Triển khai quy hoạch mạng vô tuyến 4g LTE cho mobifone tại hà nội

Khi được triển khai sử dụng, mạng 4G LTE sẽ rút ngắn thời gian truyền tải của các dòng dữ liệu lớn đến và đi khỏi thiết bị đồng thời mang lại lợi ích cho những giao tiếp có tính chất tra

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

TRIỂN KHAI QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN 4G LTE CHO MOBIFONE

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

-HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN

BÙI KHÁNH HUYỀN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

TRIỂN KHAI QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN 4G LTE CHO MOBIFONE

TẠI HÀ NỘI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Người Hướng Dẫn Kỹ Thuật : PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – Năm 2018

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

LỜI MỞ ĐẦU 8

LỜI CAM ĐOAN 9

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G LTE 10

Khái niệm 10

1.1.1 Các hướng phát triển lên LTE 10

1.1.2 Công nghệ UMB (Ultra Mobile Broadband) 12

1.1.3 WiMAX 12

1.1.4 Công nghệ 4G LTE 13

1.1.4.1 Động cơ thúc đẩy 13

1.1.4.2 Các giai đoạn phát triển của LTE 13

1.1.4.3 Các đặc tính cơ bản của LTE 14

Mô hình hệ thống LTE 14

1.2.1 Thiết bị truy cập mạng lõi E-UTRAN 15

1.2.1.1 Định nghĩa 15

1.2.1.2 Chức năng 15

1.2.2 Thiết bị eNodeB Nokia 16

1.2.2.1 Khối xử lý vô tuyến RF 16

1.2.2.2 Khối xử lý tín hiệu băng cơ sở – System module (FSMF) 18

1.2.3 Mạng lõi EPC 19

1.2.3.1 Thực thể quản lý di động (MME) 19

1.2.3.2 Gateway phục vụ (S-GW) 19

1.2.3.3 Gateway mạng dữ liệu gói (P-GW) 19

1.2.3.4 PCRF 20

1.2.3.5 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) 20

1.2.4 Miền dịch vụ (Services domain) 20

Các giao diện chính 21

1.3.1 X2 21

1.3.2 S1 21

Chuyển giao đối với LTE 21

Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2 - MẠNG ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN LTE 24

Chế độ đa truy nhập trong LTE 24

Các kỹ thuật đa truy nhập 24

2.2.1 Đa truy nhập đường xuống OFDMA 25

2.2.2 Đa truy nhập đường lên SC-FDMA 28

Nhiễu trong hệ thống OFDMA & SC-FDMA 29

Kỹ thuật đa anten MIMO 30

2.4.1 Khái niệm 30

2.4.2 Cơ chế hoạt động 32

2.4.3 Anten S-Wave EW_EW-65-18DV2_12-VN1_DE 33

2.4.3.1 Tính năng chính 34

2.4.3.2 Thông số 34

Ảnh hưởng của một vài thông số chính 36

2.5.1 Công suất phát 36

2.5.2 Các thông số về bức xạ anten tới vùng phủ 36

2.5.2.1 Tilt 36

2.5.2.2 Hệ số định hướng 38

2.5.2.3 Hệ số tăng ích 39

Mô hình truyền sóng 40

2.6.1 Mô hình Okumura-Hata 40

2.6.2 Mô hình COST 231 41

2.6.3 Mô hình Erceg-Greenstein - SUI (Đại học Stanford) 42

2.6.4 Mô hình truyền sóng CrossWave 43

2.6.5 Dữ liệu địa hình 44

2.5 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 - TRIỂN KHAI MẠNG LTE MOBIFONE KHU VỰC NỘI THÀNH HÀ NỘI 47 Quy hoạch mạng 4G-LTE Mobifone khu vực nội thành Hà Nội 47

3.1.1 Phân tích vùng phủ 51

3.1.2 Tính bán kính ô phủ (cell) 51

Quá trình thiết kế trên Atoll 53

3.2.1 Thiết kế thông số đầu vào 53

3.2.1.1 Cấu hình băng tần trạm LTE 53

3.2.1.2 Lựa chọn kênh điều chế 54

3.2.1.3 Cấu hình MIMO và STTD (STC) 55

3.2.1.4 Cấu hình anten 57

3.2.1.5 Thiết bị LTE 58

3.2.1.6 Thiết lập thông số trạm 1800 58

3.2.1.7 Thiết lập thông số mô hình truyền sóng 60

3.2.1.8 Các dịch vụ cấu hình 62

3.2.1.9 Đầu cuối 63

3.2.1.10 Dữ liệu người dùng 64

3.2.1.11 Địa hình 65

3.2.1.12 Bản đồ 66

3.2.2 Thiết kế PCI 67

3.2.3 Thiết kế Root Sequence Index (RSI) 69

Triển khai trạm tại quận Hoàng Mai 72

3.3.1 Yêu cầu thiết kế 72

3.3.2 Thực hiện thiết kế mạng 4G tại quận Hoàng Mai 72

3.3.3 Ánh xạ các trạm thiết kế khu vực Hoàng Mai vào Atoll 72

3.3.3.1 Trạm mới 72

3.3.3.2 Quy trình ánh xạ vào Atoll 73

3.3.4 Thực hiện một số mô phỏng 73

3.3.5 So sánh với kết quả đo kiểm thực tế 77

3.3.5.1 Vùng phủ sóng thể hiện theo RSRP 78

3.3.5.2 Vùng phủ sóng thể hiện theo RSRQ 82

3.3.5.3 Vùng phủ sóng thể hiện theo SINR 84

3.3.5.4 Kết quả đo tốc độ mạng sau khi phủ sóng 85

Kết luận chương 3 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 92

ACP Automatic Cell Planning

ARQ Automatic Repeat reQuest

BPSK Binary Phase Shift Keying

CDMA Code Division Multiple Access

COST Cooperative for Scientific and Technical

CP Cyclic Prefix

CP Control plane

CQI Channel Quality Indicator

DCCH Dedicated Control Channel

DEM Digital Elevation Model

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

DL Downlink

DSCP Differentiated Services Code Point

DTCH Dedicated Traffic Channel

DTM Digital Terrain Map

EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution

eMBMS Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services

eNodeB Evolved NodeB

EPC Evolved Packet Core

E-UTRAN Evolved – Universal Terrestrial Access Network

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequentcy Division Multiple Access

GERAN GSM EDGE Radio Access Network

GGSN Gateway GPRS Support Node

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile communications

GTP GPRS Tunneling Protocol

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest

HO Handover

HSPA High Speed Packet Access

HSS Home Subscriber Server

ICMP Internet Control Message Protocol

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IMS IP Multimedia Subsystem

ITU International Telecommunication Union

2

Chữ viết tắt Giải thích

LTE Long Term Evolution

MAC Medium Access Control

MBSFN Multimedia Broadcast Multicast Service over Single Frequency Network MIB Management Information Base

