Nghiên cứu công nghệ 4g LTE và triển khai ứng dụng thực tế tại công ty mobifone việt nam

Mục đích của LTE là cung cấp công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng di động 100Mb/giây với độ trễ truyền tải thấp, đồng thời hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho lưu lượng dữ liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



TR ẦN NGỌC TRUNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ 4G-LTE VÀ TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG

TH ỰC TẾ TẠI CÔNG TY MOBIFONE VIỆT NAM

CHUYÊN NGHÀNH K Ỹ THUẬT VIỄN THÔNG

LU ẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGUYỄN HOÀNG DŨNG

Hà Nội Năm 2018

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 4

1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin di động 4G LTE 4

1.1.1 Mục tiêu của mạng 4G LTE 4

1.2 Cấu trúc mạng 4G LTE 7

1.2.1 Cấu trúc các phần tử mạng 4G LTE 7

1.2.2 Mạng lõi 9

1.3 Các kỹ thuật chính được sử dụng trong mạng LTE 10

1.3.1 Kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong LTE 11

1.3.2 Kỹ thuật đa anten MIMO 21

1.3.3 Mã hóa Turbo 24

1.3.4 Thích ứng đường truyền 24

1.3.5 Lập biểu hay lập lịch (Scheduling) phụ thuộc kênh 25

1.3.6 HARQ với kết hợp mềm 25

1.4 Công nghệ thông tin di động LTE Advanaced 26

1.4.1 Tổng quan về LTE Advanced 26

1.4.2 Công nghệ ghép nhiều tần số sóng mang 27

1.4.3 Công nghệ MIMO bậc cao 28

1.4.4 Trạm phát lặp 28

1.4.5 Tính năng phối hợp hoạt động đa điểm 29

1.5 Kết luận chương 30

CHƯƠNG 2 DỊCH VỤ VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG 4G LTE 31

2.1 Dịch vụ trong mạng 4G LTE 31

2.1.1 Các loại dịch vụ cung cấp 31

2.1.2 Một số loại dịch vụ điển hình cho 4G LTE 32

2.1.3 Các yêu cầu về dịch vụ trên mạng 4G LTE cần tuân theo các đặc tính sau 35 2.1.4 Các kiến trúc dịch vụ trong mạng di động 4G LTE phải tuân theo các tính chất sau: 36

2.1.5 Xu hướng dịch vụ trong mạng 4G LTE 37

2.2 Chất lượng dịch vụ QoS trong mạng 4G-LTE 38

2.2.1 Khái niệm QoS 38

2.2.2 Kiến trúc QoS 42

2.2.3 Các tham số QoS trong mạng di động thế hệ sau 43

2.2.4 Thách thức về chất lượng dịch vụ trong mạng di động 4G LTE 45

2.2.5 Bảo mật và dịch vụ 46

2.3 Kết luận chương 48

CHƯƠNG 3 CÁC GIẢI PHÁP VÀ KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỰC TẾ LTE TRÊN MẠNG MOBIFONE 49

3.1 Tổng quan về mạng 2G và 3G hiện tại của Mobifone 49

3.1.1 Hiện trạng mạng lưới 2G trên mạng Mobifone 49

3.1.2 Hiện trạng mạng lưới 3G 50

3.1.3 Các phần tử mạng bổ sung để triển khai mạng LTE 52

3.2 Giải pháp triển khai LTE trên mạng Mobifone 52

3.2.1 Giải pháp triển khai LTE trên băng tần 1800 (LTE 1800) 52

3.2.2 Phương án chuyển lưu lượng 2G và tái quy hoạch tần số 2G 1800 53

3.3 Kết quả triển khai thử nghiệm thực tế công nghệ LTE trên mạng Mobifone 55

3.3.1 Thiết bị đo 55

3.3.2 Kết quả đo RSRP (Chế độ Idle Mode) 56

3.3.3 Kết quả SINR (Idle) 57

3.3.4 Download throughput 58

3.3.5 Các chỉ tiêu DrivingTest KPI 59

3.4 Kết luận chương 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH SÁCH B ẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Các đặc điểm chính của công nghệ LTE 4

