiết kế vô tuyến 4G Trong các phát hành đầu

10 Các yêu cầu kiến trúc mạng

4G được yêu cầu cho phép triển khai ở một mức chi phí hiệu quả bởi một kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến được cải thiện, bao gồm:

- Kiến trúc phẳng bao gồm chỉ một loại node, trạm gốc được biết đến trong 4G là eNodeB;

- Các giao thức hiệu quả cho việc hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch gói;

- Các giao diện mở và hỗ trợ khả năng phối hợp thiết bị của nhiều nhà cung cấp;

- Các kỹ thuật hiệu năng cao cho việc vận hành và bảo dưỡng, bao gồm các chức năng tự tối ưu hóa;

- Hỗ trợ việc triển khai và cấu hình dễ dàng, ví dụ cho các trạm được gọi là trạm gốc tại nhà (hay cũng được biết đến là femto-ô)

III Các công nghệ của mạng 4G

Các yêu cầu được liệt kê ở trên chỉ có thể được thực hiện nhờ các cải thiện trong các công nghệ vô tuyến di động cơ bản Phần này sẽ trình bày khái quát ba công nghệ

cơ bản hình thành nên thiết kế giao diện vô tuyến 4G: Công nghệ đa sóng mang, công nghệ đa anten và ứng dụng chuyển mạch gói vào giao diện vô tuyến

1 Công nghệ đa sóng mang

Cách tiếp cận đa sóng mang cho đa truy nhập trong 4G là lựa chọn thiết kế chính chủ yếu đầu tiên Sau khi thống nhất các đề xuất đầu tiên, các kỹ thuật đã đề cử cho đường xuống là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và đa sóng mang WCDMA, trong khi các kỹ thuật đề cử cho đường lên là đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA), OFDMA và đa sóng mang WCDMA Sự lựa chọn các kỹ thuật đa truy nhập được thực hiện vào tháng 12/2005, với OFDMA được

21

lựa chọn cho đường xuống, và SC-FDMA cho đường lên Cả hai kỹ thuật này đưa miền tần số thành một hướng linh hoạt mới trong hệ thống, như minh họa trong hình dưới

Hình 3 Các công nghệ đa truy nhập 4G nhìn theo miền tần số

OFDMA mở rộng công nghệ đa sóng mang FDMA để cung cấp một kỹ thuật đa truy nhập rất mềm dẻo OFDMA phân chia băng thông sẵn có cho truyền dẫn tín hiệu thành rất nhiều sóng mang con băng hẹp, được sắp xếp trực giao với nhau, hoặc riêng biệt hoặc theo nhóm, có thể mang các luồng thông tin độc lập; trong OFDMA, sự phân chia băng thông sẵn có này được khai thác trong chia sẻ các sóng mang con giữa nhiều người sử dụng

Tính mềm dẻo này có thể được vận dụng theo nhiều cách:

- Các băng thông phổ khác nhau có thể được sử dụng mà không thay đổi các thông

số hệ thống cơ bản hay thiết kế thiết bị

- Các tài nguyên truyền dẫn của băng thông biến đổi có thể được cấp phát cho các người dùng khác nhau và được lập biểu tùy thích trong miền tần số

- Việc dùng lại tần số từng phần và phối hợp nhiễu giữa các ô được tạo điều kiện thuận lợi

Trải nghiệm mở rộng với OFDM đã được tăng lên trong những năm gần đây từ khi triển khai các hệ thống âm thanh số và quảng bá hình ảnh như DAB, DVB và DMB Trải nghiệm này đã làm nổi bật các ưu điểm quan trọng sau của OFDM:

- Tính mạnh mẽ của các kênh vô tuyến phân tán thời gian, nhờ có sự phân chia băng tần rộng để phát tín hiệu thành nhiều sóng mang con băng hẹp, cho phép nhiễu liên ký

22

hiệu bị hạn chế chủ yếu trong một khoảng thời gian bảo vệ tại thời điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu;

- Các máy thu có độ phức tạp thấp, nhờ triển khai sự cân bằng miền tần số;

