TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LONG TERM EVOLUTION (LTE)
Giới thiệu về LTE
LTE, hay Long Term Evolution, là thế hệ thứ tư của công nghệ di động do 3GPP phát triển, nhằm nâng cao tính cạnh tranh cho hệ thống UMTS đã triển khai toàn cầu Dựa trên nền tảng WCDMA của UMTS thế hệ thứ ba, 3GPP đã khởi động dự án LTE vào tháng 11/2004 để định hình sự phát triển lâu dài cho công nghệ di động này.
Phiên bản thứ 8 được hoàn thành năm 2008 được coi như là phiên bản cơ sở cho các thiết bị LTE
Các tiêu chuẩn của 3GPP về LTE
- TS 36.211 (E-UTRA); Physical channels and modulation – Kênh vật lý và điều chế
- TS 36.212 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);
Multiplexing and channel coding – Ghép kênh và mã hóa kênh
- TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures - Các thủ tục lớp vật lý
- TS 36.300 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2
- TS 36.321 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) protocol specification – Đặc điểm kỹ thuật của lớp điều khiển truy cập
- TS 36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol specification – Đặc điểm của lớp Điều khiển nguồn sóng vô tuyến
- TS 36.413 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP) – Giao thức lớp ứng dụng S1
- TS 36.423 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 Application Protocol (X2AP) – Giao thức lớp ứng dụng X2
Ngoài ra, còn có các tài liệu tiêu chuẩn khác bổ xung cho LTE và LTE Advantage.
Mục đích công nghệ
Tốc độ dữ liệu tối đa đạt được là 100Mbps cho hướng tải xuống và 50Mbps cho hướng tải lên, với băng thông 20MHz, sử dụng cấu hình hệ MIMO với 2 anten cho thu và 1 anten cho phát.
Hiệu quả sử dụng phổ (Spectrum Efficiency) trong phiên bản mới mang lại sự cải thiện đáng kể, với khả năng tăng tốc độ truyền tải dữ liệu lên gấp 3 đến 4 lần cho chiều lên và gấp 2 đến 3 lần cho chiều xuống so với phiên bản 6 Đặc biệt, công nghệ này cho phép sử dụng cả băng tần cũ và mới, tối ưu hóa hiệu suất mạng.
- Trễ (latency): Trễ trong mặt phẳng điều khiển nhỏ hơn 20ms và trong mặt phẳng người dùng nhỏ hơn 5ms
- Băng thông: Hỗ trợ nhiều băng thông (5, 10, 15, 20 Mhz và cả dưới 5 Mhz) với mỗi bước biến đổi là 180Khz (một khối băng thông danh định là 180 Khz của
12 sóng mang con, độ rộng của mỗi sóng mang con là 15Khz) Có thể sử dụng ở băng tần hiện có và băng tần mở rộng
- Tính tương tác: Có thể tương tác với các hệ thống đang sử dụng (hệ thống WCDMA và hệ thống GSM)
- Giá đầu tư: Giảm giá thành đầu tư cả CAPEX và OPEX do kiến trúc đơn giản, giao diện mở để tương thích với nhiều nhà sản xuất
- Tính di động: Tối ưu cho tốc độ thấp (từ 0 đến 15km/h), nhưng vẫn hỗ trợ cho tốc độ di động cao (lên tới 350km/h)
- Chất lượng dịch vụ (QoS): Hỗ trợ QoS End to End
Xu hướng công nghệ di động
Sau đây là sơ đồ của lịch sử công nghệ thông tin di động
Hình 1 : Xu th ế phát tri ể n c ủ a công ngh ệ di độ ng
- GSM và CDMA 1x được định nghĩa như là chuẩn di động thứ 2 với tốc độ 9.6kps
- GPRS được định nghĩa như là chuẩn di động 2.5G với tốc độ : 171kps
- EDGE và CDMA2000 được định nghĩa như là chuẩn di động 2,75G với tốc độ 473Kps
- WCDMA và CDMA 2000 EV-DV được định nghĩa như chuẩn di động 3G với tốc độ 2Mps
- EV-DO Rev.A và HSDPA được định nghĩa như chuẩn di động 3.5G với tốc độ 14Mps
- LTE được định nghĩa như chuẩn di động 3.9G với tốc độ từ 100Mps (chiều xuống) và 50Mps (chiều lên)
- LTE Advantage được định nghĩa như chuẩn di động 4G với tốc độ tối đa 1Gps chiều xuống
Cấu hình mạng LTE
Hình 3 : Giao di ệ n gi ữ a các ph ầ n t ử m ạ ng – theo 3GPP
- Các phần tử của mạng LTE o UE o E-UTRAN o MME o Serving Gateway o PDN Gateway o PCRF
The LTE network architecture includes several key interfaces: the LTE-U interface, which serves as the radio interface between the User Equipment (UE) and the Evolved Node B (eNodeB); the S1-U interface, connecting the eNodeB to the Serving Gateway (SW); the S1-MME interface, linking the eNodeB to the Mobility Management Entity (MME); the X2 interface, facilitating communication between multiple eNodeBs; and the S5 interface, which connects the Serving Gateway to the Packet Data Network (PDN) Gateway.