Bảng 1-2: Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 19

Bảng 2-1: Các tham số QoS trong mạng di động 4G-LTE 44

Bảng 3-1: Quy hoạch tần số LTE 1800 và GSM 1800 53

Bảng 3-2: Quy hoạch tần số GSM hiện tại trước Refarming 54

Bảng 3-3: Bảng phân bố tần số 1800 MHz sau Refarming 55

Bảng 3-4: Bảng màu thể hiện RSCP 56

Bảng 3-5: Bảng kết quả đo RSCP 56

Bảng 3-6: Bảng màu thể hiện SINR 57

Bảng 3-7: Kết quả SINR 57

Bảng 3-8: Bảng màu thể hiện Download Throughput 58

Bảng 3-9: Kết quả Download throughput 58

Bảng 3-10: Bảng KPI Drivingtest LTE 59

Bảng 3-11: Thống kê kết quả đo kiểm 4G của Mobifone tại Hà Nội 60

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN 8

Hình 1-2: Cấu trúc EPS 8

Hình 1-3: Các thành phần trong mạng EPS 9

Hình 1-4: So sánh phổ tần của OFDM với FDM 11

Hình 1-5: Các sóng mang trực giao với nhau 12

Hình 1-6: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu băng gốc OFDM 15

Hình 1-7: Sơ đồ biến đổi thu phát OFDM 16

Hình 1-8: Biến đổi FFT 17

Hình 1-9: Khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM 18

Hình 1-10:OFDM và OFDMA 19

Hình 1-11: Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền đường lên 21

Hình 1-12: Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 22

Hình 1-13:Ghép kênh không gian 23

Hình 1-14: Điều chế thích nghi 25

Hình 1-15: Công nghệ ghép đa sóng mang Carrier Aggregation [4] 27

Hình 1-16: Carrier Aggregation với các trường hợp sóng mang khác nhau [4] 28

Hình 1-17: Sơ đồ các trạm relay node trong LTE Advanced [8] 29

Hình 1-18: Tính năng Coordinated Multi Point operation trong LTE-A [7] 29

Hình 2-1: Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lượng mạng 40

Hình 2-2: Mối liên hệ giữa các khái niệm QoS theo ETSI 42

Hình 3-1: Cấu trúc mạng GSM/GPRS/EDGE của Mobifone [1] 49

Hình 3-2: Phân bổ thiết bị 2G Mobifone 50

Hình 3-3: Cấu trúc mạng 3G, 3.5G của Mobifone [1] 51

Hình 3-4: Phân bổ thiết bị 3G của Mobifone 52

Hình 3-5: Xu hướng quy hoạch băng tần cho các công nghệ trên thế giới [1] 52

Hình 3-6: Thực hiện Refarming tần số GSM 1800 phục vụ LTE 53

Hình 3-7: Dải tần GSM 1800 của Mobifone 54

Hình 3-8: Quy hoạch tần số 1800 MHz sau khi Refarming 55

Hình 3-9: RSRP (chế độ Idle) 56

Hình 3-10: SINR (chế độ Idle) 57

DANH SÁCH T Ừ VIẾT TẮT

2G 2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM) 3G

3G 3rd Generation of Mobile Telephone Systems (UMTS) 3GPP

3GPP 3rd Generation Partnership Project

4G 4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE)

AAA Authorization, Authentication, Accounting

AMPS Advanced Mobile Phone System

ARPU Average Revenue Per User

ATCA Advanced Telecommunications Computing Architecture

BCCH Broadcast Control Channel

BCH Broadcast Channel

BER Bit Error Ratio

CCCH Common Control Channel

CDMA Code Division Multiple Access

CDMA2000 Code Division Multiple Access (3G standard competing to

WCDMA and mainly used in US and parts of Asia and Africa)

CP Content Provider

D-AMPS Digital Advanced Mobile Phone Service

DCCA Diameter Credit Control Application DPI

DCCH Dedicated Control Channel

DC-HSDPA Dual Carrier or Dual Cell High-Speed Downlink Packet Access

DC-HSUPA Dual Carrier or Dual Cell High-Speed Uplink link Packet

A

DL-SCH Downlink Shared Channel

DPI Deep Packet Inspection

DTCH Dedicated Traffic Channel

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

EMM EPS Mobility Management

eNodeB Base Station in LTE EPC

EPC Evolved Packet Core eUTRAN

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 khoa học của Tiến sỹ Nguyễn Hoàng Dũng

Để hoàn thành đồ án, tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu tham khảo nào khác mà không được ghi Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án không giống hoàn toàn với công trình hay thiết kế tốt nghiệp đã có trước đây

Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2018

Tác giả luận văn

Trần Ngọc Trung

L ỜI NÓI ĐẦU

Thế giới có sự phát triển vượt bậc về lĩnh vực viễn thông trong ba thập kỷ vừa qua

từ hệ thống thông tin di động thứ nhất đến hệ thống thông tin di động thứ 3 và đang phát triển mạnh mẽ hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) có cấu trúc đơn giản hoạt động trên nền tảng IP với băng thông rộng tốc độ cao Tính đến nay công nghệ LTE phát triển nhanh hơn bất kỳ hệ thống di động nào Theo báo cáo của tổ chức GSA tính đến tháng 11/8 2016 đã có 521 nhà mạng thuộc 170 quốc gia đã thương mại hóa mạng 4G với số thuê bao ước tính 1453 tỷ thuê bao chiếm 20 % số lượng thuê bao di động toàn cầu [6]

Công nghệ LTE đang là công nghệ mới phổ biến nhất được thương mại hóa trên

thế giới Hiện nay, 4G LTE đang phát triển rất nhanh trên thế giới Với ưu thế vượt bậc

về khả năng cung cấp các dịch vụ truy nhập tốc độ cao, cùng với xu hướng dần phổ

cập các thiết bị đầu cuối, mạng 4G LTE được coi là xu hướng phát triển chủ đạo của

viễn thông thế giới trong thời gian tới Bản thân người viết cũng công tác tại Tổng công ty Mobifone nên càng nhận thức được tầm quan trọng của công nghệ LTE