- Sự kết hợp đơn giản các tín hiệu từ nhiều máy thu trong các mạng quảng bá

Ngược lại thiết kế máy phát cho OFDM lại đắt hơn, vì tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) của một tín hiệu OFDM tương đối cao, dẫn đến cần có một bộ khuếch đại công suất RF gần như tuyến tính Tuy nhiên, hạn chế này không mâu thuẫn với việc sử dụng OFDMA cho truyền dẫn đường xuống, vì việc thực hiện chi phí thấp cho trạm gốc có độ ưu tiên thấp hơn so với cho thiết bị đầu cuối

Tuy nhiên trong đường lên, PAPR cao của OFDM khó có thể chấp nhận được đối với máy phát của đầu cuối di động, vì cần thiết phải dàn xếp giữa công suất đầu ra được yêu cầu cho vùng phủ đầu ra tốt, công suất tiêu thụ và chi phí của bộ khuếch đại công suất SC-FDMA cung cấp một công nghệ đa truy nhập có nhiều tương đồng với OFDMA cụ thể là tính linh hoạt trong miền tần số, và sự phối hợp của băng bảo vệ tại thời điểm bắt đầu mỗi ký hiệu được phát để tạo điều kiện thuận lợi cho sự cân bằng trong miền tần số độ phức tạp thấp tại máy thu Đồng thời, SC-FDMA có PAPR thấp hơn đáng kể Do đó nó giải quyết được phần nào vấn đề khó xử trong việc làm thế nào đường lên có thể tận dụng được các ưu điểm của công nghệ đa sóng mang trong khi tránh được chi phí vượt trội cho máy phát thiết bị đầu cuối di động và giữ lại ở một mức độ hợp lý đặc điểm chung giữa các công nghệ đường lên và xuống

Như được đề cập ở trên, trong suốt những giai đoạn phát triển gần đây của 4G, giải pháp đa truy nhập dựa trên công nghệ đa sóng mang khác cũng đã được cân nhắc tích cực đó là WCDMA đa sóng mang Công nghệ này tận dụng được ưu điểm của việc sử dụng lại công nghệ đang tồn tại từ các hệ thống UMTS đã được thiết lập Tuy nhiên, vì

hệ thống 4G dự định duy trì tính cạnh tranh trong nhiều năm trong tương lai, các lợi ích ban đầu của việc dùng lại công nghệ từ UMTS trở lên ít thuận lợi hơn trong tương lai xa; tiếp tục theo đuổi công nghệ cũ có thể sẽ làm lỡ mất cơ hội nắm lấy các tiềm năng mới và tận dụng từ OFDM tính linh hoạt, độ phức tạp máy thu thấp và hiệu năng cao trong các kênh phân tán thời gian

23

2 Công nghệ đa anten

Việc sử dụng công nghệ đa anten cho phép sự khai thác miền không gian như một chiều mới Công nghệ này trở lên cần thiết trong việc tìm kiếm các hiệu năng phổ cao hơn Với việc sử dụng nhiều anten, hiệu năng phổ có thể đạt được về mặt lý thuyết tỷ

lệ tuyến tính số nhỏ nhất trong số các anten phát và thu được triển khai, ít nhất là trong các môi trường truyền dẫn vô tuyến thích hợp

Công nghệ đa anten mở ra cánh cửa dẫn tới rất nhiều các tính năng ưu việt, nhưng không phải tất cả đều dễ dàng thực hiện được các hứa hẹn về mặt lý thuyết khi chúng được thực hiện trong các hệ thống thực tế Đa anten có thể được sử dụng theo nhiều cách, chủ yếu dựa trên ba nguyên tắc cơ bản, như được minh họa trong hình dưới

- Độ lợi phân tập Việc sử dụng phân tập không gian được cung cấp bởi đa anten để cải thiện tính mạnh mẽ của truyền dẫn chống lại fading đa đường

- Độ lợi mạng anten Sự tập trung của năng lượng vào một hoặc nhiều hướng cho sẵn hơn thông qua tiền mã hóa hay beamforming Công nghệ này cũng cho phép nhiều người sử dụng được định vị theo các hướng khác nhau để được phục vụ đồng thời (được gọi là MIMO nhiều người dùng)

- Độ lợi ghép kênh theo không gian Việc truyền dẫn nhiều luồng tín hiệu tới một người sử dụng trên nhiều lớp không gian được tạo ra bởi các kết hợp của nhiều anten sẵn có

