Truyền dẫn vô tuyến sử dụng trong 4g lte

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU 3G Third Generation Mobile Communications System Hệ thống thông tin di động thế hệ ba 3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề án của các đối tác thế

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 3

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 3

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 3

1.3 Hệ thống 3G 4

1.4 Giới thiệu về công nghệ LTE 4

1.5 Sự tiến hóa từ các hệ thống 3G sang LTE 6

1.6 Kết luận chương I 8

CHƯƠNG II TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE 10

2.1 Tổng quan 10

2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 10

2.1.2 Mục tiêu về 2 thiết kế 10

2.1.3 Các thông số vật lý của LTE 15

2.1.4 Dịch vụ của LTE 16

2.2 Các nút cơ bản trong LTE 18

2.2.1 Chức năng của thiết bị sử dụng UE (User Equipment) 19

2.2.2 Mạng truy cập vô tuyến RAN (Radio Access Network) 19

2.2.3 Mạng lõi core CN (Core Network) 20

2.2.4 Máy chủ quản lý thuê bao thường trú (Home Subscriber Server HSS) 21

2.2.5 Ứng dụng (Application) 22

2.2.6 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến 22

2.2.7 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng 24

2.2.8 Cấu trúc chuyển vùng roaming 25

2.2.9 Kết nối với các mạng khác 25

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 26

2.3.1 Kênh vật lý 26

2.3.2 Kênh logic 26

2.3.3 Kênh vận chuyển 27

2.4 Các kĩ thuật truy nhập cơ bản trong LTE 27

2.4.1 Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM vàOFDMA 28

2.4.2 Công nghệ đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA 33

CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO 36

3.1 Hệ thống MIMO 36

3.1.1 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 36

3.1.2 Công nghệ đa anten MIMO 36

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh thông tin vô tuyến 43

3.1.4 Các mô hình kênh MIMO 50

3.1.5 Dung lượng kênh MIMO 52

3.1.6 Đánh giá về kỹ thuật MIMO 56

3.2 Các kỹ thuật truyền dẫn trong hệ thống MIMO 57

3.2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo không gian 57

3.2.2 Kỹ thuật phân tập không gian, thời gian 59

3.2.3 Kỹ thuật mã hóa không gian - thời gian 63

CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MIMO TRONG LTE 67

4.1 MIMO dựa trên kỹ thuật đa anten 67

4.1.1 Mã hóa theo thời gian, không gian 68

4.1.2 Đa dạng truyền tải chọn lọc 72

4.1.3 Truyền nhiều lớp 73

4.1.4 Phân vùng Truy cập Không gian 76

4.1.5 Beamforming (Sự tạo chùm tia) 78

4.1.6 MIMO đa người dùng 80

4.2 Các ứng dụng MIMO nâng cao 81

4.2.1 Sự hợp tác của Trạm Cơ sở 82

4.2.2 Chuyển tiếp đa chặng (Multihop Relay) 89

4.2.3 Các chương trình truyền dẫn đa giải pháp 96

4.2.4 Hiệu suất năng lượng trong truyền thông không dây 99

KẾT LUẬN 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Yêu cầu trễ mặt bằng trong LTE 12

Hình 2.2 Nút cơ bản trong LTE 18

Hình 2.3 Các đường giao tiếp giữa mạng lõi và mạng truy cập vô tuyến 23

Hình 2.4 Đường giao tiếp trong mạng lõi 24

Hình 2.5 Cấu trúc chuyển vùng truy cập với P-GW trong mạng nhà 25

Hình 2.6 Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS 26

Hình 2.8 Kỹ thuật OFDM & OFDMA 32

Hình 2.9 Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên 35

Hình 3.1 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 36

Hình 3.2 Mô hình kênh MIMO với Mt anten phát và Nr anten thu 38

Hình 3.3 Nguyên tắc của truyền MIMO 41

Hình 3.4 Mô hình trực quan của một hệ thống MIMO 43

Hình 3.5 Tạp âm AWGN 44

Hình 3.6 Hàm phân bố của tạp âm AWGN 44

Hình 3.7 Hiệu ứng Doppler 45

Hình 3.8 Hiệu ứng đa đường 46

Hình 3.9 Mô hình truyền sóng đa đường 48

Hình 3.10 Pha đinh ở các dải thông khác nhau 49

Hình 3.11 Các mô hình phân tập không gian 51

Hình 3.12 Mô hình kênh MIMO vô tuyến 51

Hình 3.13 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian 58

Hình 3.14 Sơ đồ phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO - SDM 59

Hình 3.15 Các kỹ thuật phân tập 60

Hình 3.16 Kỹ thuật kết hợp tỷ lệ tối đa 62

Hình 3.17 Mô hình kênh MIMO - STC 63

Hình 3.18 Hệ thống mã hóa STBC 65

Hình 4.1 Sự đa dạng truyền tải chọn lọc với chỉ dẫn phản hồi 73

Hình 4.2 Sơ đồ chung của MIMO đa lớp 74 Hình 4.3 Chương trình MIMO đa lớp 2 x 2 (a) chương trình 1 và (b) chương trình 2

75

Hình 4.4 Cấu hình SDMA được áp dụng cho đường lên SDMA 78

Hình 4.5 Tín hiệu phát tín hiệu của trạm phát sóng sử dụng phương pháp chùm 79

Hình 4.6 Sự hợp tác BS downlink sử dụng một nhóm ba BS 83

Hình 4.7 Sự kết hợp của các yếu tố ăng ten độc lập từ các BS khác nhau 84

Hình 4.8 Phản ứng xung của kênh (CIR) 86

Hình 4.9 Mô hình trễ 2 hop 91

Hình 4.10 Mạng di động thông thường 92

Hình 4.11 Mạng di động ảo 92

Hình 4.12 Ví dụ về nút relay trong E-UTRAN 93

Hình 4.13 Kiến trúc chuyển tiếp được chọn cho LTE-Advanced [1] 94

Hình 4.14 Mô hình can thiệp intercell [1] 96

Hình 4.15 Video truyền 3 vùng QoS 98

Hình 4.16 Hệ thống minh họa 64 QAM chòm sao phân cấp 99

Hình 4.17 Hệ thống MIMO hợp tác với trạm relay cố định 100

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Mục tiêu thiết kế LTE 10

Bảng 2.2 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng 13

Bảng 2.3 Các thông số lớp vật lí của LTE 15

Bảng 2.4 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 16

Bảng 2.5 So sánh các dịch vụ của 3G với 4G LTE 16

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

3G Third Generation Mobile

Communications System Hệ thống thông tin di động thế

hệ ba 3GPP 3rd Generation Partnership Project Đề án của các đối tác thế hệ ba 3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Đề án thứ 2 của các đối tác thế

hệ thứ 3

Communication System

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BPSK Binary Phase Shift Keying