Vì vậy người viết đã chọn đề tài : “Nghiên cứu tổng quan công nghệ 4G - LTE Ứng dụng thực tế triển khai tại mobifone Việt Nam”Trong quá trình thực hiện đề tài người viết đã cố gắng nghiên cứu cũng như sử dụng các kết quả đo đạc thực tế, tuy nhiên do một số nguyên nhân khách quan nên luận văn cũng không tránh khỏi có

những thiếu sót Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS Nguyễn Hoàng Dũng đã trực tiếp hướng dẫn và góp ý chỉnh sửa để người viết có thể hoàn thành luận văn này

Học viên

TÓM T ẮT LUẬN VĂN

Công nghệ LTE là công nghệ mới và phổ biến nhất được thương mại hóa trên thế

giới và đang được triển khai thử nghiệm tại Việt Nam Công nghệ LTE đáp ứng được nhu cầu sử dụng internet tốc độ cao mà các công nghệ khác hiện tại không thể đạt được Việc nắm vững được các công nghệ trong LTE sẽ giúp các kỹ sư viễn Việt Nam làm chủ công nghệ viễn thông hiện tại để có thể triển khai và tối ưu mạng LTE hiệu

quả tại Việt Nam Bộ Thông tin và Truyền thông đã có những nghiên cứu, chuẩn bị để xây dựng kế hoạch triển khai Thời điểm hiện nay được coi là thời cơ chín muồi để đẩy

mạnh phát triển 4G tại Việt Nam Tuy nhiên, vẫn còn những khó khăn, thách thức đặt

ra trong khi triển khai 4G ở Việt Nam bao gồm: Điều kiện hạ tầng viễn thông và tài nguyên tần số, chính sách phân bổ tài nguyên tần số cho phù hợp và thị trường thiết bị đầu cuối [3] Vì vậy, việc đưa ra một lộ trình với các chiến lược phù hợp trong quá trình triển khai 4G là bài toán chung cho các doanh nghiệp viễn thông Việt Nam nói chung và Công ty Mobifone nói riêng Luận văn nghiên cứu về vấn đề “Nghiên cứu

tổng quan công nghệ 4G - LTE Ứng dụng thực tế triển khai tại Mobifone ” Luận văn

gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G LTE

Chương 2: Dịch vụ và chất lượng dịch vụ trong mạng di động 4G LTE

Chương 3: Các giải pháp và kết quả triển khai thử nghiệm công nghệ LTE trên

mạng Mobifone

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

LTE

Mặc dù các dịch vụ mạng 3G, 3,5G đang được sử dụng rộng rãi và ngày một phổ

biến Nhưng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng, việc phát triển thông tin di động lên 4G (tiền 4G) là xu thế tất yếu Trong đó LTE thu hút sự quan tâm rộng rãi bởi vì LTE được xem như hệ thống tiến hóa cho các công nghệ di động dựa trên

nền tảng GSM (GSM, GPRS/EDGE, HSPA) Mục đích của LTE là cung cấp công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng di động (100Mb/giây) với độ trễ truyền tải thấp, đồng thời hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho lưu lượng dữ liệu với GPRS/HSPA nhằm giải quyết các vấn đề tồn tại trong hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G) giúp hỗ trợ các dịch vụ ngày càng đa dạng hơn từ tín hiệu thoại chất lượng cao đến tín hiệu video độ phân giải cao, các kênh vô tuyến có tốc độ dữ liệu cao

1.1 Gi ới thiệu về hệ thống thông tin di động 4G LTE

1.1.1 M ục tiêu của mạng 4G LTE

Việc nghiên cứu chuyển hướng sang hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)

nhằm giải quyết các vấn đề tồn tại trong hệ thống 3G đó là cung cấp các loại hình dịch

vụ ngày càng đa dạng hơn, từ tín hiệu thoại chất lượng cao đến video độ phân giải cao, các kênh vô tuyến có tốc độ dữ liệu cao 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn

giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối LTE bắt đầu được tiêu chuẩn hóa kể từ phiên bản 3GPP Release 8, cho đến hiện tại 3GPP đã ban hành đến phiên bản 3GPP Release 11 Kể từ Release 10, LTE được gọi là LTE Advanced

Song công FDD, TDD, bán song công FDD

Đa truy nhập Đường xuống OFDMA

Đường lên SC-FDMA

MIMO Đường xuống 2*2; 4*2; 4*4

Mã hóa kênh Mã tubo

Các công nghệ khác Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng; điều

khiểncông suất ; ICIC và ARQ hỗn hợp

Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ

liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưulượng chuyển

mạch gói cùng với tính di động linh hoạt , chất lượng của dịch vụ , thời gian trễ tối thiểu

Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữ

liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO ( multiple input multiple output ) trong vòng 20MHZ băng thông MIMO cho đường lên là không được

sử dụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s trong 20MHZ băng thông Ngoài viêc cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh hệ thống LTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao hơn từ 2 đến 4 lần của hệ thống HSPA phiên bản