Hình 4 Các lợi ích cơ bản của đa anten: (a) độ lợi phân tập; (b) độ lợi mạng anten;

(c) độ lợi ghép kênh không gian

Do đó một phần lớn thời gian trong giai đoạn nghiên cứu 4G được dành riêng cho việc lựa chọn và thiết kế rất nhiều các tính năng đa anten trong 4G Hệ thống cuối

24

cùng bao gồm vài lựa chọn bổ sung cho phép tính thích ứng theo triển khai và các điều kiện lan truyền của những người dùng khác nhau

3 Chuyển mạch gói trong giao diện vô tuyến

Như vừa được lưu ý bên trên, 4G đã được thiết kế hoàn toàn là một hệ thống đa dịch vụ theo gói, mà không cần dựa vào các giao thức hướng kết nối chuyển mạch kênh thông dụng trong các hệ thống tiền nhiệm của nó Trong 4G, triết lý này được áp dụng xuyên suốt tất cả các lớp trong chồng giao thức

Cấp phát tài nguyên chuyển mạch kênhLập biểu thích ứng gói nhanh

Kênh vô tuyến fading

Thời gian

Hình 5 Lập biểu nhanh và thích ứng đường truyền

Lộ trình hướng tới lập biểu gói nhanh trên giao diện vô tuyến đã được mở ra bởi HSDPA, cho phép truyền các gói ngắn có khoảng thời gian cùng yêu cầu về độ lớn như thời gian nhất quán của kênh fading nhanh, được chỉ ra trong hình trên Điều này đòi hỏi một sự tối ưu chung của cấu hình lớp vật lý và quản lý tài nguyên được thực hiện bởi các giao thức lớp liên kết theo các điều kiện lan truyền phổ biến Lĩnh vực này của HSDPA liên quan đến sự móc nối chặt giữa hai lớp thấp hơn trong chồng giao thức - lớp MAC (lớp truy nhập môi trường) và lớp vật lý Trong HSDPA, sự móc nối này đã bao gồm các đặc tính như hồi tiếp trạng thái kênh nhanh, thích ứng đường truyền động, lập biểu khai thác phân tập đa người dùng, và các giao thức phát lại nhanh

Trong 4G, để cải thiện độ trễ hệ thống, khoảng thời gian của một gói giảm hơn nữa

từ 2ms được sử dụng trong HSDPA xuống chỉ còn khoảng 1ms Khoảng thời gian

25

truyền ngắn này cùng với các chiều mới là tần số và không gian, đã mở rộng hơn phạm

vi của các kỹ thuật chéo giữa các lớp để bao gồm các kỹ thuật sau trong 4G:

- Lập biểu thích ứng theo cả hai chiều tần số và không gian;

- Thích ứng của cấu hình MIMO bao gồm việc lựa chọn số lớp không gian được phát đồng thời;

- Thích ứng đường truyền trong điều chế và tốc độ mã hóa, bao gồm số các từ mã được phát;

- Các chế độ của báo cáo trạng thái kênh nhanh

Các mức tối ưu khác nhau này được kết hợp với báo hiệu điều khiển phức tạp, vấn

đề này đã được chứng minh là một trong những thử thách đáng kể trong việc chuyển khái niệm 4G thành một hệ thống thực tế

IV Cấu trúc của mạng 4G

Hình 6 Cấu trúc mạng 4G

26

1 Kiến trúc eNodeB

Kiến trúc eNodeB được thiết kế trên cơ sở phần cứng và phần mềm Phần cứng bao gồm 4 phần chính: đơn vị vô tuyến (RFU: Radio Frequency Units), đơn vị băng gốc (BBU: Baseband Unit), phần điều khiển và truyền dẫn như hình dưới

Hình 7 Kiến trúc eNodeB

Kiến trúc phần mềm eNodeB được thể hiện hình dưới:

Cấu trúc tổng quát phần cứng của một eNodeB được cho trên hình dưới:

27

- Cấu trúc phần vô tuyến phát

- Cấu trúc phần vô tuyến thu

- Thực thể quản lý di động MME

- Các Gateway: Gateway phục vụ SGW và Gateway mạng chuyển mạch gói dữ liệu PGW

- Thành phần chức năng tính cước và chính sách PCRF

29

- Server lưu dữ liệu về các thuê bao HSS

Ngoài các thành phần chính được nêu trên, khi thực hiện giao tiếp với các mạng truy nhập khác, EPC cần có thêm các thành phần khác như 3GPP AAA Server cho các mạng truy nhập không thuộc 3GPP, ePGW cho các mạng truy nhập không tin cậy và Access GW cho các mạng tin cậy không thuộc 3GPP

a MME (Mobility Management Entity)