Modulation

Điều chế khóa dịch pha hai trạng thái

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã E-RAN Evolved Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

phát triển E-UTRAN

EPC

Enhanced Universal Terrestrial Radio Access Network Evolved Packet Control

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường

Phát triển điều khiển gói dữ liệu

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

General Packet Radio Service

Gateway GPRS Support Node

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Nút hỗ trợ cổng nối GPRS

HSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy cập gói đường xuống tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Máy chủ quản lý thuê bao thường

trúHSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy cập gói đường lên tốc độ cao

IMT International Mobile

Telecommunication

Thông tin di động quốc tế ISI Inter Symbol Interference Nhiêu giữa các ký hiệu

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MBMS Multimedia Broadcast Multicast

Service

Dịch vụ quảng bá đa phương tiện MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra

Thực thể quản lý di động

MMSE Minimum Mean Square Error Sai lỗi bình phương trung bình

và chính sách

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RAN

SC-FDMA

Radio Access Network Single Carrier -Frenquency Divison Mutiplex Access

Mạng truy cập vô tuyến

Đa truy nhập phân chia đơn sóng mang

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDMA

Single Input Single Output Time Division Multiple Access

Một đầu vào một đầu ra

Đa truy nhập phân theo thời gian

gian

UMTS Universal Mobile

UTRAN UMTS Teresstrial Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo

mã băng rộng

LỜI NÓI ĐẦU

Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu hướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp Viễn thông di động Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó Tuy nhiên, mạng di động này cũng

có một số nhược điểm như: Tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất là 2Mbps, vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người dùng, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc download các file dữ liệu lớn,…chưa đáp ứng được các yêu cầu như: khả năng tích hợp với các mạng khác (ví dụ: WLAN, WiMAX,…) chưa tốt, tính mở của mạng chưa cao, khi đưa một dịch vụ mới vào mạng sẽ gặp rất nhiều vấn đề do tốc độ mạng thấp, tài nguyên băng tần ít,…

LTE (Long Term Evolution) là thế hệ thứ tư (4G) của UMTS do 3GPP xây dựng LTE là một nỗ lực phát triển của những người nghiên cứu nhằm tạo ra một

hệ thống thông tin di động có tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn, chất lương tốt hơn,

sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản kiến trúc mạng với giao tiếp mở, giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối khắc phục các hạn chế của mạng thông tin di động thế hệ thứ 3

Những năm gần đây cùng với sự lớn mạnh về nhu cầu sử dụng thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng đã thu hút nhiều sự quan tâm, nghiên cứu nhằm phát triển hoàn thiện các hệ thống mạng không dây tốc độ cao Một trong

những thách thức chủ yếu trong lĩnh vực này là: “Tốc độ xử lý cao đồng thời tiêu thụ ít điện năng trong các thiết bị di động có như vậy mới giảm kích thước và tăng thời gian hoạt động của các thiết bị MS trong mạng không dây” Do đó thúc đẩy

hướng nghiên cứu phải cải tiến kỹ thuật điều chế nhằm tăng hiệu suất giải mã cũng như chất lượng phổ của hệ thống không dây

Kỹ thuật MIMO trong mạng vô tuyến gần đây thực sự nổi bật và nó là mô hình duy nhất về băng rộng đáp ứng được thách thức trên, bởi MIMO đáp ứng được việc truyền tín trên nhiều kênh khác nhau - sẽ giúp chúng ta biểu diễn hệ thống dưới

dạng ma trận thu gọn và như vậy sẽ hứa hẹn nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu mới ra đời

MIMO (Multiple Input Multiple Output) một cách tổng quát là hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra Trong thông tin vô tuyến nó là hệ đa anten phát đa anten thu và được áp dụng nhằm:

- Tăng dung lượng (capacity) kênh;

- Tăng cường khả năng chống pha đinh;

- Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cả máy phát và thu);

- Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ sẽ giảm điện năng tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại công suất

Việc các nhà mạng tại Việt Nam đang triển khai mạng 4G LTE đáp ứng nhu cầu thông tin tốc độ cao của người dùng Có nhiều kỹ thuật được sử dụng trong lớp

vô tuyến của 4G LTE như điều chế nhiều mức QAM, QPSK, kỹ thuật nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông OFDM , kỹ thuật MIMO nhằm nâng cao tốc độ, chống pha đinh, giảm thiểu công suất trên các thiết bị người dùng Trong luận văn Truyền dẫn vô tuyến sử dụng trong 4G LTE sau khi đã điểm qua các công nghệ dùng trong lớp truyền dẫn vô tuyến, em đã phân tích sâu công nghệ MIMO dùng trong 4G LTE Với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Phạm Văn Bình, em đã cố gắng để hoàn thành tốt Luận văn Luận văn gồm 4 chương:

Chương I: Tổng quan về Thông tin Di động

Chương II: Tổng quan về hệ thống 4G LTE

Chương III: Tổng quan về công nghệ MIMO

Chương IV: Ứng dụng Kỹ thuật MIMO trong 4G LTE

Do thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế, bản Luận văn khó có thể tránh khỏi các sai sót Em mong sẽ nhận được sự góp ý của các thầy cô để Luận văn được hoàn thiện hơn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Phạm Văn Bình, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Đào tạo sau Đại học – Viện

Điện tử viễn thông - Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em trong thời gian qua

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Thế hệ đầu tiên của mạng di động (1G) là tương tự, được triển khai giữa năm

1980 và năm 1992 1G bao gồm vô số các hệ thống di động, cụ thể là, tổng số hệ thống truyền thông truy cập (TACS), hệ thống điện thoại di động tiên tiến (AMPS)

và Điện thoại di động Bắc Âu (NMT), và một số khác Các hệ thống này có độ tin cậy thấp, công suất thấp, hiệu suất thấp, và không có khả năng roaming giữa các mạng lưới và các quốc gia khác nhau Kỹ thuật đa truy cập được sử dụng là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), trong đó tín hiệu của người sử dụng khác nhau được truyền qua các dải tần số (trực giao) khác nhau