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

MISO Multiple-Input Single-Output

MME Mobility Management Entity

MTU Maxium Transmission Unit

NACK Negative Acknowledgement

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

PAR Peak-to-Average

PBCH Physical Broadcast Channel

PCC Policy Control and Charging

PCEF Charging Enforcement Function

PCRF Policy and Charging Rules Function

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PDU Protocol Data Unit

PGW Packet Data Network Gateway

P-GW Packet Data Network Gateway

PHY Physical Layer

PSS Primary Synchronization Signal

PUCCH Physical Uplink Control Channel

PUSCH Physical Uplink Shared Channel

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature phase shift keying

RACH Random Access Channel

RB Resource block

RE Resource Element

RLC radio link control

RNC Radio Network Controller

RSRP Reference Signal Received Power

RSRQ Reference Signal Received Quality

RSSI Received Signal Strength Indicator

SAE System Architecture Evolution

SCDMA Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access

SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division Multiple Access

SINR Signal to Interference and Noise Ratio

SISO Single-Input Single-Output

SPM Standard Propagation Model

STTD Space Time Transmit Diversity

TCP Transmission Control Protocol

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access

TMA Tower Mounted Amplifier

UDP User Datagram Protocol

UE User Equipment

UL Uplink

UL-RS Demodulation Reference Signal

UMB Ultra Mobile Broadband

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UP User Plane

UTRA Universal Terrestrial Radio Access

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

U-TRAN Universal Terrestrial Radio Access Network WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

4

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Dải điện áp đầu vào của FXED 18

Bảng 2 1 Cơ chế hoạt động của MIMO 32

Bảng 2 2 Thông số cơ của anten S-wave 34

Bảng 2 3 Bảng thông số điện của anten Swave 35

Bảng 2 4 Bảng thông số môi trường của anten Swave 35

Bảng 2 5 Mô hình COST 231 42

Bảng 3 1 Dữ liệu thống kê về mật độ dân số khu vục Hà Nội theo quận/huyện [15] 48

Bảng 3 2 Thống kê lưu lượng trạm 2G (trong tháng 05/2018) trên mạng Mobifone 49

Bảng 3 3 Thống kê lưu lượng trạm 3G (trong tháng 05/2018) trên mạng Mobifone 50

Bảng 3 4 Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng [4] 53

Bảng 3 5 Bảng phân bổ PCI 68

Bảng 3 6 Bảng phân bổ RSI 71

Bảng 3 7 Các chỉ tiêu chất lượng 77

Bảng 3 8 Đánh giá tỷ lệ phần trăm theo RSRP qua mô phỏng 79

Bảng 3 9 Đánh giá tỷ lệ phần trăm theo RSRQ qua mô phỏng 82

5

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Các hướng phát triển lên 4G [3] 12

Hình 1 2 Tổng quan hệ thống LTE [1] 15

Hình 1 3 Sơ đồ kết nối một trạm eNodeB cho cột tập trung [2] 16

Hình 1 4 Ví dụ khối xử lý vô tuyến FXED [2] 17

Hình 1 5 Các loại chuyển giao 22

Hình 2 1 So sánh hiệu quả sử dụng phổ của OFDM với điều chế đa sóng mang cơ bản khác (a) – phổ hệ thống đa sóng mang cơ bản (b)- phổ hệ thống OFDM [6] 25