Chức năng của từng phần tử trọng mạng E-UTRAN
Hình 4 : Sơ đồ k ế t n ố i h ệ th ố ng E-UTRAN – EPC c ủ a hãng ZTE
Hình 5 : Sơ đồ k ế t n ố i h ệ th ố ng GSM, UTMS và LTE theo 3GPP
Chức năng của các hệ thống trong mạng LTE
Hình 6 H ệ th ố ng eNodeB c ủ a hãng ZTE
- Khái niệm : Hệ thống eNodeB là hệ thống giao tiếp vô tuyến với các thuê bao với các phần tử khác của mạng
- eNodeB có vai trò, chức năng như các RNC+eNodeB của mạng UMTS hay BSC+BTS của GSM/CDMA
19 PH ẠM NHƯ NGỌ C o Quản lý tài nguyên tần số o Nén và mã hóa o Lựa chọn MME o Định tuyến o Truyền dẫn o Đo đạc và chuyển giao
Hình 7 : H ệ th ố ng MME c ủ a hãng ZTE
- Hệ thống MME có vị trí giống như một MSC/MSS làm nhiệm vụ định tuyến cuộc gọi trong các mạng 2G và 3G
Các chức năng chính của MME bao gồm: báo hiệu NAS, điều khiển bảo vệ AS, tìm kiếm chế độ rỗi của UE, quản lý danh sách, và hỗ trợ cho PDN GW, Serving GW, MME, cũng như SGSN MME cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý roaming và thực hiện quy trình nhận thực.
Hình 8 : H ệ th ố ng SGW c ủ a hãng ZTE
- Các chức năng của SGW o Anchor di động o Định tuyến gói và chuyển tiếp o Tính cước UL và DL trên từng UE,PDN
Hình 9 : H ệ th ố ng PDN GW c ủ a hãng ZTE
- Chức năng của PDN o Lọc gói từng user o Cấp phép các địa chỉ IP của UE o Tạo lập từng gói truyền dẫn
CÁC LỚP- GIAO THỨC TRONG CÔNG NGHỆ LTE
Các lớp của LTE
1.1 Các lớp của LTE của hãng ZTE
Hình 10 : Các l ớ p trong mô hình giao th ứ c c ủ a m ạ ng LTE c ủ a hãng ZTE
Các lớp giao thức của LTE theo hãng ZTE
- Lớp PHY : Là lớp vật lý
- Lớp MAC : Điều khiển truy cập
- Lớp RLC : Radio Link Control : Điều khiển kết nối vô tuyến
- Lớp PDCP : Packet Data Convergence Protocol : Giao thức hội tụ dữ liệu gói
- Lớp RRC : Resource Radio Control: Điều khiển tài nguyên vô tuyến
- Lớp ứng dụng S1 : Giao diện giữa các eNodeB và MME
- Lớp ứng dụng X2 : Giao diện giữa các eNodeB
1.2 Lớp vô tuyến của LTE của 3GPP
Hình 11 : Các l ớ p vô tuyên c ủ a LTE theo 3GPP.
Cấu trúc khung và kênh lớp vật lý
2.1 Cấu trúc khung vật lý
Hình 12 : Sơ đồ khung truy ề n tín hi ệ u c ủ a LTE
- Mỗi frame có chiều dài là 10ms Bao gồm 20 timeslot
- Mỗi timeslot có chiều dài 0.5ms
- Một sub-frame là 2 timeslot có chiều dài 1ms
Hình 13 : Danh sách các kênh v ậ t lý
Các kênh vật lý bao gồm kênh chiều xuống, kênh báo hiệu chiều xuống, kênh chiều lên và kênh báo hiệu chiều lên Trong đó, kênh chiều xuống và kênh chiều lên chịu trách nhiệm truyền tải dữ liệu, trong khi các kênh báo hiệu có nhiệm vụ phục vụ cho việc truyền tín hiệu.