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Thế hệ thứ hai của mạng di động (2G), giống như hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM), được sử dụng rộng rãi từ năm 1992 đến năm 2003 Điều này đã giới thiệu công nghệ số trong môi trường cellular (tế bào), với hiệu suất tốt hơn, độ tin cậy tốt hơn, công suất cao hơn, và thậm chí với khả năng chuyển vùng giữa các nhà khai thác, do mức độ tiêu chuẩn hóa cao và công nghệ tiến bộ Kỹ thuật truy cập đa truy nhập được sử dụng bởi GSM là đa truy cập phân chia thời gian (TDMA), nơi các tín hiệu được tạo ra bởi những người dùng khác nhau đã được truyền trong khoảng thời gian (trực giao) khác nhau

Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) đã được thông qua những năm 1990 theo tiêu chuẩn IS-95, ở Hoa Kỳ IS-95 cũng là một hệ thống 2G Sau đó,

Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu (UMTS), được chuẩn hóa vào năm 1999 bởi Dự Án Hợp Tác Thế Hệ Thứ Ba (tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin di động tế bào) (3GPP) phát hành 99, trong trường hợp cụ thể này sử dụng băng rộng CDMA (WCDMA) UMTS bao gồm hệ thống di động thế hệ thứ ba (3G), hệ thống (3G)

Khái niệm CDMA dựa trên sự truyền lan truyền khác nhau, mỗi một kết hợp với sự truyền tải của người sử dụng khác, bằng cách sử dụng một dãy phân bố ngẫu

nhiên (lý tưởng nhất) [Marques da Silva et al 2010]

1.3 Hệ thống 3G

Các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International MobileTelecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:

- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao;

- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, );

- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc, );

- Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, );

- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống

Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó Vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps Theo đặc tả của ITU một công nghệ toàn cầu sẽ được sử dụng trong mọi

hệ thống IMT-2000, điều này dẫn đến khả năng tương thích giữa các mạng 3G trên toàn thế giới Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới tồn tại hai công nghệ 3G chủ đạo: UMTS (W-CDMA) và CDMA2000

1.4 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ

ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 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

Sự phát triển dài hạn (LTE) có thể được xem như sự tiến hóa tự nhiên của 3G, sử dụng một giao diện không gian hoàn toàn mới, như được chỉ ra bởi bản 3GPP phát hành 8, và được tăng cường trong bản phát hành 9 Việc triển khai ban đầu diễn ra vào năm 2010 LTE bao gồm:

Sử dụng một giao diện không gian dựa trên sự đa truy cập phân chia tần số trực giao (OFDMA) ở đường xuống và đa truy cập phân chia tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) ở đường lên Điều này cho phép cải thiện hiệu quả phổ, so với truy cập gói tin tốc độ cao (HSPA), sử dụng phổ mới, băng thông truyền khác nhau từ 1,4 MHz đến 20 MHz, cùng với hệ thống nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO) và kiến trúc IP toàn diện [Marques da Silva et al 2010; Marques da Silva 2012]

Với mục đích thực hiện đầy đủ khái niệm "bất cứ nơi nào" và "bất cứ lúc nào" cũng như để hỗ trợ các dịch vụ mới và khẩn cấp, người dùng đang đòi hỏi ngày càng nhiều từ các hệ thống truyền thông di động Các yêu cầu mới bao gồm tăng thông lượng và băng thông, nâng cao hiệu suất phổ, trễ thấp hơn, và khả năng mạng, được cung cấp bởi giao diện không gian Các yêu cầu chủ yếu cần thiết để cung cấp các dịch vụ dữ liệu băng rộng mới nổi lên Để đáp ứng những yêu cầu này, LTE-Advanced đã ban đầu được chỉ định trong bản phát hành 10 của 3GPP, và được cải tiến trong bản phát hành 11 và 12 LTE-Advanced bao gồm một hệ thống

di động thế hệ thứ 4 (4G), dự kiến được thực hiện đầy đủ vào năm 2014 Mục đích của nó là hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh trong phạm vi 100 Mbps cho xe di động đến 1 Gbps cho di chuyển (trong cả môi trường trong nhà và ngoài trời) 4G nhằm hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện hiện tại và nổi bật, chẳng hạn như mạng xã hội và trò chơi, điện thoại di động TV, truyền hình độ nét cao (HDTV), phát sóng video kỹ thuật số (DVB), dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS) hoặc trò chuyện video, sử dụng khái niệm IP toàn diện và nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) [Marques da Silva 2012]

Những chi tiết kỹ thuật cho Viễn thông Di động Quốc tế - Nâng cao

(IMT-Advanced) đã được thoả thuận tại Liên minh Viễn thông Quốc tế - Viễn thông Vô tuyến (ITU-R) trong [ITU-R 2008] ITU đã xác định rằng "LTE-Advanced" nên được dành cho tên gọi IMT Advanced IMT-Advanced có nghĩa là tiêu chuẩn quốc

tế của các hệ thống tế bào kế tiếp

Các phương pháp tiếp cận tôpô mới, chẳng hạn như các hệ thống hợp tác, tập hợp các nhà cung cấp dịch vụ, chuyển tiếp đa đường, các hệ thống MIMO tiên tiến, cũng như các kỹ thuật truyền dẫn khối cho phép truyền tải tốc độ cao, cải thiện hiệu năng và khả năng của hệ thống, cần thiết cho các yêu cầu tiên tiến của IMT- A [ITU-R 2008]

1.5 Sự tiến hóa từ các hệ thống 3G sang LTE

Thế hệ thứ ba của hệ thống di động bao gồm các thay đổi khác nhau Ban đầu, được xác định bởi 3GPP phát hành 99, đã đánh dấu một sự thay đổi đột ngột trong số nhiều Kỹ thuật truy cập Trong khi GSM dựa trên TDMA, thì 3G làm cho việc sử dụng WCDMA để đạt được một cải thiện phổ hiệu quả và năng lực tế bào