Hình 2 2 Các phương pháp đa truy nhập [4] 26

Hình 2 3 Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA [6] 26

Hình 2 4 So sánh 02 kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [3] 29

Hình 2 5 Nhiễu trong hệ thống WCDMA và SC-FDMA [2] 30

Hình 2 6 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến [11] 31

Hình 2 7 Anten S-Wave EW_EW-65-18DV2_12-VN1_DE [8] 34

Hình 2 8 Vùng phủ sau khi giảm tilt cơ 36

Hình 2 9 Vùng phủ sau khi giảm tilt điện 37

Hình 2 10 Các cell trước khi tối ưu 37

Hình 2 11 Các cell sau tối ưu bằng cách giảm tilt cơ 37

Hình 2 12 Các cell sau tối ưu bằng cách giảm tilt điện 38

Hình 2 13 Công thức tính toán góc nghiêng anten [8] 38

Hình 2 14 Mô hình Okumura-Hata [10] 41

Hình 2 15 Thí điểm một số trạm LTE sử dụng mô hình Cost-Hata [10] 42

Hình 2 16 Mô hình Erceg-Greenstein (SUI) [10] 43

Hình 2 17 Các yếu tố hiệu chỉnh cho các môi trường khác nhau [10] 43

Hình 2 18 Mô hình độ cao kỹ thuật số [10] 44

6

Hình 2 19 Mô hình Bare-Earth [10] 45

Hình 3 1 Mô hình triển khai mạng 4G LTE Mobifone [2] 47

Hình 3 2 Mô tả quá trình tính toán bán kính vùng phủ R 51

Hình 3 3 Ba loại site khác nhau (ommi, 2-sector, 3-sector) [14] 52

Hình 3 4 Lựa chọn băng tần triển khai 54

Hình 3 5 Các tham số LTE để định cấu hình các dải tần số 54

Hình 3 6 Lựa chọn kênh điều chế 55

Hình 3 7 Ngưỡng chuyển đổi giữa các kênh điều chế 55

Hình 3 8 Thiết lập MIMO và STTD (STC) 56

Hình 3 9 Các cấu hình MIMO khác nhau 56

Hình 3 10 Thiết lập thông số anten 57

Hình 3 11 Cell và UE 58

Hình 3 12 Tính di động 58

Hình 3 13 Thiết thông số trạm 1800 – General 59

Hình 3 14 Thiết lập thông số trạm 1800 - Transmitter 59

Hình 3 15 Thiết lập thông số trạm 1800 - Cell 60

Hình 3 16 Một số mô hình truyền sóng trong Atoll 61

Hình 3 17 Thông số mô hình truyền sóng Standard 62

Hình 3 18 Dịch vụ VoIP 63

Hình 3 19 Đầu cuối 64

Hình 3 20 Dịch vụ VoIP 65

Hình 3 21 Các địa hình có trong Atoll 65

Hình 3 22 Địa hình đô thị dày đặc 66

Hình 3 23 Bản đồ thiết lập trong Atoll 66

Hình 3 24 Thiết kế PCI [11] 67

7

Hình 3 25 Root Sequence Index [11] 70

Hình 3 26 Ví dụ minh họa về các nhóm RSI sau khi được chia [11] 71

Hình 3 27 Ánh xạ các trạm đã thiết kế khu vực Hoàng Mai 73

Hình 3 28 Một số lựa chọn mô phỏng vùng phủ 74

Hình 3 29 Thiết lập thông số vùng phủ mô tả bằng mức tín hiệu 74

Hình 3 30 Kết quả mô phỏng vùng phủ bằng mức tín hiệu DL của cluster 08 75

Hình 3 31 Vùng chồng lấn của các cell 75

Hình 3 32 Các mức tín hiệu từ các cell khác nhau 76

Hình 3 33 Thông tin Bearer 76

Hình 3 34 Vùng phủ mô phỏng trên Atoll thể hiện theo RSRP 78

Hình 3 35 Bản đồ vùng phủ thực tế thể hiện theo RSRP 80

Hình 3 36 Biểu đồ thể hiện theo RSRP theo kết quả đo thực tế 80

Hình 3 37 Nguyên nhân giảm RSRP 81

Hình 3 38 Vùng phủ mô phỏng trên Atoll thể hiện theo RSRQ 82

Hình 3 39 Bản đồ vùng phủ thực tế thể hiện theo RSRQ 83

Hình 3 40 Biểu đồ thể hiện theo RSRQ theo kết quả đo thực tế 83

Hình 3 41 Bản đồ vùng phủ thể hiện theo SINR 84

Hình 3 42 Biểu đồ thể hiện theo SINR 84

Hình 3 43 Biểu đồ throughput PDSCH 85

Hình 3 44 Biểu đồ throughput PUSCH 86

Hình 3 45 Vùng phủ trạm HHI052A_LTE trước khi hiệu chỉnh 86

Hình 3 46 Vùng phủ trạm HHI052A_LTE sau khi hiệu chỉnh 87

Hình 3 47 Vùng phủ trạm HHI052B_LTE trước khi hiệu chỉnh 87

Hình 3 48 Vùng phủ trạm HHI052B_LTE sau khi hiệu chỉnh 88

8

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, ngoài việc số lượng thuê bao tăng cao, nhu cầu sử dụng mạng đa dịch

vụ, tốc độ truy cập cao…Khi mà hệ thống 3G chưa đủ đáp ứng, cùng với xu thế của thế giới Việt Nam đã bắt đầu triển khai 4G từ cuối năm 2016 Trong đó, 03 nhà mạng lớn đang triển khai chính thức và cung cấp các dịch vụ trên mạng thông tin di động 4G đó là Vinaphone, Mobifone, Viettel

Việc triển khai 4G LTE ở Việt Nam là bước tiến tất yếu đối với nền công nghệ viễn thông trong nước Khi được triển khai sử dụng, mạng 4G LTE sẽ rút ngắn thời gian truyền tải của các dòng dữ liệu lớn đến và đi khỏi thiết bị đồng thời mang lại lợi ích cho những giao tiếp có tính chất trao đổi liên tục như trong các game trực tuyến nhiều người chơi, các cuộc gọi video call cũng trở lên thực hơn nhờ độ trễ của âm thanh và hình ảnh được rút ngắn

Kiến trúc mạng LTE/4G với trạm gốc eNodeB được thiết kế phức tạp hơn, bao gồm chức năng như quản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển và đo đạc mức tín hiệu Đặc biệt trong cấu trúc mạng lõi 4G dựa trên nền tảng gói IP do đó sẽ không còn chuyển mạch kênh như trong các thế hệ 2G, 3G hiện tại

Mobifone hiện tại đang sử dụng công nghệ WCDMA/3G - GSM/2G, nên việc triển khai LTE/4G trên cơ sở kế thừa cơ sở hạ tầng mạng, cũng như hạ tầng nhà trạm

có sẵn là hoàn toàn thuận lợi và có tính khả thi cao, giảm thiểu những thay đổi, sử dụng công nghệ mới nhất nhằm đảm bảo tốc độ truyền số liệu mà không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có Xuất phát từ thực tế, đề tài đi vào nghiên cứu tìm hiểu công nghệ 4G LTE, thực hiện khảo sát và thiết kế trạm mới 4G LTE Em xin

chọn đề tài “Triển khai quy hoạch mạng vô tuyến 4G LTE cho Mobifone tại Hà Nội“

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Vũ Văn Yêm, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em hoàn thành đề tài này

9

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu, tìm hiểu của riêng tôi, luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS.TS Vũ Văn Yêm Các

số liệu, kết quả trong luận văn đều hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây Các tài liệu nghiên cứu dùng để phân tích và so sánh đều được trích dẫn cụ thể, rõ ràng, đúng quy định Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo được trích dẫn theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Nếu có bất kỳ sai phạm nào liên quan tới việc sao chép nội dung luận văn, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Bùi Khánh Huyền

Lưu ý rằng một mạng di động nhanh hơn mạng 3G hiện tại chưa có nghĩa nó sẽ được gọi là mạng 4G Để được gọi 4G, nó cần đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn đã được đặt ra cho mạng này

Tháng 3/2008, Liên minh viễn thông – radio quốc tế (ITU-R) đã giới thiệu một vài yêu cầu kỹ thuật cho một mạng được gọi là "4G" Theo các tiêu chuẩn này, một mạng lưới được gọi là 4G khi và chỉ khi dùng một điện thoại thông minh truy cập được với tốc độ 1 Gbps (khi ngồi hoặc di chuyển chậm) hoặc 100 Mbps khi di chuyển bằng xe hơi hoặc tàu hỏa ITU-R sau đó sớm nhận ra rằng tiêu chuẩn này quá cao Hai ứng viên hàng đầu là WIMAX và LTE đều không thể cung cấp tốc độ internet cao như vậy

Tuy nhiên, ITU-R cho phép họ được tiếp thị như là mạng "4G" Từ đó, mạng LTE bước vào đời sống viễn thông thế giới

1.1.1 Các hướng phát triển lên LTE

Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng NTT DoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G Quan điểm này được xem như là một “quan điểm tuyến tính” trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100Mbit/s Với cách nhìn nhận này thì 4G sẽ chính là mạng 3G LTE, UMB hay WiMAX 802.16m Nhìn chung đây cũng là khuynh

Dù theo quan điểm nào, tất cả đều kỳ vọng là mạng thông tin di động thế hệ thứ

tư 4G sẽ nổi lên vào khoảng 2010 - 2015 như là một mạng vô tuyến băng rộng tốc độ siêu cao

Mạng 4G sẽ không phải là một công nghệ tiên tiến vượt bậc, đủ khả năng đáp ứng tất cả các loại hình dịch vụ cho tất cả các đối tượng người dùng Những công nghệ

“đình đám” nổi lên gần đây như WiMAX 802.16m, Wibro, UMB, 3G LTE, H…mặc dù chúng đáp ứng tốc độ truyền lớn, tuy nhiên chúng chỉ được xem là những công nghệ pre-4G (tiền 4G)

DVB-Mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đang phát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-4G, RFID, UWB, vệ tinh… để cung cấp một kết nối vô tuyến đúng nghĩa rộng khắp, mọi lúc, mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung cấp nào, không kể người dùng đang dùng thiết bị di động gì Người dùng trong tương lai sẽ thực sự sống trong một môi trường “tự do”,

có thể kết nối mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp, dịch vụ chất lượng cao và mang tính đặc thù cho từng cá nhân

Có 3 hướng phát triển chính lên LTE thể hiện ở hình 1.1:

12

Hình 1 1 Các hướng phát triển lên 4G [3]

1.1.2 Công nghệ UMB (Ultra Mobile Broadband)

Công nghệ UMB là thế hệ mạng thông tin di động tiếp nối của CDMA2000 được phát triển bởi 3GPP2 mà chủ lực là Qualcomm UMB cũng được sánh ngang với công nghệ LTE của 3GPP với kỳ vọng trở thành lựa trọn cho thế hệ di động thứ 4G UMB

sử dụng OFDMA, MIMO, đa truy cập phân chia theo không gian cũng như các kỹ thuật anten hiện đại để tăng khả năng của mạng, tăng vùng phủ và tăng chất lượng dịch vụ UMB có thể cho tốc độ dữ liệu đường xuống tới 280Mbit/giây và dữ liệu đường lên tới 75Mbit/giây

1.1.3 WiMAX

IEEE 802.16 đã công bố một phiên bản vào tháng 10/2004, được thiết kế với tên gọi IEEE 802.16.2004 Phiên bản di động của IEEE 802.16 đã được phát triển trong

dự án IEEE 802.16e được biết rộng rãi với cái tên Mobile WiMAX, đặc biệt xem xét

sử dụng OFDMA tại lớp PHY Tại cuộc họp ITU-R vào 5/2007 Mobile WiMAX đã được khuyến cáo như là OFDMA TDD WMAN (mặc dù vẫn cần được chấp nhận chính thức) và do đó đã để lại 50MHz băng tần quốc tế có sẵn ở dải 2.57 – 2.62 GHz

ở phổ 3GHz TDD, đối với từng quốc gia

13

1.1.4 Công nghệ 4G LTE

Hiện nay, công nghệ LTE vẫn đang được 3GPP tiếp tục nghiên cứu phát triển Phiên bản hoàn chỉnh đến thời điểm hiện tại là Rel-10 hoàn thiện vào năm 2011 cho phiên bản LTE-Advanced đáp ứng tiêu chuẩn 4G

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced

1.1.4.1 Động cơ thúc đẩy

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

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

- Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói

- Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi của người dùng về giảm giá thành

- Giảm độ phức tạp

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

1.1.4.2 Các giai đoạn phát triển của LTE

- Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP

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

- Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 - "EUTRA"- phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp nhận Cuối năm

2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại

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

- Độ trễ truyền dẫn: nhỏ hơn 5ms

- Độ rộng BW linh hoạt :1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz

Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

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

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

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

Với mục tiêu thiết kế hệ thống toàn IP, kiến trúc phẳng hơn nhằm nâng cao tốc độ

dữ liệu, giảm trễ, LTE được thiết kế chỉ hỗ trợ chuyển mạch gói (PS) mà không hỗ trợ chuyển mạch kênh (CS) như trong các hệ thống thế hệ trước Nó cung cấp kết nối

IP giữa thiết bị người dùng (UE) và mạng dữ liệu gói (PDN: Packet Data Network) Thuật ngữ LTE bao hàm mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN, nó được kết hợp với

15

mạng lõi Evolved Packet Core EPC LTE và EPC kết hợp tạo thành hệ thống gói Evolved Packet System – EPS [1]

Hình 1 2 Tổng quan hệ thống LTE [1]

1.2.1 Thiết bị truy cập mạng lõi E-UTRAN

Chỉ có duy nhất một phần tử trong mạng truy nhập vô tuyến cải tiến E-UTRAN [1,3,6] là eNodeB Đây là trạm gốc vô tuyến, điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến

1.2.1.1 Định nghĩa

E-NodeB thay thế cho NodeB & RNC của 3G cũ, đảm nhiệm tất cả các chức năng quản lý vô tuyến, quản lý liên cell hiệu quả, kết nối giữa 2 eNodeB bằng giao diện X2 cho phép việc giao tiếp giữa các eNodeB đơn giản mà không cần thông qua EPC trong quá trình này

1.2.1.2 Chức năng

- Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM)

- Quản lý kết nối vô tuyến logic như: thiết lập, sửa đổi và giải phóng tài nguyên

vô tuyến

- Quản lý truy cập vô tuyến

- Thực hiện nén/ giải nén IP header

1.2.2 Thiết bị eNodeB Nokia

Hình 1 3 Sơ đồ kết nối một trạm eNodeB cho cột tập trung [2]

1.2.2.1 Khối xử lý vô tuyến RF

Khối thực hiện quá trình xử lý tín hiệu điều chế/giải điều chế tín hiệu sau khi nhận được từ anten (bằng dây jumper) và khối xử lý tín hiệu băng gốc FSMF (bằng dây quang)

Cụ thể, cấu hình ở đây ta sử dụng FXED là thiết bị module RF có 6 khuếch đại

công suất cho phép hỗ trợ 1,2 hoặc 3 sector với công suất phát tại connector anten lên tới 60 + 60W đối với TX ( hoặc công suất đầu ra 2TX MIMO) FXED hỗ trợ cấu hình riêng biệt với GSM và LTE cùng với cung cấp khả năng RF sharing [2]

 Các tính năng chính:

17

- Hỗ trợ band 1800 MHz

- Công suất đầu ra 6x60 W

- Cấp độ công suất GSM: 5,10,12,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60 W

- Băng thông tức thời trên GSM đối với DL 40MHZ, UL 60 Mhz

- Băng thông tức thời đối với RF sharing GSM/LTE hoặc LTE only : 60 Mhz trên

cả DL và UL

- Bộ lọc băng thông DL and UL : 75 Mhz

- Có khả năng hỗ trợ tới 6 module SFP

 Ưu điểm:

- Cho phép cấu hình GSM-LTE 3 sector trên cùng 1 module

- Hiệu năng tốt hơn với MCPA power pooling

- Công suất cao hơn trên một single RF module hỗ trợ RF sharing trong trường hợp giữa LTE và GSM

- Công suất tiêu thụ thấp hơn cho cấu hình liên quan tới 2RF

Hình 1 4 Ví dụ khối xử lý vô tuyến FXED [2]

18

 Công suất tiêu thụ

Bảng 1 1 Dải điện áp đầu vào của FXED

Tiêu chí Giá trị

Điện áp chuẩn đầu vào -48.0 V DC

Dải điện áp đầu vào -40.5 V DC to -57.0 V DC

Dải điện áp đầu vào mở rộng -36.0 V DC to -40.5 V DC

-57.0 V DC to -60.0 V DC

1.2.2.2 Khối xử lý tín hiệu băng cơ sở – System module (FSMF)

Xử lý tín hiệu phần băng gốc nhận được từ RF Module Làm nhiệm vụ điều khiển chính trong việc truy nhập vô tuyến

 Chức năng

- Hỗ trợ tương thích trên quan điểm OBSAI

- Hỗ trợ các công nghệ truy nhập vô tuyến:

- Đồng bộ đa dạng: đồng bộ qua TDM, đồng bộ mạng gói thông qua ToP/Ethernet, qua GPS hoặc luồng E1