6

D ải tần co giãn được: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ

1.4 MHz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng

chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng

Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối

di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm đi một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào ,chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần

Gi ảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển:Giảm

thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển : Giảm thời gian để một thiết

bị đầu cuối ( UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng,

và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (ô) hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game …,vì cần thời gian thực Giao

diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ dưới 10ms cho việc truyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE

S ẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả sẽ dựa trên IP Một trong những tính

năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP Trong 3GPP Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các mạng cố định EPC dựa trên các giao

thức TCP/IP – giống như phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông không dây và cố định khác.VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại

Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về lưu

lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động Phạm vi lên đến 30km thì có một sự

giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng dung lượng hơn 200 người/ô (băng thông 5MHz)

Ki ến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời: Tuy nhiên mạng

LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điều này hết

sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ

cơ sở hạ tầng mạng đã có

OFDMA ,SC- FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE: Hệ thống này hỗ trợ

băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & SC-FDMA Ngoài ra còn có

song công phân chia tần số FDD và song công phân chia thời gian TDD Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho các người sử dụng với chi phí thấp không

giống như FDD, trong hoạt động bán song công FDD thì một UE không cần thiết truyền & nhận đồng thời Điều này tránh việc phải đầu tư một bộ song công đắt tiền trong UE Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủ sóng đường lên do tỉ số công suất đỉnh-trung bình thấp ( PARR) liên quan tới OFDMA

Gi ảm chi phí: Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí trong

khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ.Các vấn đề đường truyền,hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí,chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp,các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng

Cùng t ồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải cùng tồn tại

và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác.Người sử dụng LTE sẽ có

thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE Hơn

thế nữa, LTE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh

1.2 C ấu trúc mạng 4G LTE

1.2.1 C ấu trúc các phần tử mạng 4G LTE

Cấu trúc mạng LTE được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với khả năng di động trong suốt, quản lý chất lượng dịch vụ và thời gian trễ truyền tối thiểu Cách tiếp cận này cho phép hỗ trợ tất cả các loại dịch vụ bao gồm cả thoại qua kết nối truyền tải gói dữ liệu

Kết quả dẫn đến cấu trúc mạng được đơn giản hóa chỉ bao gồm hai node mạng là eNodeB và cổng/phần tử quản lý mạng MME/GW Điều này tương phản với cấu trúc

gồm nhiều loại node mạng trong cấu trúc mạng phân lớp của hệ thống 3G

Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 1-1 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 Mục tiêu chính của LTE là tối thiểu hóa số Node Vì vậy, người ta đã quyết định rằng các RNC nên được gỡ bỏ và chức năng của chúng được chuyển một phần sang các trạm cơ

sở và một phần sang nút Gateway của mạng lõi Để phân biệt với các trạm cơ sở UMTS, các trạm cơ sở của LTE được gọi là Enhanced NodeB (eNodeB) Bởi vì không còn phần tử điều khiển ở trung tâm trong mạng vô tuyến nữa nên giờ đây các trạm cơ

sở thực hiện chức năng quản lý dữ liệu truyền tải một cách độc lập và đảm bảo chất lượng dịch vụ Tuy nhiên các RNC vẫn điều khiển các kênh truyền tải dành cho dịch

vụ thoại chuyển kênh

Hình trên mô tả cấu trúc EPS EPS dùng khái niệm “EPS bearers” tạm dịch là thông báo EPS để định tuyến IP từ Gateway trong PDN đến UE Một thông báo là một gói IP được gọi là QoS (Quality of Service) giữa Gateway và UE

gọi VoIP, vừa duyệt Web hoặc download FTP (File Transfer Protocol) Một thông báo VoIP sẽ cung cấp QoS cần thiết cho cuộc gọi thoại trong khi một thông báo best-effort

sẽ thích hợp cho duyệt Web hoặc phiên FTP Hình 1-3 mô tả một cấu trúc mạng EPS bao gồm nhiều thành phần mạng và các giao diện chuẩn Ở tầng cao, mạng gồm có Core Network CN (EPC) và mạng truy cập E-UTRAN Trong khi CN bao gồm những nút vật lí thì mạng truy cập chỉ có một nút duy nhất đó là eNodeB(evolved NodeB

phần tử kết nối đến các UE Mỗi phần tử sẽ kết nối với các phần tử khác thông qua

những giao diện chuẩn cho phép tương kết

1.2.2 M ạng lõi

Mạng lõi CN(được gọi là EPC trong SAE) đáp ứng cho việc điều khiển UE và thiết lập các thông báo Các Node chính của mạng lõi LTE:

• PDN Gateway (P-GW): Là node kết thúc giao diện SGi về phía PDN Nếu có

1 UE truy cập vào nhiều PDN, nó có thể cung cấp 1 hay nhiều hơn PDN phục

vụ UE PDN bao gồm các chức năng: thực thi chính sách, tính phí hỗ trợ, vận chuyển các gói trên downlink hay uplink, cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập, cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP, Phân loại các gói, có chức năng

như DHCP (giao thức cấu hình động máy chủ )trong 3G

• Serving Gateway (S-GW): Là node kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập

vô tuyến EUTRAN Serving Gateway có những chức năng bao gồm: Hỗ trợ chuyển giao từ eNodeB sang eNodeB khác trong quá trình thiết bị di động di chuyển, kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP (chấm dứt sự truy nhập vô tuyến bởi giao diện S4 và tiếp nhận kênh truyền tải từ mạng 2G, 3G và PDN Gateway), cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở

chế độ nhàn rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu

cầu dịch vụ, đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink, tính toán chi phí của người dùng, cho phép cấp quyền truy nhập, định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói, hỗ trợ việc tính cước

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

• eNodeB: có cùng chức năng như NodeB và có hầu hết chức năng RNC của WCDMA/HSPA Với những chức năng như: Thực hiện quyết định lập biểu cho

cả đường lên và đường xuống, quyết định chuyển giao, chịu trách nhiệm về tài nguyên vô tuyến trong các ô của mình, thực hiện các chức năng lớp vật lý thông thường như mã hóa giải điều chế, điều chế, đan xen, giải đan xen và thực hiện

cơ chế phát lại HARQ

• ePDG: chức năng bao gồm điều khiển phân bố IP trong ePDG, vân chuyển địa

chỉ IP từ xa như một địa chỉ IP cụ thể, định tuyến các gói dữ liệu từ/đến PDN và

thực thi các chính sách QoS dựa trên thông tin nhận được thông qua cơ sở hạ

tầng AAA

1.3 Các k ỹ thuật chính được sử dụng trong mạng LTE

Để đạt được các mục tiêu về thông số kỹ thuật mạng, có rất nhiều kĩ thuật mới được áp 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

1.3.1 K ỹ thuật truy nhập vô tuyến trong LTE

a) Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

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 (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 So sánh phổ tần của OFDM với FDM được miêu tả ở dưới hình sau

Các đặc điểm của truyền dẫn OFDM:

• Sử dụng nhiều sóng mang Chẳng hạn nếu một hệ thống MC-WCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20MHz sử dụng 4 sóng mang với mỗi sóng mang có băng tần là 5MHz, thì với băng thông như vậy OFDM có thể sử

dụng 2048 sóng mang với băng thông sóng mang con 15MHz

• Các sóng mang con trực giao với nhau và khoảng cách giữa 2 sóng mang con

liền kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang

con Vì thế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDMA (Hình 1-5)

Hình 1-5: Các sóng mang trực giao với nhau

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

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 giảmxuống

• 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

Kho ảng cách giữa các sóng mang con của OFDM

Có 2 tiêu chí trong việc chọn sóng mang con:

• Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớn càng

tốt) để giảm thiểu tỉ lệ chi phí cho CP: TCP/(TFFT + TCP)

• Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của truyền

dẫn OFDM với trải Doppler

• Khi truyền qua kênh phadinh vô tuyến, do trải Doppler lớn, kênh có thể thay đổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến trực giao hóa giữa các sóng mang bị mất và nhiễu giữa các sóng mang

Trong thực tế, đại lượng nhiễu giữa các sóng mang có thể chấp nhận rất lớn tùy thuộc vào dịch vụ cần cung cấp và mức độ tín hiệu thu chịu được tạp âm và các nhân

tố gây giảm cấp khác Chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu có thể khá thấp khi tốc độ số liệu thấp Vì thế một lượng nhỏ nhiễu bổ xung giữa các sóng mang con do trải Doppler có thể bỏ qua Tuy nhiên trong trường hợp tỷ lệ tạp

âm cộng nhiễu cao (chẳng hạn trong các ô nhỏ hay tại vị trí gần BS), khi cần cung cấp

tốc độ số liệu cao, cùng một lượng nhiễu giữa các sóng mang con như trên cũng có thể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều

S ố lượng các sóng mang con

Số lượng các sóng mang con được xác định dựa trên băng thông khả dụng và phát

xạ ngoài băng.Độ rộng băng tần cơ sở của tín hiệu OFDM bằng P.∆f, nghĩa là số sóng mang con nhân với khoảng cách giữa các sóng mang con Tuy nhiên phổ của tín hiệu OFDM cơ sở giảm rất chậm bên ngoài độ rộng băng tần OFDM cơ sở Lý do gây ra phát xạ ngoài băng lớn là do việc sử dụng tạo dạng xung chữ nhật dẫn đến các búp sóng bên giảm tương đối chậm Tuy nhiên trong thực tế lọc hoặc tạo cửa sổ miền thời gian được sử dụng để loại bỏ phần lớn các phát xạ ngoài băng của OFDM Trong thực

tế cần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đối với tín hiệu OFDM (chẳng hạn nếu băng thông khả dụng là 5MHz thì độ rộng băng tần OFDM (P.∆f) chỉ có thể vào

khoảng 4,5MHz) Giả sử LTE sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, thì điều này tương đương với vào khoảng 300 sóng mang con trong 5MHz [10]