Sự tiến triển này cho phép cải tiến tốc độ từ vài chục kbps lên đến 384 kbps cho đường xuống và 128 kbps cho đường lên Tốc độ này đã được cải thiện trong các bản cập nhật sau, đạt được 28 Mbps trong đường xuống của HSPA + (3GPP phát hành 7) Để đáp ứng với nhu cầu tăng tốc độ của giai đoạn phát triển dịch vụ, tốc độ cao hơn đã trở thành có thể với LTE đã triển khai, hỗ trợ 160 Mbps ở đường xuống (như đã được tuyên bố bởi 3GPP phát hành 8) và thậm chí tốc độ cao hơn với một

số cải tiến bổ sung cho đường cơ sở LTE được giới thiệu trong 3GPP bản phát hành

9 (ví dụ: các hệ thống MIMO tiên tiến) Giao diện không gian LTE là kết quả của một mục nghiên cứu được đưa ra bởi 3GPP mang tên Evolved UTRAN (E-UTRAN) Mục tiêu là để đối mặt với nhu cầu mới nhất về dịch vụ thoại, dữ liệu và

đa phương tiện, cải tiến hiệu suất phổ của một yếu tố 2-4, so với HSPA phát hành 7 LTE có thể được được xem như là một tiêu chuẩn di động cho 3.9G (thế hệ 3.9)

Giao diện không gian của LTE dựa trên một khái niệm hoàn toàn mới mà đã giới thiệu một số tiến bộ công nghệ như một phương tiện để hỗ trợ các yêu cầu về hiệu suất của tiêu chuẩn mới này Điều này bao gồm kỹ thuật truyền dẫn khối bằng

cách sử dụng đa sóng mang, hệ thống đa anten (MIMO), hợp tác trạm cơ sở (BS), trễ đa đường, cũng như các khái niệm IP toàn bộ

Giao diện không gian của LTE xem kỹ thuật truyền dẫn OFDMA ở đường xuống và SC-FDMA ở đường lên Tùy thuộc vào mục đích, các loại hệ thống MIMO khác nhau được xem xét trong 3GPP bản phát hành 8 Điều chế sử dụng trong LTE bao gồm khóa cầu pha (điều chế pha trực giao) (QPSK), 16-QAM, hoặc 64-QAM (Điều chế biên độ cầu phương), sử dụng điều chế thích nghi và mã hóa (AMC) Khi kênh truyền tốt node B (trạm gốc) sẽ truyền xuống với tỷ lệ mã hóa cao hơn và điều chế bậc cao hơn còn khi kênh truyền xấu (điện thoại ở xa node B, thời tiết xấu có che chắn hay di chuyển tốc độ cao) thì sẽ mã hóa tỷ lệ thấp đi (khả năng sửa lỗi tăng lên) và điều chế thấp đi (tỷ lệ lỗi ít đi)

LTE có độ linh động phổ cao, với các phân bố phổ tần khác nhau là 1,4, 3, 5,

10, 15 và 20 MHz Điều này cho phép sử dụng phổ tần hiệu quả hơn và phân bổ phổ tần số động dựa trên băng thông / tốc độ dữ liệu theo yêu cầu của người sử dụng [Astely et al 2009]

Sự can thiệp của intercell (nội tế bào) được tránh trong LTE bằng cách phân

bổ đúng trực giao khe thời gian và tần số sóng mang giữa người dùng ở cả đường lên và đường xuống

Tuy nhiên, intercell can thiệp là một vấn đề cao hơn trong trường hợp của UMTS, đặc biệt là cho người sử dụng ở cạnh tế bào Intercell can thiệp có thể được giảm nhẹ bởi thực hiện các cơ chế như các chương trình hủy bỏ nhiễu, tái sử dụng phân vùng, và hợp tác BS tiên tiến

Một sửa đổi quan trọng khác của LTE, so với UMTS, là kiến trúc tất cả các

IP (tức là tất cả các dịch vụ được thực hiện trên đầu trang IP) thay vì mạng chuyển mạch gói được chấp nhận bởi UMTS

Một cải tiến quan trọng của LTE, so với UMTS, dựa vào khả năng cải thiện của nó để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện

Dịch vụ truyền thông đa phương tiện broadcast and multicast (MBMS), đã được giới thiệu trong 3GPP bản phát hành 6 (HSPA), nhằm mục đích sử dụng các

dịch vụ đa phương tiện hiệu quả bằng cách truyền dữ liệu qua kênh radio thông thường MBMS là một hệ thống cho phép nhiều người sử dụng mạng di động có thể nhận dữ liệu một cách hiệu quả từ một nguồn cung cấp nội dung đơn lẻ bằng cách chia sẻ các tài nguyên mạng vô tuyến và truyền tải Trong khi truyền thông di động thông thường được thực hiện ở chế độ unicast, các dịch vụ đa phương tiện thường được phân phối ở chế độ broadcast hoặc multicast Trong chế độ broadcast, dữ liệu được truyền đi trong một khu vực cụ thể (khu vực dịch vụ MBMS) và tất cả người dùng trong khu vực dịch vụ riêng MBMS có thể nhận được dữ liệu truyền MBMS Rất thường xuyên, truyền thông broadcast được thiết lập theo một hướng (nghĩa là không có phản hồi từ máy thu vào máy phát) Trong chế độ multicast, dữ liệu được truyền đi trong một khu vực cụ thể, nhưng chỉ những người dùng đã đăng ký trong khu vực dịch vụ MBMS cụ thể có thể nhận được dữ liệu MBMS được truyền đi

LTE giới thiệu một thế hệ mới của MBMS, có tiêu đề phát triển MBMS (eMBMS) Điều này được thực hiện trong LTE trong hai loại kịch bản truyền dẫn [Astely et al 2009]:

Truyền Multicell: đa phương tiện broadcast qua một mạng tần số đơn (MBSFN) trên một lớp tần số dành riêng hoặc trên một lớp tần số chia sẻ Nhóm các tế bào nhận được cùng một dịch vụ dữ liệu multicast MBSFN được gọi là MBSFN khu vực

Truyền single - cell: điểm đơn tế bào tới đa điểm (SC-PTM) trên một lớp tần

số chia sẻ

Multicell truyền trong khu vực một tần số (SFN) khu vực là một cách để nâng cao hiệu quả toàn bộ quang phổ mạng Trong MBSFN, khi các tế bào khác nhau truyền tải cùng một dịch vụ dữ liệu đa phương tiện eMBMS, tín hiệu được kết hợp, để cung cấp sự đa dạng cho thiết bị người dùng (UE) nằm ở ranh giới của tế bào Điều này dẫn đến hiệu suất được cải thiện và chất lượng dịch vụ tốt hơn

1.6 Kết luận chương I

Chương I đã trình bày sự phát triển của hệ thống di động Do nhu cầu, cùng

sự phát triển về công nghệ Sự tiến hóa lên mạng LTE là xu hướng tất yếu Đây là

một hệ thống có thể tích hợp được nhiều dịch vụ, cho dung lượng truyền tải lớn An toàn hơn cho người dùng