Các kênh chiều xuống (Downlink):
- PCFIH : Physical-control-format indication channel
- PHICH : Physical HARQ indication channel
- PDCCH : Physical downlink control channel
- PDSCH: Physical downlink shared channel
Các kênh chiều lên(Uplink)
- PRACH : Physical random access channel
- PUCCH : Physical uplink control channel
- PUSCH : Physical uplink shared channel
Các báo hiệu chiều lên
2.3 Xử lý các kênh chiều lên
- Cấu trúc khung và tài nguyên vật lý:
Hình 14 : Lướ i phân b ổ tài nguyên chi ề u lên
- Kênh chia sẻ chiều lên:
Các tín hiệu băng cơ sở cho các kênh chia sẻ đường lên vật lý được xử lý qua các bước sau :
- Điều chế các bits xáo trộn thành các symbols
- Biến đổi trước mã hóa
- Mapping các symbols thành các tài nguyên
- Tạo các tín hiệu SC-FDMA cho từng anten
Hình 15 : Xử lý tín hiệu chiều lên
- Kênh điều khiển chiều lên:
Kênh điều khiển đường lên vật lý, PUCCH, mang thông tin điều khiển chiều lên.PUCCH là không bao giờ được truyền đồng thời với PUSCH từ cùng một
UE.Đối với kiểu cấu trúc frame 2, PUCCH không được truyền trong trường
Hai loại đường lên tín hiệu tham chiếu được hỗ trợ:
- Tín hiệu tham khảo giải điều chế, kết hợp với truyền PUSCH hoặc PUCCH
- Tín hiệu tham chiếu điều chế, không gắn với truyền PUSCH hoặc PUCCH
Cùng một bộ trình tự cơ bản được sử dụng cho tín hiệu giải điều chế và điều chế tham chiếu
Hình 16 : Lướ i tài nguyên kênh v ậ t lý chi ề u xu ố ng
Tín hiệu băng cơ sở cho một kênh vật lý chiều lên được định nghĩa theo các bước sau:
- Điều chế thành các symbols
- Tiền mã hóa các Symbols và các lớp truyền dẫn tại các anten
- Mapping các symbols cho từ anten với các khung tài nguyên
- Khơi tạo bằng các tín hiệu OFDM cho từng anten
Hình 17 : X ử lý tính hi ệ u chi ề u xu ố ng
Các thủ tục lớp vật lý PHY
3.1 Các thủ tục đồng bộ:
- Thủ tục tìm kiếm Cell
Tìm kiếm Cell là quy trình mà UE thực hiện để đồng bộ hóa thời gian và tần số với một tế bào, đồng thời xác định ID layer Cell vật lý của tế bào đó Quy trình này trong E-UTRA di động hỗ trợ mở rộng băng thông truyền tải tổng thể, tương ứng với 6 khối tài nguyên trở lên.
- Các tín hiệu sau đây được truyền đi trong đường xuống để tạo điều kiện tìm kiếm di động: các tín hiệu đồng bộ hóa chính và phụ
Một UE có khả năng giả định các cổng ăng-ten từ 0 đến 3, đồng thời nhận tín hiệu đồng bộ hóa chính và phụ từ một tế bào phục vụ, điều này liên quan đến hiệu ứng Doppler và sự chậm trễ trung bình.
- Thủ tục Đồng bộ thời gian
Các chất lượng liên kết vô tuyến chiều xuống của các cell chính cần được UE giám sát để xác định trạng thái out-of-sync hoặc in-sync cho các lớp cao hơn.
- Trên cơ sở đó, sẽ tiến hanh đồng bộ thời gian giữa eNodeB và UE
3.2 Các thủ tục điều khiển công suất: Điều khiển công suất đường xuống xác định năng lượng trên mỗi yếu tố tài nguyên (EPRE).Các nguồn tài nguyên năng lượng yếu tố hạn biểu thị năng lượng trước khi chèn CP Các nguồn tài nguyên năng lượng yếu tố hạn cũng biểu thị năng lượng trung bình thực hiện trên tất cả các điểm để áp dụng điều chế Điều khiển công
28 PH ẠM NHƯ NGỌ C suất chiều lên xác định công suất trung bình trên một SC-FDMA, trong đó các kênh vật lý được truyền đi
- Thủ tục điều khiển công suất chiều lên:
Thủ tục điều khiển công suất chiều lên điều khiển công suất phát của đường lên của các kênh vật lý khác nhau
- Thủ tục điều khiển công suất chiều xuống: eNodeB sẽ xác định công suất truyền tải chiều xuống cho từng thành phần tài nguyên
Một UE có thể giả định rằng EPRE của downlink tế bào cụ thể RS sẽ được duy trì liên tục trên băng thông hệ thống đường xuống và trên tất cả các subframes cho đến khi nhận được thông tin từ tế bào RS khác Tế bào EPRE đường xuống sẽ kiểm tra tín hiệu tham chiếu, có thể được lấy từ truyền tải công suất đường xuống, dựa trên tham số tham khảo về công suất được cung cấp bởi các lớp cao hơn.