Thực thể quản lý di động (MME) [1,6] là thành phần điều khiển chính trong EPC

Nó chỉ hoạn động trong miền control plane (CP) mà không tham gia vào miền user plane (UP) Kết nối với eNodeB thông qua giao diện S1-MME và kết nối với S-GW qua giao diện S11

 Các chức năng chính của MME trong kiến trúc hệ thống LTE/SAE như sau

Chức năng xác thực bảo mật, chức năng quản lý di động, chức năng quản lý lịch

sử thuê bao, xử lý cuộc gọi chờ, attach/detach thuê bao, tracking area update và điều khiển chuyển vùng thông qua giao diện S6 tới HSS

1.2.3.2 Gateway phục vụ (S-GW)

 Định nghĩa

Trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản, chức năng của S-GW [1,6] là quản lý

và chuyển mạch dữ liệu User plane giữa eNodeB và P-GW thông qua giao diện

S1-U và S5/S8 Nó bị quản lý bởi một hoặc nhiều thực thể di động MME thông qua giao diện S11

 Chức năng

Là điểm kết nối di động trong mạng – thực hiện chuyển mạch user plane tới một eNodeB mới trong quá trình handover, định tuyến và chuyển tiếp gói dữ liệu giữa eNodeB, PDN GW và SGSN

1.2.3.3 Gateway mạng dữ liệu gói (P-GW)

 Định nghĩa

PGW hay còn gọi là PDN-GW là bộ định tuyến biên giữa mạng EPC và các mạng

20

dữ liệu bên ngoài Nó có thể so sánh với GGSN trong 3G Tính năng chính là kiểm soát QoS giữa PDN và EPC Do đó, P-GW cũng được kết nối trực tiếp tới PCRF thông qua giao diện S7 UE kết nối được đồng thời tới nhiều P-GW điều này có nghĩa

có nhiều kết nối tăng cường tới P-GW

 Chức năng

Policy & Charging Enforcement (PCEF), hỗ trợ tính phí, lawful interception, phân

bổ địa chỉ IP cho UE, định tuyến và chuyển tiếp gói dữ liệu giữa SGW và các mạng

dữ liệu ngoài, sàng lọc gói (chức năng bảo vệ)

1.2.3.4 PCRF

 Định nghĩa & chức năng

PCRF – Policy & Charging Rule Funtions [1,6]: Chức năng quy định chính sách

và tính cước PCRF là một thành phần mạng chịu trách nhiệm điều khiển tính cước

và chính sách (PCC), quản lý chất lượng dịch vụ giữa mạng PDN ngoài và EPC

1.2.3.5 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS)

 Định nghĩa

HSS [1,6] là nơi chứa dữ liệu cho tất cả thuê bao Nó cũng ghi lại vị trí thuê bao như ở mức MME Kết nối với MME thông qua giao diện S6a Các thuê bao attached được phân bổ tại HSS (xác thực bởi MME)

 Chức năng

Là trung tâm lưu trữ thuê bao thường trú, lưu dữ dữ liệu di động và dịch vụ của thuê bao, chứa chức năng trung tâm nhận thực AuC

1.2.4 Miền dịch vụ (Services domain)

Miền dịch vụ [1,3,6] có thể bao gồm nhiều hệ thống con và do đó có thể chứa nhiều nút logic Dưới đây là các loại dịch vụ có thể cung cấp và loại cơ sở hạ tầng cần để cung cấp các dịch vụ:

- Các dịch vụ mạng dựa trên IMS

- Các dịch vụ mạng không dựa trên IMS

- Những dịch vụ khác không được cung cấp bởi nhà mạng

21

Các giao diện chính

1.3.1 X2

 X2AP [1,3,6] là giao thức ứng dụng Control Plane (CP)

 Nó bao gồm các chức năng cho việc chuyển giao và duy kết nối giữa các trạm eNodeB lân cận Trong suốt quá trình HO, eNB có thể sử dụng giao diện X2 để chuyển các gói đường xuống hoặc từ S-GW tới eNB đích Điều này tránh việc mất gói trong suốt quá trình HO

 Truyền tín hiệu SCTP / IP: Giao thức truyền dẫn điều khiển luồng (SCTP) và giao thức mạng (IP) đại diện cho việc truyền IP tiêu chuẩn phù hợp với các thông điệp báo hiệu SCTP cung cấp các chức năng phân phối và truyền tải tin cậy Bản thân giao thức IP có thể được chạy trên nền các lớp liên kết dữ liệu (L2) và lớp vật

lý (L1)

 Giao diện UP trong giao diện X2 cho phép chuyển các gói DL từ eNB nguồn đến eNB đích khi phần bearer S1-U vẫn chưa được phân bổ lại

1.3.2 S1

S1-MME: [1,3,6] là giao diện điều khiển giữa MME & eNB, tại đây chúng sẽ trao

đổi tín hiệu tầng không truy cập

Ví dụ: Nếu UE thực hiện việc Tracking area update thì một tin nhắn yêu cầu TRAU sẽ được gửi từ UE tới eNB và eNB sẽ chuyển tiếp tin nhắn tới MME thông qua giao diện S1-MME

S1AP: là giao thức lớp ứng dụng của giao diện S1-MME

S1-U: là giao diện UP giữa eNB và S-GW, nó là giao diện người dùng thuần túy,

S-GW nào mà một bearer SAE của người dùng phải sử dụng để báo hiệu từ MME tới người dùng đó

Chuyển giao đối với LTE

Hệ thống đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) sử dụng chuyển giao mềm cho cả đường lên và đường xuống Hệ thống truy nhập gói tốc độ cao HSPA (High Speed Packet Access) sử dụng chuyển

22

giao mềm cho đường lên nhưng không sử dụng cho đường xuống Ở hệ thống LTE, không sử dụng chuyển giao mềm, chỉ có chuyển giao cứng, do đó hệ thống trở nên đơn giản hơn

Trong hệ thống trước đây, mạng lõi quản lý bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller), RNC quản lý các trạm BS (Base Station) và BS lại quản

lý các UE Vì thế khi UE chuyển qua vùng RNC khác phục vụ, thì mạng lõi chỉ biết đến RNC đang phục vụ UE Mọi chuyển giao được điều khiển bởi RNC Nhưng đối với E-UTRAN, mạng lõi có thể thấy mọi chuyển giao [4]

Hình 1 5 Các loại chuyển giao

Chuyển giao cùng tần số (intra-frequency) được thực hiện giữa các ô cell (Cellular) trong cùng một eNodeB Chuyển giao khác tần số (intra-frequency) được thực hiện giữa các cell thuộc các eNodeB khác nhau