CHƯƠNG II TỔNG QUAN HỆ THỐNG 4G LTE 2.1 Tổng quan

2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là thế hệ mạng di dộng thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này, tháng 11/2004 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

2.1.2 Mục tiêu về 2 thiết kế

Bảng 2.1 Mục tiêu thiết kế LTE

- Bắt đầu các dịch vụ mới dựa trên

những khả năng mới

- Các dịch vụ cao cấp nhờ nâng cao

chất lượng tính năng mạng

- Cơ sở hạ tầng dịch vụ mới

- Triển khai nhanh các dịch vụ mới

- Kết nối và chuyển giao linh hoạt giữa nhiều hệ thống truy nhập

- Tốc độ truyền dẫn

- Dung lượng hệ thống

- Chi phí

- 100Mb/s (tốc độ cao nhất của môi trường

di động) 1Gb/s (tốc độ tối đa của môi trường trong nhà)

- Gấp 10 lần hệ thống 3G

- Giảm 10 đến 100 lần trên mỗi bít truyền

Những yêu cầu cho LTE được chia thành 7 phần khác nhau như sau:

 Tiềm năng dung lượng

 Hiệu suất hệ thống

 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

 Quản lí tài nguyên vô tuyến

 Độ phức tạp

 Những vấn đề chung

2.1.2.1 Tiềm năng công nghệ

Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbit/s và cho đường lên là 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 Mhz Khi mà phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo Như sẽ được thảo luận dưới đây, LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời Do đó mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời Mặt khác, đối với trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho phép quá trình phát và thu đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý thuyết ở trên

Yêu cầu về độ trễ được chia thành:

 Trễ mặt phẳng điều khiển: xác định độ trễ của việc chuyển từ trạng thái thiết

bị đầu cuối không tích cực khác nhau sang trạng thái tích cực, khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể gửi và nhận dữ liệu

Có hai cách xác định:

 Cách xác định thứ nhất được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (camped state) chẳng hạn như trạng thái Release 6 Idle mode (chế độ không tải, nghỉ), khi đó thì thủ tục chiếm 100ms.

 Cách xác định thứ hai được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ chẳng hạn như trạng thái Release 6 Cell-PCH Khi đó thì thủ tục chiếm 50ms.

- Chế độ Release 6 idle: là 1 trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là mạng truy nhập vô tuyến không

có bất cứ thuộc tính nào của thiết bị đầu cuối và thiết bị đầu cuối cũng không được chỉ định một tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối có thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe hệ thống mạng tại những khoảng thời gian cụ thể

- Trạng thái Release 6 Cell-PCH: là trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết bị đầu cuối đang ở trong tế bào nào những thiết bị đầu cuối lại không được cấp phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế

độ ngủ

 Trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện qua thời gian để truyền một gói IP

từ thiết bị đầu cuối tới nút biên RAN Thời gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5ms trong mạng không tải (unloaded network), nghĩa là không có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện trong tế bào

Hình 2.1 Yêu cầu trễ mặt bằng trong LTE

Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trong trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần 5Mhz Trong mỗi phân bố rộng hơn 5Mhz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ

2.1.2.2 Hiệu suất hệ thống

Các mục tiêu thiết kế công năng hệ thống LTE sẽ xác định lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ, độ linh động, vùng phủ sóng và MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service: hỗ trợ, cung cấp dịch vụ) nâng cao

• Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố người dùng trung bình và tại sự phân bố người dùng phân vị thứ 5 (khi mà 95% người dùng có được chất lựợng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ,

và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo

tế bào tính theo bit/s/Mhz/cell Những yêu cầu lưu lượng này được tổng hợp trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

Phương pháp đo hiệu suất Mục tiêu đường xuống

so với cơ bản

Mục tiêu đường lên so với cơ bản Lưu lượng người dùng

trung bình(trên 1MHz)

Lưu lượng người dùng tại

Biên/mép tế bào (trên 1

-Tại tốc độ thấp, 0-15 km/h thì hiệu suất đạt được là tối đa, và cho phép giảm

đi một ít đối với tốc độ cao hơn

-Tại vận tốc lên đến 120 km/h, LTE vẫn cung cấp hiệu suất cao và đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống phải duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào

-Tốc độ tối đa có thể quản lí đối với một hệ thống LTE có thể được thiết lập lên đến 350 km/h (hoặc thậm chí đến 500 km/h tùy thuộc vào băng tần) Một yếu tố quan trọng đặc biệt là dịch vụ thoại được cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lượng mà WCDMA/HSPA hỗ trợ

 Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi tế bào (bán kính), nghĩa là khoảng cách tối đa từ vùng tế bào (cell site) đến thiết bị đầu cuối di động trong cell Đối với phạm vi tế bào lên đến 5 km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những tế bào có phạm vi lên đến 30 km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng và 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 Khi mà phạm vi tế bào lên đến 100km thì không thấy có đặc tính

kĩ thuật về yêu cầu hiệu suất nào được nói rõ trong trường hợp này.

 Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: broadcast (Quảng bá Broadcast là thuật ngữ được sử dụng để mô tả cách thức truyền tin được gửi từ 1 điểm đến tất cả các điểm khác Trong trường hợp này, có 1 nguồn gửi

nhưng thông tin được gửi đến tất cả các nguồn nhận trong cùng 1 kết nối.) và unicast (Unicast là 1 thuật ngữ được sử dụng để mô tả cách thức truyền tin được gửi từ 1 điểm đến 1 điểm khác Trong trường hợp này chỉ có 1 nguồn gửi và 1 nguồn nhận). Nhìn chung, LTE sẽ cung cấp dịch vụ tốt hơn so với những gì có trong phiên bản 6 Yêu cầu đối với trường hợp broadcast là hiệu suất phổ 1 bit/s/Hz, tương ứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300 kbit/s trong mỗi phân bố phổ tần 5 Mhz Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ một dịch vụ trên một sóng mang, cũng như là kết hợp các dịch vụ non - MBMS khác Và như vậy thì đương nhiên đặc tính kĩ thuật của LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch vụ MBMS.