MME là nút chính để điều khiển mạng truy nhập 4G Nó thực hiện lựa chọn SGW cho một UE trong suốt quá trình khởi tạo kết nối cũng như trong quá trình chuyển giao giữa các mạng 4G nếu cần Nó chịu trách nhiệm thực hiện các thủ tục thông báo và chuyển giao đối với các UE trong chế độ rỗi và các thủ tục kích hoạt cũng như ngừng kích hoạt các bearer với tư cách đại diện cho UE MME còn tương tác với HSS để thực hiện nhận thực người dùng MME cũng đảm bảo UE được cấp phép sử dụng một PLMN của nhà vận hành và thực thi các hạn chế roaming mà UE có thể có Đồng thời, MME cũng cung cấp các chức năng điều khiển di động giữa 4G và các mạng truy nhập 2G/3G

Trong quá trình chuyển giao, nếu MME thay đổi thì nó sẽ thực hiện chức năng lựa chọn MME khác dựa vào mô hình của mạng Nếu một số MME phục vụ cùng một vùng nào đó thì thủ tục lựa chọn sẽ dựa trên một số tiêu chuẩn khác như lựa chọn một MME sao cho giảm khả năng phải thay đổi nó về sau hoặc dựa vào nhu cầu cân bằng tải trong mạng

Ngoài ra, MME còn thực hiện báo hiệu NAS Đồng thời, MME cũng hoạt động như điểm đầu cuối trong mạng với mục đích bảo mật cho báo hiệu NAS, xử lý mật mã

và quản lý các khóa bảo mật

b Các Gatway trong EPC

EPC có hai Gateway có thể được thực thi tại cùng một nút hoặc tại các nút vật lý riêng biệt bao gồm:

- SGW: Là gateway kết thúc giao diện tới E-UTRAN và ứng với mỗi UE được kết nối với EPS, tại một thời điểm chỉ có một SGW

- PGW: Là gateway kết thúc giao diện tới PDN Nếu một UE đang truy nhập nhiều PDN thì có thể có nhiều P-GW cho UE này

➢ SGW:

30

SGW thực hiện một vài chức năng đối với các kiến trúc mạng dựa trên giao thức GTP và PMIP SGW có giao diện với mạng E-UTRAN Mỗi UE khi kết nối đến EPS đều được gắn với một SGW Đối với cùng một MME, SGW sẽ được lựa chọn cho UE dựa vào topo của mạng và vị trí của UE theo một số tiêu chuẩn như chọn SGW sao cho giảm khả năng phải thay đổi SGW về sau và yêu cầu cân bằng tải giữa các SGW Mỗi khi một UE được gắn với SGW, nó sẽ xử lý chuyển tiếp các gói dữ liệu của người dùng và cũng hoạt động như một điểm anchor cục bộ khi được yêu cầu cho chuyển giao giữa các eNodeB Trong suốt quá trình chuyển giao từ 4G đến các mạng truy nhập khác thuộc 3GPP, SGW sẽ cung cấp một kết nối để chuyển lưu lượng người dùng từ các hệ thống mạng 2G/3G và PGW

Khi một UE ở trong chế độ IDLE, SGW sẽ kết thúc đường xuống đối với dữ liệu Nếu các gói mới đến, SGW kích hoạt thủ tục thông báo đến UE Khi đó, SGW quản lý

và lưu trữ thông tin liên quan đến UE như các thông số của một bearer hoặc thông tin định tuyến trong mạng

Cần lưu ý rằng SGW và MME có thể được thực hiện trên cùng một hoặc một vài nút vật lý

➢ PGW:

- PGW cung cấp các kết nối cho UE đến các PDN bên ngoài với chức năng như điểm vào và ra đối với lưu lượng dữ liệu UE Một UE có thể được kết nối tới một hoặc nhiều PGW nếu nó cần phải truy nhập đến một hoặc nhiều PDN PGW cũng cấp phát địa chỉ IP cho UE Các chức năng này của PGW được áp dụng cho kiến trúc EPC khi

sử dụng giao thức GTP và PMIP

- Với vai trò là một GW, PGW có thể thực hiện kiểm tra các gói DPI, lọc gói đối với lưu lượng của từng đầu cuối Đồng thời, nó cũng thực hiện điều khiển mở cổng mức dịch vụ và thực thi các chính sách về tốc độ và sắp xếp các gói Đối với các yêu cầu về QoS, PGW cũng đánh dấu các gói đường lên và xuống bằng điểm mã phân biệt dịch

vụ DCP

- Ngoài ra, PGW cũng hoạt động như một điểm anchor để quản lý di động giữa các mạng truy nhập thuộc 3GPP và không thuộc 3GPP như WiMax và CDMA/HRPD

c PCRF

31

- PCRF là thành phần điều khiển tính cước và chính sách của kiến trúc SAE, bao gồm các quyết định điều khiển chính sách và các chức năng điều khiển tính cước dựa vào luồng dữ liệu Điều đó có nghĩa là nó cung cấp các điều khiển dựa trên mạng liên quan đến phát hiện luồng dữ liệu dịch vụ SDF, mở cổng, QoS và tính cước theo luồng đến chức năng thực thi tính cước và chính sách PCEF Tuy nhiên, PCRF không chịu trách nhiệm về quản lý tín dụng

- PCRF nhận các thông tin về dịch vụ từ chức năng ứng dụng AF và quyết định phương pháp mà PCEF xử lý đối với luồng dữ liệu của một dịch vụ xác định PCRF cũng đảm bảo ánh xạ lưu lượng miền người dùng và phương pháp xử lý tương ứng với profile của thuê bao

- Thông tin profile của người dùng bao gồm trạng thái thuê bao dịch vụ và thông tin

về QoS cho thuê bao (như thông tin về tốc độ bit cho phép hoặc lớp lưu lượng được cho phép)

Phần AuC của HSS chịu trách nhiệm tạo ra các thông tin bảo mật từ các khóa nhận dạng người dùng Các thông tin này được cung cấp đến HLR và các thực thể khác trong mạng Thông tin bảo mật chủ yếu được sử dụng cho:

- Nhận thực chung cho mạng và người dùng

- Bảo vệ sự tích hợp và mật mã của đường truyền vô tuyến để đảm bảo các dữ liệu

và thông tin báo hiệu được truyền giữa mạng và đầu cuối không bị thay đổi hoặc mất Ngoài các thực thể nêu trên, EPC còn có các thực thể khác hỗ trợ cho sự tương tác với các mạng truy nhập khác thuộc 3GPP và không thuộc 3GPP như 3GPP AAA Server, Access GW, ePDG và ANSDF

32

3 Các kênh sử dụng trong mạng 4G

3.1 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 dữ liệu

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

3.2 Kênh logic

Được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:

- 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 vì mạng không thể biết được vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế cần phát các bản tin tìm 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

33

3.3 Kênh truyền tải

Bao gồm các kênh sau

- 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 4G Nó hỗ trợ các chức năng của 4G 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

4 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 tần Doppler đối với tín hiệu OFDM, nhiễu MAI, và cách khắc phục nhiễu MAI

4.1 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 giữa tín 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 4G, sử dụng kỹ thuật OFDM đã tránh được nhiễu xuyên ký tự ISI

34

4.2 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

4.3 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

4.4 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng

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 1/2

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

4.5 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 :

Δf = (2.1)

Trong đó Δf là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát, v là vận tốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng Đối với 4G, để khắc phục hiện tượng dịch tần Doppler, người ta chọn khoảng cách giữa các sóng mang đủ lớn (Δf = 15 Khz)

4.6 Nhiễu MAI đối với 4G

Đối với 4G, ở đường lên sử dụng kỹ thuật SC-FDMA, nó cũng nhạy cảm với dịch tần Các user khác nhau luôn có dịch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency

5 Các kỹ thuật sử dụng trong 4G

4G 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

5.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA

Truyền đơn sóng mang

Hình 9 Nguyên lý của FDMA

36

Hình 10 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 11 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA

37

Hình 12 Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM

4G 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-SymbolInterference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất 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