UE sẽ thực hiện trên dự đoán đo lường công suất thu tín hiệu tham chiếu RSRP (Reference Signal Receive Power) và chất lượng thu tín hiệu tham chiếu RSRQ (Reference Signal Receive Quality) dựa trên tín hiệu tham chiếu RS (Reference Signal) nhận được từ cell đang phục vụ và từ cell ảnh hưởng mạnh nhất Giải thuật chuyển giao dựa trên giá trị RSRP và RSRQ, chuyển giao được thiết lập khi các thông

số này từ cell ảnh hưởng cao hơn cell đang phục vụ

Tóm lại, với công nghệ mạng 4G LTE ta dùng công suất thu tín hiệu tham khảo RSRP là trung bình công suất của tất cả các thành phần tài nguyên mang tín hiệu tham khảo qua toàn bộ băng thông Nó có thể được đo lường ở tín hiệu OFDM mang tín

Chương 1 của luận văn đã khái quát được những nét đặc trưng của mạng 4G gồm:

ba hướng phát triển lên 4G gồm công nghê UMB, Wimax và công nghệ 4G - LTE dựa trên nền tảng của GSM đang được triển khai tại Việt Nam

Qua nghiên cứu và tìm hiểu ta thấy cấu trúc của 4G LTE gồm ba lớp đó là lớp mạng truy cập vô tuyến E-UTRA, lớp mạng lõi chuyển mạch gói EPC và lớp miền dịch vụ Trong đó, lớp mạng truy cập vô tuyến E-UTRA chỉ có duy nhất một phần tử eNodeB -NodeB phát triển, đây là trạm gốc vô tuyến điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến Hai giao diện chính trong mạng 4G/LTE đó là giao diện S1 giữa MME và eNodeB và giao diện X2 giữa các eNodeB Ngoài ra, ta còn thấy sự khác nhau trong quá trình chuyển giao của LTE và các công nghệ mạng trước đây Chương này cũng giới thiệu về thiết bị eNodeB của hãng Nokia với thiết kế nhỏ gọn, đơn giản hóa từ cấu hình lẫn giao diện phần cứng giúp giảm thiểu chi phí, quá trình vận hành khai thác dễ dàng Kết nối linh hoạt giữa khối xử lý băng tần cơ sở và khối xử lý tín hiệu cao tần vì vậy mà phần tử truy cập mạng vô tuyến eNodeB có khả năng đáp ứng đa tần số và đa công nghệ truy cập Khả năng đồng bộ mạng đa dạng như trên qua GPS, đồng bộ mạng gói thông qua ToP/Internet, TDM, E1… Có các kết cấu giao diện và khe cắm card mở rộng linh hoạt giúp dễ dàng thay đổi cấu hình trạm

và nâng cấp

24

CHƯƠNG 2 - MẠNG ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN LTE

Chế độ đa truy nhập trong LTE

Giao diện không gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần

số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD), mỗi chế độ có một cấu trúc khung riêng Phổ tần FDD yêu cầu một cặp băng tần, một cho đường lên và một cho đường xuống Trong khi đó, TDD chỉ sử dụng một băng tần đơn cho cả đường lên và xuống trên một tần số, nhưng sẽ có sự phân chia theo thời gian Kỹ thuật FDD được

sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phép tiết kiệm chi phí trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu

Trong khi FDD là một biến thể của 4G LTE thường được sử dụng tại thị trường Bắc Mỹ, châu Âu và một vài nước châu Á, TDD được triển khai tại Trung Quốc và

Ấn Độ với băng thông rộng hơn cho phép có được nhiều người dùng hơn trên mỗi MHz Ngoài ra, do việc kế thừa và phát triển từ các cấu trúc mạng lõi đã triển khai trước đây 2G (GSM) – 3G (WCDMA) chính vì vậy LTE ở nước ta triển khai LTE ở chế độ song công phân chia theo tần số FDD

Giao diện không gian LTE cũng hỗ trợ phát đa phương tiện và các dịch vụ phát quảng bá đa điểm (MBMS) Một công nghệ tương đối mới cho nội dung phát sóng như truyền hình kỹ thuật số tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm-đa điểm LTE xác định là một cấp cao hơn dịch vụ eMBMS, mà nó sẽ hoạt động qua một mạng đơn tần số phát quảng bá/đa điểm (MBSFN), bằng cách sử dụng một dạng sóng đồng bộ thời gian chung mà có thể truyền tới đa ô trong một khoảng thời gian nhất định MBSFN cho phép kết hợp qua vô tuyến của truyền đa ô tới UE, sử dụng tiền tố vòng (CP) để bảo vệ các sự sai khác do trễ khi truyền tải, để các UE truyền tải như là từ một tế bào lớn duy nhất Công nghệ này giúp cho LTE có hiệu suất cao cho truyền tải MBMS

Các kỹ thuật đa truy nhập

Ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là trường hợp đặc biệt của truyền

25

đa sóng mang hiện đang được quan tâm Trong OFDM, các kênh con với băng thông hẹp không lựa chọn tần số ở trong một kênh băng rộng chọn lựa tần số, chúng được chia đều chồng chéo nhưng trực giao, như trong Hình 2.1 (b) Điều này cần cho việc tách các sóng mang bằng các băng tần bảo vệ và khiến cho OFDM rất phổ biến hiệu quả Khoảng cách giữa các kênh con trong OFDM là đủ để chúng có thể tách ra chính xác tại máy thu Điều này cho phép triển khai bộ thu thấp phức tạp, làm cho OFDM hấp dẫn đối với truyền dữ liệu di động tốc độ cao như đường xuống LTE

Hình 2 1 So sánh hiệu quả sử dụng phổ của OFDM với điều chế đa sóng mang cơ bản khác (a) – phổ hệ thống đa sóng mang cơ bản (b)- phổ hệ thống OFDM [6]

2.2.1 Đa truy nhập đường xuống OFDMA

OFDMA [3,4,5] khắc phục được những nhược điểm của TDMA (2G) và CDMA (3G) đồng thời là sự kết hợp ưu điểm của các kỹ thuật này OFDMA dựa trên phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, trong đó dải tần cho phép được chia nhỏ thành rất nhiều các sóng mang con có dải tần hẹp 15 kHz và trực giao với nhau OFDMA có hiệu suất sử dụng phổ tần cao nhưng cũng có tỉ lệ công suất PAR (Peak-to-Average), do đó không thể áp dụng cho đường uplink

Theo dõi quá trình phát triển từ công nghệ đa truy nhập từ 1G, 2G, 3G tới 4G:

- Xuất phát điểm từ 1G FDMA: Điều chế đơn sóng mang, mỗi user được cấp một dải tần hẹp trong dải tần cho phép và được phép sử dụng dải tần hẹp đó trong toàn bộ thời gian sử dụng dịch vụ

- Phát triển từ FDMA, 2G TDMA: Điều chế đơn sóng mang, mỗi user cũng được cấp một dải tần hẹp như với FDMA, nhưng thay vì được một mình sử dụng dải tần

26

hẹp đó, mỗi user sẽ được cấp 1 timeslot xác định và các user được cấp cùng dải tần

sẽ thay nhau truyền trong khoảng thời gian của timeslot được cấp

Hình 2 2 Các phương pháp đa truy nhập [4]