2.1.2.3 Quản lí tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lí tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau:

- Hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end: yêu cầu một “dịch vụ phối hợp cải tiến” và các yêu cầu về giao thức (bao hàm cả lớp báo hiệu cao hơn) cho các tài nguyên vô tuyến RAN và các đặc tính RAN;

- Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn: yêu cầu rằng LTE RAN phải cung cấp các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơn trên giao diện vô tuyến;

- Và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lí chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau: Yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hướng dẫn các đầu cuối di động chuyển tới các công nghệ truy cập vô tuyến tương ứng trong quá trình chuyển giao giữa các cổng

2.1.2.4 Độ phức tạp

LTE bên cạnh phải thỏa mãn các hiệu năng yêu cầu, vấn đề mức độ phức tạp cũng phải được giảm thiểu để ổn định hệ thống và tương tác với các giai đoạn trước Điều này cũng cho phép giảm giá thành thiết bị đầu cuối và UTRAN

Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp của UTRA UE liên quan đến kích thước, trọng lượng và dung lượng ắc quy (chế độ chờ và chế độ tích cực) và các trạng thái UE đơn giản hơn so với UMTS nhưng vẫn đảm bảo các

dịch vụ tiên tiến của LTE

2.1.2.5 Những vấn đề chung

Phần này đề cập đến những yêu cầu chung trong LTE về những khía cạnh liên quan đến chi phí và dịch vụ Rõ ràng, mong muốn đặt ra là giảm thiểu các chi phí trong khi vẫn duy trì hiệu suất yêu cầu cho tất cả các dịch vụ Các vấn đề về đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí Như vậy không chỉ giao tiếp vô tuyến, mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lí cũng phải được xác định rõ Một yêu cầu quan trọng về giao tiếp nhiều nhà cung cấp (multi - vendor interfaces) cũng thuộc vào loại yêu cầu này

2.1.3 Các thông số vật lý của LTE

Bảng 2.3 Các thông số lớp vật lí của LTE

Bảng 2.4 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

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 2.5 So sánh các dịch vụ của 3G với 4G LTE

Thoại (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất

lượng cao

thấp (low priority emails)

Photo các tin nhắn, IM, email di động, tin nhắn video

to wap browsing over GPRS and 3G networks)

Duyệt siêu nhanh (supper- online trực tuyến, trình duyệt fast browsing), uploading content to social networking sites

Thông tin cước

phí (paid

Người dùng trả qua hoặc trên Thông tin dựa trên tạp chí

yếu là dựa trên thông tin văn bản

trực tuyến

cố định và mạng di động

Video/tv theo yêu

cầu Xem trực tuyến hoặc có thể tải về Dịch vụ phát sóng truyền hình tivi theo

yêu cầu với chất lượng cao

vụ phát thanh

Lưu trữ và tải nhạc chẩt lượng cao

sẻ, giao tiếp M2M

2.2 Các nút cơ bản trong LTE

Hình 2.2 Nút cơ bản trong LTE

- S1-MME: được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các ENodeB (eNB) và MME

- S1-U: Giao diện giữa các eNB và cổng dịch vụ S-GW

- S10: Được sử dụng bởi MMEs để hỗ trợ thay đổi MME

- X2: Được sử dụng để hỗ trợ nội MME chuyển giao mà không bị mất gói tin

nối Ngoài ra P-CSCF còn có các chức năng liên quan đến bảo mật và nén báo hiệu

Nó thiết lập một số liên kết bảo mật với các thiết bị đầu cuối của mình nhằm trao đổi các thông tin giao thức SIP một cách toàn vẹn Các thiết bị đầu cuối và P-CSCF

có thể liên lạc thông qua một liên kết vô tuyến với băng thông thấp Ngoài ra nó còn

có khả năng xác thực nhận dạng thông tin của khách hàng và gửi tới các node khác trong mạng, nhờ đó mà các node khác không cần phải xác thực lại và có thể sử dụng trực tiếp các thông tin đó để sử dụng cho việc cung cấp các dịch vụ để chuyển tải chính sách dữ liệu tới các PCRF

2.2.1 Chức năng của thiết bị sử dụng UE (User Equipment)

minh sử dụng trên điện thoại di động, lưu trữ những thông tin như số điện thoại, mã

số mạng di động, số PIN, số điện thoại cá nhân và các thông tin cần thiết khác khi

sử dụng điện thoại

2.2.2 Mạng truy cập vô tuyến RAN (Radio Access Network)

2.2.2.1 Chức năng của thực thể quản lý di động MME (Mobility Management Entity)

các Node xử lí tín hiệu giữa UE và CN Giao thức giữa UE và CN là Non-Access Stratum (NAS) Chức năng chính của MME bao gồm:

truy nhập 2G/3G

 Trạng thái UE rỗi – Idle theo dõi và khả năng liên lạc (bao gồm điều khiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi)

Home Subscriber Service) và định vị các UE

vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật

2.2.2.2 Chức năng Evolved Node B (eNB)

Là trạm thu gốc được tăng cường mới, có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP Nó là một BTS được tăng cường cung cấp giao diện không gian LTE

và thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống truy nhập tiên tiến Nó bao gồm các chức năng sau:

tuyến

định tuyến tới một MME nào thì nó có thể xác định từ thông tin được cung cấp bởi

UE di chuyển giữa các Node B (eNB) nó cũng cung cấp các trạm di động để kết nối liên mạng với các kĩ thuật khác của 3GPP như GPRS và UMTS

tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắt đầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE

 Khi các UE ở trạng thái rỗi, S-GW kết thúc đường dữ liệu Dowlink và kích hoạt tìm gọi khi dữ liệu Dowlink chuyển tới UE

và chuyển tiếp gói tín)

 Tính phí trên mỗi đường hướng xuống và hướng lên trên mỗi thiết bị

người dùng, nút dữ liệu gói (PDN) và nhận dạng lớp chất lượng dịch vụ (QoS)

2.2.3.2 Cổng mạng dữ liệu gói P-GW (Packet Data Network-Gateway)

PDN GW cung cấp kết nối cho UE tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểm vào ra của lưu lượng cho UE, một UE có thể đồng thời kết nối với nhiều hơn một P-GW nó có các chức năng sau:

 Chịu trách nhiệm định vị địa chỉ IP cho UE (gán IP từ mạng PDN vào UE);

mật giữa các UE được kết nối từ một mạng truy nhập không tin cậy)