S ử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập

Trên đường xuống, OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh cho những người sử

dụng Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM, toàn bộ các sóng mang con khả

dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho những người sử dụng khác nhau để truyền đến các đầu cuối khác nhau

Trên đường lên cũng tương tự, OFDM được sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau

để truyền từ các đầu cuối khác nhau đến trạm gốc

Trong trường hợp OFDMA được sử dụng cho đường lên, tín hiệu OFDM được phát đi từ các máy đầu cuối khác nhau được ghép kênh theo tần số, điều quan trọng là khi truyền dẫn từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với trạm gốc phải đến trạm gốc

một cách đồng bộ theo thời gian Đặc biệt là sự mất đồng bộ giữa các truyền dẫn từ các đầu cuối di động khác nhau tại trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tính

trực giao giữa các sóng mang con thu được từ các đầu cuối di động khác nhau để tránh nhiễu giữa những người sử dụng Do khác nhau về khoảng cách từ các máy đầu cuối

di động đến trạm gốc và vì thế dẫn đến khác nhau về thời gian truyền lan, nên phải điều khiển định thời phát của từng đầu cuối Điều khiển định thời phát nhằm điều

chỉnh định thời phát của từng đầu cuối di động để đảm bảo rằng các truyền dẫn đường lên được đồng bộ tại trạm gốc Do thời gian truyền lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong ô, điều khiển định thời phát phải là một quá trình tích cực liên tục điều chỉnh định thời phát cho từng đầu cuối di động

Ngay cả khi điều khiển định thời phát hoàn hảo, vẫn luôn có một lượng nhiễu giữa các sóng mang con do sai số tần số Trong trường hợp sai số tần số hợp lý và trải Doppler nhỏ thì nhiễu này thường tương đối nhỏ Tuy nhiên điều này chỉ xảy ra khi coi rằng các sóng mang con khác nhau được thu tại trạm gốc với công suất gần như nhau trên đường lên do khoảng cách từ các máy đầu cuối đến trạm gốc là khác nhau,

vì thế suy hao đường truyền của các đường truyền này cũng có thể rất khác nhau Nếu

2 đầu cuối phát cùng một công suất thì do khoảng cách khác nhau nên công suất tín

hiệu thu tại tram gốc từ 2 đầu cuối này có thể rất khác nhau và vì thế tín hiệu thu từ

trạm đầu cuối mạnh hơn sẽ gây nhiễu đối với tín hiệu thu yếu hơn cho dù vẫn duy trì được trực giao hoàn hảo giữa các sóng mang con Để tránh điều này cần phải thực hiện điều khiển công suất phát của các đầu cuối ở một mức độ nhất định Đối với OFDMA đường lên bằng cách giảm công suất của đầu cuối ở gần trạm gốc để đảm bảo công

suất của các tín hiệu thu gần như nhau

Thu phát tín hi ệu OFDM

Hình 1-6: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu băng gốc OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự Hình 1-7 làlà sơ đồ

khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ

của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổiFourier rời rạc đảo (Inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDTF, ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Để truyền OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán phát lên tần số cần thiết Máy thu thực

hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử

lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần

số Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được chọn ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số Biến đổi nhanh Fourier đảo (IFFT) và biến đổi Fourier nhanh (FFT)

là hàm bổ sung và thuật ngữ thích hợp nhất được dùng phụ thuộc vào dữ liệu tín hiệu đang được thu hoặc đang được phát Trong nhiều trường hợp tín hiệu là độc lập với sự phân biệt này nên thuật ngữ FFT và IFFT có thể được sử dụng thay thế cho nhau

Điều chế tín hiệu OFDM

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

thời gian và miền tần số.Hình 1-8 miêu tả biến đổi FFT

Hình 1-8: Bi ến đổi FFT

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 chế độc 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

Kho ảng bảo vệ (Guard Interval)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên, với OFDM, băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc

lần so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt với nhiễu liên ký tự ISI (Inter- Symbol Interference) gây ra bởi truyền lan nhiều đường Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng các thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol Mỗi tải phụ trong phần dữ liệu

của mỗi symbol, có nghĩa là symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) có một số nguyên lần các chu

kỳ Do vậy, việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín

hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy, việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó đế đầu vào đã tạo ra một khoảng thời gian symbol dài hơn

LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho tuyến lên OFDMA được 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 Hình 1-10 dưới đây

so sánh về OFDM và OFDMA

Hình 1-10: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 x 12) trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 72 RE (6 x 12) trong trường hợp chiều dài CP mở rộng, như trong bảng 1-2

Băng thông kênh truyền (MHz) 1.4 3 5 10 15 20

c) Kỹ thuật đa truy nhâp cho đường lên SC-FDMA

Đối với việc truyền dữ liệu ở đường lên, 3GPP đã chọn một phương thức điều chế hơi khác một chút Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR (Peak to Average Power Ratio - tỷ lệ công suất đỉnh so với trung bình) cao, điều này có thể dẫn đến những hệ

quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE Nghĩa là khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng bắt được (pick up) Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên

có hiệu quả công suất cao (càng cao càng tốt) để làm tăng tuổi thọ pin của máy Tính

hiệu quả của bộ khuếch đại công suất phụ thuộc vào hai yếu tố:

• Bộ khuếch đại đó phải có khả năng khuếch đại giá trị đỉnh cao nhất của sóng

Do những ràng buộc trong chất bán dẫn, giá trị đỉnh này quyết định mức tiêu

thụ năng lượng của bộ khuếch đại

• Tuy nhiên, các giá trị đỉnh của sóng không mang nhiều thông tin hơn chút nào

so với công suất trung bình của tín hiệu trong thời gian truyền nhận Vì thế, tốc

độ truyền không phụ thuộc vào mức công suất ngõ ra cần thiết cho các giá trị đỉnh mà phụ thuộc vào mức công suất trung bình của sóng

Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối với các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càng thấp thì thời gian

hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định càng dài

Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một PAPR tốt (thấp) hơn là SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang) Do PAPR của nó tốt hơn, nó được 3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng lên Tuy mang cái tên như vậy song SC-FDMA cũng truyền dữ liệu qua giao tiếp vô tuyến trong nhiều kênh con, nhưng bổ sung thêm

một bước xử lý nữa, như được minh họa trong hình 1-11 Thay vì đặt 2, 4 hoặc 6 bit

với nhau như trong ví dụ OFDM để tạo thành tín hiệu cho một kênh con, khối xử lý bổ sung trong SC-FDMA trải thông tin của mỗi bit ra trên tất cả các kênh con Điều này được thực hiện như sau: Cũng một số bit (ví dụ như 4 đối với điều chế 16-QAM) được nhóm lại với nhau, nhưng trong OFDM, các nhóm bit này là dữ liệu nhập cho hàm

IFFT, còn trong SC-FDMA, các bit này được đưa vào một hàm FFT (Fast Fourier Transformation) trước đã Dữ liệu xuất của quá trình này là cơ sở cho việc tạo ra các kênh truyền con cho hàm IFFT theo sau Bởi vì không phải tất cả các kênh con đều được dùng bởi UE, nên nhiều kênh được đặt ở mức không (0) trong đồ thị Những kênh này có thể được dùng bởi các UE khác hoặc không (hình 1-11)

Ở phía máy thu, tín hiệu được giải điều chế, được khuếch đại và được xử lý bởi hàm FFT theo cách giống như trong OFDMA Nhưng biểu đồ biên độ kết quả không được phân tích thẳng ra để có được dòng dữ liệu ban đầu, mà được nạp vào một hàm IFFT để gỡ bỏ tác dụng của quá trình xử lý tín hiệu bổ sung đã được thực hiện ở phía máy phát Ra khỏi hàm IFFT này, tín hiệu lại trở thành tín hiệu miền thời gian Tiếp đến, tín hiệu miền thời gian này được cung cấp cho một khối phát hiện (detector), khối này tái tạo lại các bit dữ liệu ban đầu Như vậy, thay vì phát hiện các bit trên nhiều kênh con khác nhau, người ta chỉ dùng một hàm phát hiện duy nhất trên một kênh truyền duy nhất

1.3.2 K ỹ thuật đa anten MIMO

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu cao về thông lượng

và hiệu quả sử dụng phổ MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy

thu Với đường xuống, 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 kênh truyền

Hình 1-12: Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO

Hình 1-12 trên là ví dụ về SU-MIMO 2x2 và MU-MIMO 2x2 Ở SU- MIMO hai dòng dữ liệu trộn với nhau (mã hóa) để phù hợp với kênh truyền nhất 2x2 SU-MIMO thường dùng cho đường xuống Trong trường hợp này dung lượng cell tăng và tốc độ

dữ liệu tăng Ở MU-MIMO 2x2 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 mà không 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 đường xuống, cấu hình hai anten ở trạm phát và hai anten thu ở thiết bị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian Kỹ thuật này có lợi thế hơn các kỹ thuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử dụng và thuật điều chế tín hiệu,

SU cho phép tăng tốc độ dữ liệu (data rate) bằng số lượng anten phát, đường xuống

Những dòng dữ liệu này có thể là một người dùng (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 1-13 dưới đây, 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 1-13: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 là kỹ thuật đa truy nhập miền không gian (SDMA) hay còn gọi là MIMO ảo

1.3.3 Mã hóa Turbo

Để sửa những bit bị lỗi do sự thay đổi kênh và nhiễu, mã hóa kênh được sử dụng

Với kênh chia sẻ đường xuống của LTE, 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

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 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 (Hình 1-14)

Hình 1-14: Điều chế thích nghi

1.3.5 L ập biểu hay lập lịch (Scheduling) phụ thuộc kênh

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 phép nhiều 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, 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 chúng được coi như là một chức năng liên kết

phép đầu cuối di động yêu cầu truyền lại nhanh chóng những khối vận chuyển bị lỗi,

và cung cấp một công cụ cho thích ứng tốc đồ ngầm định Giao thức bên dưới là nhiều

xử lý HARQ dừng và chờ (stop-and-wait) song song nhau Trong ARQ, đầu thu sử

dụng một mã phát 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 được truyền 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 phát

hiện 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 bộ đệm và sau đó được kết hợp với truyền lại để đạt được một gói đáng tin cậy Trong LTE, sự dư thừa gia tang IR (Incremental Redundancy) 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