- Tiến tới 3G CDMA: Đã không còn có sự phân chia về tần số và thời gian cho user Thay vào đó tất cả các user đều cùng truyền trong một miền thời gian, cùng được điều chế đơn sóng mang và được phân biệt với nhau bằng mã trực giao

- Và đối với 4G, 3GPP đã lựa chọn kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian

và tần số với công nghệ đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) OFDMA là kỹ thuật đa truy nhập dựa trên phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), trong đó dải tần cho phép được chia nhỏ thành rất nhiều các sóng mang con (sub-carrier) có dải tần hẹp 15 kHz và trực giao với nhau

Hình 2 3 Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA [6]

Với các đặc tính như trên, OFDMA sẽ có ưu điểm và nhược điểm như sau:

- Ưu điểm:

+ OFDMA cho phép truyền luồng dữ liệu tổng hợp từ nhiều luồng dữ liệu trên sóng mang con với tốc độ cao hơn nhiều so với việc truyền đơn sóng mang CDMA của 3G

+ Thêm vào đó, khi yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu tăng lên, tương ứng bắt buộc khoảng thời gian cho 1 kí hiệu (symbol interval) sẽ phải ngắn lại Đến một chừng mực nào đó, việc truyền dữ liệu tốc độ cao tương đương với symbol có thời gian ngắn với phương pháp điều chế đơn sóng mang như hiện tại đối với 3G CDMA sẽ có giới hạn, đến ngưỡng symbol interval nhỏ hơn nhiều so với trễ đường truyền (propagation delay) thì nhiễu xuyên ký hiệu ISI sẽ trở trành một vấn đề trầm trọng Với việc truyền

dữ liệu tốc độ thấp (tương đương symbol interval ngắn) trên nhiều sóng mang con, OFDMA đã vợt qua giới hạn này của 3G CDMA khi vấn đề với ISI sẽ được giảm đi đáng kể

+ Với việc các sóng mang con liên tiếp chồng lấn phổ tần số lên nhau, hiệu suất

sử dụng phổ tần cũng tăng lên đáng kể mà vấn đảm bảo không gây nhiễu lần nhau

28

- Nhược điểm:

+ LTE phải có thiết kế đảm bảo các sóng mang con luôn trực giao, chống lại hiện tượng dịch tần Doppler khi người dùng di chuyển với tốc độ cao OFDM sẽ mất đi ý nghĩa nếu tính trực giao của các sóng mang con không được đảm bảo

+ OFDM có tỉ lệ công suất peak/average (PAR) cao Một cách tự nhiên, khi áp dụng điều chế đa sóng mang, truyền với nhiều sóng mang con sẽ có thể dẫn tới hiện tượng chênh lệch lớn về công suất giữa các sóng mang con Mức độ chênh lệch càng lớn sẽ buộc power amplifier của transmitter bù lại lượng công suất thiếu của một số các sóng mang con so với sóng mang con có công suất peak Mặc dù đây không phải chưa phải là vấn đề với đường downlink từ eNodeB tới UE, đường uplink sẽ khiến

UE tốn nhiều công suất dành cho việc bù lại này, từ đó tăng giá thành và giảm tuổi thọ pin của đầu cuối cũng như làm giảm đi hiệu suất công suất phát Đây cũng là lí

do OFDM không áp dụng được cho đường uplink, mà cần phải có 1 phương pháp khác khắc phục hạn chế này

2.2.2 Đa truy nhập đường lên SC-FDMA

SC-FDMA là trường hợp đặc biệt của OFDMA, khắc phục được nhược điểm tỷ

lệ PAPR cao của OFDMA Với hạn chế của OFDMA về tỉ lệ PAR cao như đã trình bày ở trên, phải cần có phương pháp sử dụng điều chế đơn sóng mang nhưng vẫn giữ lại được các ưu điểm của OFDMA Và SC-FDMA được lựa chọn là kỹ thuật đa truy nhập đường lên cho LTE bởi SC-FDMA thực chất là một trường hợp đặc biệt của OFDMA trong đó SC- FDMA giữ lại hầu hết nguyên lý của OFDMA và thỏa mãn điều kiện điều chế đơn sóng mang SC FMDA không điều chế 1 ký hiệu (symbol) lên

1 sóng mang con sub-carrier như OFDMA mà sẽ tách các bit của 1 symbol và ghép lên 1 sóng mang con sub-carrier để từ đó tạo thành 1 carrier duy nhất

Như ví dụ của hình 2.4 bên dưới minh họa sự khác nhay trong việc truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian đối với OFMA và SC-FDMA, đối với OFDM 04 symbol được điều chế trên 04 sub-carrier, với độ rộng mỗi sub-carrier 15kHz trong khi đối với SCFDMA, 04 symbol được truyền chỉ trên 1 carrier có độ rộng 60kHz Để thực hiện được việc này, thiết bị đầu cuối uplink phải bổ sung thêm thành phần DFT

29

precoding với mục đích tách bit đơn lẻ của một symbol và mapping lần lượt lên các sóng mang con trước khi tổng hợp dữ liệu truyền đi với mục đích đạt được việc truyền trên một carrier tại đầu ra của tín hiệu cuối cùng Hay OFDMA truyền các ký hiệu số liệu đồng thời còn SC-FDMA truyền các ký hiệu số liệu lần lượt [3,4,5]

Hình 2 4 So sánh 02 kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [3]

Trong đó:

PSD: mật độ phổ công suất

CP: tiền tố chu trình

TFFT: thời gian hiệu dụng của OFDMA

Với các đặc tính như trên, SC-FDMA sẽ có ưu điểm và nhược điểm như sau:

- Ưu điểm: Khắc phục được nhược điểm tỉ lệ công suất peak/average (PAR) cao của OFDMA mà giữ nguyên các ưu điểm của OFDMA

- Nhược điểm: Tăng độ phức tạp về mặt thiết bị cho các thiết bị đầu cuối và eNodeB

Nhiễu trong hệ thống OFDMA & SC-FDMA

Các hệ thống OFDMA và SC-FDMA [2,5] khác với UMTS, hay WCDMA Điều này là do thực tế là băng thông tần số được chia thành các kênh tần số trực giao, cụ thể là nhiều RB (Khối tài nguyên) Vì vậy, nhiều RB có thể được sử dụng bởi một

UE tại bất kỳ thời điểm nào Kết quả là, hiệu ứng gần xa tiêu chuẩn gần như bị loại

30

bỏ trong LTE bằng cách phân bổ hiệu quả các nguồn tài nguyên và điều khiển công suất uplink được tối ưu Tuy nhiên, nếu hệ thống đang sử dụng tái sử dụng tần số bằng 1, thêm vào đó nhiễu đường lên được gây ra bởi số thuê bao, chúng sử dụng cùng một RB giống như được cấp phát trên các cell lân cận