2.2.3.3 Chức năng chính sách và quy định tính phí PCRF (Policy and Charging Rules Function)

PCRF là nút phần mềm được chỉ định trong thời gian thực để xác định các quy tắc chính sách trong một mạng đa phương tiện

cuộc gọi hoặc các ứng dụng chính sách kích hoạt khác

ra quyết định chính sách cho mỗi thuê bao đang hoạt động trên mạng Một mạng lưới như vậy có thể cung cấp nhiều dịch vụ, chất lượng dịch vụ (QoS) cấp, và các quy tắc tính cước

2.2.4 Máy chủ quản lý thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server) HSS là một trung tâm lưu trữ của tất cả các thuê bao trong phạm vi của HSS Nó có chức năng chính sau:

2.2.5 Ứng dụng (Application)

Dịch vụ đa phương tiện IMS (IP Mutimedia Server)

IP Mutilmedia Server (IMS) là một kiến trúc gồm nhiều chức năng được gắn kết với nhau thông qua các giao tiếp đã được chuẩn hóa nhằm cung cấp các dịch vụ

đa phương tiện qua vùng chuyển mạch gói IP cơ bản IMS được coi như kiến trúc cho việc hội tụ mạng thoại, dữ liệu và di động

Sử dụng các giao thức:

Giao thức SIP (Session Initiation Protocol): là giao thức thuộc lớp ứng dụng được sử dụng cho việc thiết lập, điều khiển và kết nối các phiên đa phương tiện trong một mạng IP

Giao thức DIAMETER: là giao thức cho việc nhận thực, cấp phép và tính

- Mặt phẳng ứng dụng: Bao gồm máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ thuê bao thường trú HSS

- Mặt phẳng truyền tải: Bao gồm thiết bị người dùng (User UE), các giao tiếp kết nối vào mạng lõi IP

Equipment Mặt phẳng điều khiển : Gồm mạng lõi IMS

Ưu điểm của IMS:

1 Có thể tích hợp nhiều dịch vụ trong 1 dịch vụ, ví dụ như vừa chát vừa nhận e-mail và voIP trên cùng 1 nền web

2 Dịch vụ độc lập với cơ sở hạ tầng, làm cho ta có thể dễ dàng triển khai nhanh chóng thêm dịch vụ mới

3 Có cơ chế hỗ trợ QoS, giúp đỡ các địa chỉ IP có cơ chế best effort, đảm bảo chất lượng các dịch vụ như VoIP, VoD,

2.2.6 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến

Nút Gateway giữa mạng truy nhâp vô tuyến và mạng lõi được phân ra thành hai thực thể luận lý:

 Serving Gateway (Serving-GW)

Mobility Manager Entity (MME)

Hình 2.3 Các đường giao tiếp giữa mạng lõi và mạng truy cập vô tuyến

Trong thực tế, cả hai thành phần luận lí này có thể được thực hiện trên cùng một thiết bị phần cứng hoặc có thể được tách ra để có thể tăng giảm kích cỡ độc lập với nhau Bởi vì đường giao tiếp S1 được dùng cho cả dữ liệu người dùng (nối với Serving_GW) lẫn dữ liệu báo hiệu (nối với MME), nên kiến trúc của các giao thức tầng cao hơn được phân ra thành hai bộ giao thức khác biệt: S1-MME và S1-U

- Giao thức S1-MME (điều khiển) được dùng để trao đổi các thông điệp điều khiển giữa một UE và MME Các thông điệp này được trao đổi qua các kênh "non-IP" đặc biệt trên giao tiếp vô tuyến rồi sau đó được eNodeB đặt vào trong các gói IP trước khi chúng được gửi chuyển tiếp đến MME Tuy nhiên, dữ liệu người dùng đã được truyền với tính cách các gói IP qua giao tiếp vô tuyến, và chúng được gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) đến Serving-GW

Nếu MME và Serving-GW được thực hiện riêng biệt, đường giao tiếp S11 sẽ được dùng để liên lạc giữa hai thực thể đó Cần có sự liên lạc giữa hai thực thể đó,

Ví dụ như: Để tạo ra các kênh truyền khi người dùng nối vào mạng, hoặc để sửa đổi một đường hầm khi một người dùng nào đó di chuyển từ cell này sang cell khác Không giống như các mạng vô tuyến không dây trước đó, khi một Gateway của mạng truy nhập (SGSN) chịu trách nhiệm đối với một số RNC nhất định và mỗi RNC đến lượt nó lại chịu trách nhiệm đối với một số trạm cơ sở nhất định, đường giao tiếp S1 hậu thuẫn một kiến trúc nối kết mắt lưới (mesh) Có nghĩa là không phải

chỉ một mà là vài MME và Serving-GW có thể liên lạc với từng eNodeB, và số lượng MME và Serving-GW có thể khác biệt Điều này làm giảm số lượng các cuộc liên chuyển giao - MME khi nguời dùng di chuyển, và cho phép số lượng MME phát triển độc lập với số lượng Serving-GW, bởi vì dung lượng của MME lệ thuộc vào tải trọng báo hiệu, còn dung lượng của Serving-GW lệ thuộc vào tải trọng dữ liệu truyền của người dùng Những dung lượng này có thể phát triển khác nhau qua thời gian Một kiến trúc mắt lưới của giao tiếp S1 cũng bổ sung tính dự phòng cho mạng Nếu một MME hỏng, thì một MME thứ hai có thể tự động tiếp quản nếu nó được cấu hình để phục vụ những cell giống như MME kia Tác hại duy nhất của một cơ chế khôi phục tự động khi gặp hỏng hóc như vậy là, những người dùng được phục

vụ bởi MME hỏng phải đăng kí lại với mạng Những khả năng mắt lưới của giao tiếp S1 được dùng trong thực tế như thế nào là tùy thuộc vào chính sách của các nhà cung cấp dịch vụ mạng và vào kiến trúc của mạng vận chuyển bên dưới

2.2.7 Đường giao tiếp với cơ sở dữ liệu người dùng

Một đường giao tiếp quan trọng nữa trong các mạng lõi LTE là đường giao tiếp S6 nối giữa các MME và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thuê bao

Hình 2.4 Đường giao tiếp trong mạng lõi

Trong UMTS/GPRS/GSM, cơ sở dữ liệu này được gọi là HLR (Home

Location Register)

Trong LTE, HLR được sử dụng lại và được đổi tên thành HSS (Home Subscriber Server) Về cơ bản, HSS là một HLR cải tiến, và chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS, UMTS, LTE Đường giao tiếp S6 dùng giao thức Diameter [9,1.2.4.1] dựa trên IP HSS là một cơ sở dữ liệu kết hợp, và nó được sử dụng đồng

thời bởi các mạng GSM, UMTS và LTE thuộc cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng Vì thế, ngoài đường giao tiếp S6 dành cho LTE ra, nó tiếp tục hậu thuẫn đường giao tiếp MAP truyền thống