1.4 Công ngh ệ thông tin di động LTE Advanaced

1.4.1 T ổng quan về LTE Advanced

LTE Advanced ra đời vào tháng 3 năm 2011 trong Release 10 của 3GPP, là một hệ

thống thông tin băng thông rộng được phát triển và chuẩn hóa trên nền tảng sẵn có của công nghệ LTE Mục tiêu chính của LTE Advanced là tập trung vào việc nâng cao hơn

nữa tốc độ cũng như dung lượng phục vụ của toàn hệ thống, thông qua các tính năng, công nghệ mới như ghép nhiều tần số sóng mang (Carrier Agrregation – CA)), công nghệ đa anten bậc cao (High Order MIMO), các trạm phát lặp (Relay Node) và tính năng Coordinated Multi Point operation (CoMP) Các tiêu chuẩn được quy định cho LTE Advanced bao gồm:

• Tăng tốc độ đỉnh tức thời của dịch vụ dữ liệu:

• Tăng cường chất lượng dịch vụ tại các cell edges

1.4.2 Công ngh ệ ghép nhiều tần số sóng mang

Nhằm mở rộng thêm băng thông trong LTE Advanced được thực hiện bởi việc ghép nhiều sóng mang đã được chuẩn hóa theo R8 và R9 Các sóng mang ghép này có

thể được sử dụng cho cả Công nghệ đa truy cập theo tần số (FDD) cũng như thời gian (TDD)

Các sóng mang (Carrier) sử dụng để ghép được gọi là sóng mang thành phần, với

độ lớn linh hoạt, từ 1,4 tới 20 Mhz Công nghệ Carrier Aggregation của LTE Advanced cho phép ghép tối đa tới 5 sóng mang thành phần từ các dải tần số khác nhau, để đạt băng thông lên tới 100 Mhz Ngoài ra, số lượng sóng mang thành phần tại đường truyền lên và xuống có thể khác nhau, với điều kiện số sóng mang tại đường

xuống luôn luôn lớn hơn hoặc bằng tại đường lên Công nghệ ghép nhiều tần số sóng mang được biểu diễn như hình sau:

Hình 1-16: Carrier Aggregation v ới các trường hợp sóng mang khác nhau [4]

Cách đơn giản nhất để ghép sóng mang là kết hợp các sóng mang liền kề cùng băng tần, hay còn gọi là Intra-Band Contiguous CA Tuy nhiên, điều này thường không khả thi do việc phân bổ tần số tại từng khu vực địa lý Do vây, Công nghệ CA cũng cho phép ghép các sóng mang thuộc các dải tần số khác nhau, như thể nhiện trong hình

1.4.3 Công ngh ệ MIMO bậc cao

Công nghệ MIMO (Multiple Input Multiple Output) được sử dụng để tăng tốc độ truyền dữ liệu thông qua việc sử dụng nhiều anten ở đường thu và đường phát Với LTE Advanced, công nghệ này có thể đạt tới cầu hình tối đa là 8x8 MIMO ở đường

xuống, và 4x4 MIMO cho đường lên

1.4.4 Tr ạm phát lặp

Trong LTE Advance, khả năng phối hợp hoạt động giữa các phần từ mạng khác nhau, ví dụ như giữa các trạm eNodeB và các Small Cell, được tăng cường đáng kể

nhờ các trạm phát lặp (Relay Node) Relay Node là các trạm thu phát sóng công suất

thấp, được sử dụng để tăng cường vùng phủ và dung lượng tại những khu vực sóng

yếu, hot spots hoặc các cell edges Các Relay Node này có thể được kết nối trực tiếp

tới eNodeB chủ (Donor eNB - DeNB) thông qua giao diện vô tuyến hoặc truyền dẫn quang Khi sử dụng giao diện vô tuyến, Relay Node sẽ kết nối tới DeNB thông qua giao diện Un Lúc này, các Relay Node có thể phục vụ giống như một eNodeB bình thường, tuy không được kết nối và xác nhận bởi MME Các trạm phát lặp RN được

biểu diễn ở hình

Hình 1-17 : Sơ đồ các trạm relay node trong LTE Advanced [8]

1.4.5 Tính năng phối hợp hoạt động đa điểm

Phối hợp hoạt động đa điểm, hay còn gọi là Coordinated Multi Point operation (CoMP), là tính năng được chuẩn hóa trong Release 11 của 3GPP, với mục đích tăng cường hơn nữa chất lượng dịch vụ tại các vùng rìa biên (cell edges) Mục đích của CoMP là:

• Tăng throughput

• Giảm nhiễu

• Tăng hiệu năng sử dụng phổ

Hình dưới mô ta công nghệ SISO, MIMO, CA, CoMP