Hình 2.5 minh họa sự so sánh đơn giản giữa WCDMA và đường lên SC-FDMA

sử dụng tái sử dụng tần số là 1 Có thể thấy rằng trong trường hợp WCDMA, người dùng A và B sẽ sử dụng cùng một tín hiệu băng rộng (khác screaming code và có thể trong quá trình soft HO để bù lại nhiễu công suất) Ngược lại, đường lên SC-FDMA minh họa hai điện thoại di động, mỗi điện thoại có phân bổ băng thông và công suất uplink khác nhau

Hình 2 5 Nhiễu trong hệ thống WCDMA và SC-FDMA [2]

Trong ví dụ này, vì các RB mà chúng đã được phân bổ nằm trên các phần khác nhau của băng thông, chúng không can thiệp lẫn nhau Tuy nhiên, nếu một trong các trạm gốc muốn phân bổ cùng một RB thì có thể gặp phải nhiễu

Để chống nhiễu, hệ thống có thể sử dụng một số kỹ thuật ICIC tĩnh và động (Inter Cell Interference Cancellation), đặc biệt nếu giao diện X2 được thực thi

Kỹ thuật đa anten MIMO

2.4.1 Khái niệm

Trung tâm của LTE là ý tưởng của kỹ thuật đa anten, được sử dụng để tăng vùng phủ sóng và khả năng của lớp vật lý Thêm vào nhiều anten hơn với một hệ thống vô tuyến cho phép khả năng cải thiện hiệu suất bởi vì các tín hiệu phát ra sẽ có các đường dẫn vật lý khác nhau

31

Hình 2.6 cho thấy, có 04 cách để thực hiện việc sử dụng kênh vô tuyến Để đơn giản các ví dụ được miêu tả chỉ sử dụng một hoặc hai anten

Bao gồm:

- Đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO)

- Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO)

- Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO)

- Đa đầu vào đa đầu ra (MIMO)

Hình 2 6 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến [11]

LTE sử dụng kỹ thuật đa anten MIMO [4,6,7], ta tập trung tìm hiểu về kỹ thuật này Từ hình 2.6, ta có thể thấy MIMO yêu cầu 2 hoặc nhiều máy phát và hai hoặc nhiều máy thu MIMO làm tăng công suất phổ bằng cách phát nhiều luồng dữ liệu cùng một lúc trong cùng một tần số và thời gian, tận dụng đầy đủ các lợi thế của các đường dẫn khác nhau trong kênh vô tuyến Đối với một hệ thống được mô tả như MIMO, nó phải có ít nhất là nhiều máy thu với nhiều luồng phát Số lượng các luồng phát không được nhầm lẫn với số lượng các ăng ten phát Hãy xem xét trường hợp phân tập phát (MISO) trong đó có hai máy phát nhưng chỉ có một dòng dữ liệu Thêm

32

nữa sự phân tập thu (SIMO) không chuyển cấu hình này vào MIMO, mặc dù hiện tại

có hai anten phát và hai anten thu có liên quan Nói cách khác SIMO+MISO # MIMO Nếu N luồng dữ liệu được truyền từ ít hơn N anten, dữ liệu có thể không được giải xáo trộn một cách đầy đủ bởi bất kỳ máy thu nào từ đó tạo ra sự chồng chéo các luồng

mà không có sự bổ sung của phân tập theo không gian thì chỉ tạo ra nhiễu Tuy nhiên

về mặt không gian việc tách biệt N các luồng qua tối thiểu N anten, N máy thu sẽ có thể tái tạo lại đầy đủ dữ liệu ban đầu và nhiễu trong kênh vô tuyến là đủ thấp Một yếu tố quan trọng cho hoạt động MIMO là việc truyền từ mỗi anten phải là duy nhất

để mỗi máy thu có thể xác định được cái gì mà nó đã nhận được Việc nhận dạng này thường được thực hiện với các tín hiệu chỉ đạo, trong đó sử dụng các mẫu trực giao cho mỗi anten Sự phân tập không gian của kênh vô tuyến nghĩa là MIMO có khả năng làm tăng tốc độ dữ liệu

2.4.2 Cơ chế hoạt động

MIMO có 3 cơ chế tồn tại đồng thời là beam-forming, spatial diversity và spatial multiplexing với điều kiện hoạt động và độ lợi phân tập (gain) khác nhau Việc áp dụng cơ chế nào cho từng UE dựa vào điều kiện hoạt động của mỗi cơ chế

Điều kiện hoạt động: Dựa trên điều kiện vô tuyến do UE đo đạc và báo cáo lên eNodeB, bộ lập lịch (scheduler) của eNodeB sẽ chọn ra cơ chế hoạt động thích hợp đối với từng UE [6,7]

Trong điều kiện chất lượng các kênh truyền cho UE tồi, áp dụng cho đường downlink

Độ lợi phân tập Array Gain – mức độ cải thiện SNR tại nhánh anten phát

Trong điều kiện chất lượng các kênh truyền cho UE tồi, áp dụng cho đường uplink

Độ lợi phân tập Diveristy Gain –

tỷ lệ thuận với số lượng anten phân tập thu/phát

Trong điều kiện chất lượng các kênh truyền cho UE tốt

Độ lợi phân tập Multiplexing Gain

– tăng tốc độ lên

số lân tỷ lệ thuận với số lượng anten thu/phát

Ưu điểm của việc sử dụng MIMO ở 4G LTE so với 3G WCDMA

+ Tăng chất lượng vùng phủ tại biên cell (cell edge) khi sử dụng cơ chế beamforming của MIMO

+ Tăng khả năng chống lại hiệu ứng fading với cơ chế Spatial Diveristy, mức

độ cải thiện tỉ lệ thuận với số lượng anten thu phát được sử dụng

+ Tăng tốc độ dữ liệu, dung lượng hệ thống và hiệu suất sử dụng phổ tần khi

sử dụng cơ chế spatial multiplexing của MIMO

- Nhược điểm của MIMO là làm tăng độ phức tạp khi đòi hỏi nhiều anten hơn ở eNodeB và thiết bị đầu cuối của người dùng

2.4.3 Anten S-Wave EW_EW-65-18DV2_12-VN1_DE

Do băng tần triển khai LTE tại Việt Nam nằm trong dải 1800-2600 Trong đó tháng 09 năm 2016, băng 1800 được cấp phép và đi vào hoạt động Anten triển khai trong dự án là loại S-Wave EW_EW-65-18DV2_12-VN1_DE [8]

Bảng 2 2 Thông số cơ của anten S-wave

Input Connectors 4 x 7/16 DIN Female

Connector Position Bottom

Lightning Protection DC Ground

Dimensions 1470 x 295 x 115 mm | 57.9 x 11.6 x 4.5 in Net Weight 15 kg | 33.1lb

Packing Size 1605 x 375 x 241 mm

Shipping Weight 24 Kg

Maximum Wind Velocity 200 km/h | 125 mph

Maximum Wind Loading @150 km/h 461 N | 104 lbf

Reflector Material Aluminum Alloy