2.2.8 Cấu trúc chuyển vùng (roaming)

Một mạng hoạt động trong một quốc gia được gọi là mạng di động mặt đất công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) Chuyển vùng, nơi người dùng được cho phép kết nối đến các PLMN khác, là một điểm nổi bật của mạng di động,

và LTE/SAE cũng không phải là ngoại lệ Khi người sử dụng chuyển vùng, họ sẽ được kết nối đến E-UTRAN, MME và S-GW của mạng LTE khách.Tuy nhiên, LTE/SAE chỉ cho phép sử dụng P-GW hoặc của mạng khách hoặc của mạng nhà

Sử dụng P-GW mạng nhà cho phép người sử dụng truy cập các dịch vụ của mạng nhà ngay khi đang ở trong mạng khách Một P-GW trong mạng khách cho phép ngắt cục bộ (local breakout) đối với mạng Internet trong mạng khách

Hình 2.5 Cấu trúc chuyển vùng truy cập với P-GW trong mạng nhà

2.2.9 Kết nối với các mạng khác

EPS cũng hỗ trợ kết nối và chuyển giao với các mạng dùng kĩ thuật truy cập

vô tuyến khác như GSM, UMTS, CDMA2000 và WIMAX Kiến trúc đó được chỉ

ra trên hình

Hình 2.6 Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS

S-GW hoạt động như một trạm di động (mobility anchor) dùng để kết nối với các kĩ thuật 3GPP như GSM và UMTS trong khi P-GW cho phép kết nối với các mạng không phải của 3GPP như CDMA 2000 hay WIMAX

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN

2.3.1 Kênh vật lý

Các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm:

 PDSCH (Physical Downlink Shared Channel)

 PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)

 PUCCH (Physical Uplink Control Channel)

 PDCCH (Physical Downlink Control Channel)

 PBCH (Physical Broadcast Channel)

2.3.2 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 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 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 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 hỗ 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 MBS

2.4 Các kĩ thuật truy nhập cơ bản trong LTE

Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều các công

nghệ đa truy nhập, cụ thể: đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho đường xuống (OFDMA) và đa truy nhập phân chia tần số - đơn sóng mang (SC-FDMA) cho đường lên trước tiên ta xét cho đường xuống

2.4.1 Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM và OFDMA

Truyền dẫn OFDM là một kiểu truyền dẫn đa sóng mang, một số đặc điểm của 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

số, khoảng cách giữa các sóng mang phụ (∆f) là 15kHz Ngoài ra, chu kỳ của OFDM là 1/∆f cộng với chu trình đầu tiên Các chu trình đầu được sử dụng để duy trì trực giao giữa các sóng mang phụ, cho cả thời gian phân tán các kênh vô tuyến

Hình 2.7 Tài nguyên vật lý đường xuống của LTE

Một phần tài nguyên mang QPSK, 16QAM hay 64QAM, ví dụ với 64QAM mỗi phần mang 6 bit Các OFDM được phân nhóm thành các khối tài nguyên, các khối tài nguyên có tổng kích thước là 180 kHz trong miền tần số và 0.5 ms trong miền thời gian Mỗi người dùng được phân bổ một số khối tài nguyên trong lưới thời gian - tần số Các khối tài nguyên người dùng nhận được càng nhiều và điều chế sử dụng trong một phần tài nguyên càng cao thì tốc độ bit càng cao

Các khối tài nguyên nào và có bao nhiêu người dùng nhận được tại một điểm nhất định phụ thuộc vào cơ cấu lập danh mục cải tiến trong chiều thời gian và tần số Danh mục các tài nguyên có thể được cập nhật hàng ms, có nghĩa là 2 khối tài nguyên rộng 180 kHz và có tổng chiều dài là 1 ms gọi là khối danh mục Cơ cấu lập danh mục trong LTE tương tự như cơ cấu được sử dụng trong HSPA và cho phép tối ưu hiệu suất cho các dịch vụ khác nhau trong các môi trường vô tuyến khác nhau

Trên hình minh họa các tính năng chính của một tín hiệu OFDM ở miền tần số

và thời gian Trong miền tần số, đa truy nhập các âm liền kề hoặc các sóng mang con một cách độc lập với các dữ liệu điều biến Sau đó, trong miền thời gian, khoảng bảo

vệ được chèn vào giữa mỗi ký hiệu để ngăn chặn nhiễu liên ký hiệu ở máy thu gây ra bởi nhiều con đường trễ lan truyền trong kênh vô tuyến

Khi so sánh với công nghệ CDMA mà đại diện là UMTS , OFDM có một số ưu điểm khác biệt:

- OFDM có nhiều khả năng chống pha đinh

- Các bộ bù kênh của OFDM thực hiện đơn giản hơn các bộ bù của CDMA như

là tín hiệu OFDM được biểu diễn trong miền tần số hơn là miền thời gian

- OFDM có thể hoàn toàn có khả năng chống được nhiễu đa đường Điều này là

có thể bởi vì các ký hiệu dài được sử dụng cho OFDM có thể được ngăn cách bởi một khoảng bảo vệ được gọi là tiền tố vòng (CP) CP là một bản sao của biên của một ký hiệu được chèn vào lúc bắt đầu Bởi lấy mẫu tín hiệu nhận được tại thời điểm tối ưu, máy thu có thể loại bỏ các nhiễu miền thời gian giữa các biểu tượng liền kề gây ra bởi lan truyền trễ đa đường trong kênh vô tuyến

- OFDM là phù hợp hơn để sử dụng MIMO biểu diễn miền tần số của tín hiệu cho phép dễ dàng mã hóa để phù hợp với tín hiệu tần số và đặc điểm của kênh truyền

đa đường

2.4.1.2 Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM

Tồn tại 2 tiêu chí cần cân nhắc trong việc chọn sóng mang con:

- Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (IFFT càng lớn càng tốt) để giảm thiểu tỉ lệ chi phí cho tiền tố vòng _CP: TCP/(IFFT + 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 pha đinh vô tuyến do trải Doppler lớn, kênh có thể thay đổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan IFFT 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 số 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 song mang con như trên cũng có thể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều

2.4.1.3 Sử 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 thuđược 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