3.3 Thủ tục Truy cập ngẫu nhiên
Trước khi tiến hành các thủ tục không đồng bộ truy cập ngẫu nhiên vật lý, lớp 1 sẽ nhận được thông tin cần thiết từ các lớp cao hơn.
1 Kênh truy cập ngẫu nhiên các thông số (PRACH cấu hình và vị trí tần số)
2 Các thông số để xác định trình tự gốc và thay đổi theo chu kỳ trong chuỗi lời nói đầu của họ thiết lập cho các tế bào tiểu học (chỉ số bảng chuỗi gốc hợp lý, thay đổi theo chu kỳ (CS N), và thiết lập kiểu (bộ hạn chế hoặc không hạn chế))
3.4 Thủ tục chia sẻ kênh liên quan chiều xuống: Đối với FDD, thì có tối đa 8 quá trình HARQ chiều xuống cho mỗi cell phục vụ Đối với TDD, nếu một UE được cấu hình với một tế bào phục vụ, hoặc nếu UE được cấu hình với tế bào phục vụ nhiều hơn một và TDD UL / DL cấu hình của tất cả các cấu hình các tế bào phục vụ là như nhau, tối đa quá trình HARQ cho mỗi phục vụ di động được xác định bởi cấu hình UL / DL
Đối với TDD, nếu một thiết bị đầu cuối (UE) được cấu hình với nhiều tế bào phục vụ và nếu cấu hình TDD UL/DL của ít nhất hai trong số các tế bào phục vụ này không giống nhau, thì số lượng tối đa các quá trình HARQ chiều xuống cho một tế bào phục vụ sẽ được sử dụng Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng và cần được xem xét khi thiết kế và cấu hình hệ thống.
Việc phát sóng chuyên dụng HARQ không được tính vào số lượng tối đa các quá trình HARQ trong cả FDD và TDD.
3.5 Thủ tục chia sẻ kênh liên quan chiều lên : Đối với FDD và chế độ truyền dẫn 1, thì có 8 quá trình HARQ chiều lên trên mỗi tế bào phục vụ cho hoạt động hợp nhất không khung nhỏ, ví dụ như hoạt động bình thường tức là HARQ, và 4 quy trình HARQ chiều lên cho hoạt động ghép các khung con Đối với FDD và truyền tải chế độ 2, có được 16 quá trình HARQ đường lên cho mỗi tế bào phục vụ cho hoạt động ghép khung nhỏ và có hai quá trình HARQ kết hợp với một khung nhỏ Các hoạt động kết hợp khung nhủ được cấu hình bởi các tham số kết hợp được cung cấp bởi các lớp cao hơn
Trong cấu hình sử dụng khung nhỏ cho FDD và TDD ở các lớp cao hơn, hoạt động ghép khung nhỏ chỉ áp dụng cho UL-SCH, do đó, sẽ có bốn khung nhỏ chiều lên liên tiếp được sử dụng.
Lớp MAC – Mobile Accesss Control – Điều khiển truy cập
Lớp MAC đóng vai trò trung gian giữa lớp RLC và lớp PHY, truyền dữ liệu đến lớp RLC thông qua các kênh logic, trong khi lớp PHY gửi dữ liệu tới lớp MAC dưới dạng các kênh truyền.
Kênh logic nằm ở đỉnh của MAC, đại diện cho các dịch vụ truyền dữ liệu mà MAC cung cấp, được xác định bởi loại thông tin mà nó mang Các kênh này thường được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
- Kênh điều khiển được sử dụng để truyền điều khiển và thông tin cấu hình cần thiết cho việc vận hành hệ thống LTE
- Kênh lưu lượng được sử dụng cho dữ liệu
Kênh truyền (Transport channel) nằm trong các khối truyền tải và ở đáy của lớp MAC, thể hiện các dịch vụ mà lớp PHY cung cấp Kênh này được xác định bởi thông tin truyền trên giao diện vô tuyến, bao gồm cách điều chế và giải mã ở lớp vật lý.
Hình 18 : Giao tiếp của lớp vật lý (PHY) với MAC và lớp RLC
Dữ liệu trên kênh truyền được tổ chức thành các khối truyền (transport blocks) với kích thước cố định, được truyền qua giao diện vô tuyến tới thiết bị di động trong mỗi khoảng thời gian truyền (Transmission Time Interval) Mỗi transport block được kết hợp với định dạng truyền (Transport Format), bao gồm kích thước, cơ chế điều chế và ánh xạ anten (antenna mapping) Sự thay đổi trong định dạng truyền cho phép lớp MAC nhận được các tốc độ dữ liệu khác nhau, do đó việc điều khiển này còn được gọi là lựa chọn định dạng truyền.
4.1 Chiều xuống Đối với chiều xuống, lớp MAC chịu trách nhiệm quản lý chức năng hybrid ARQ, tự động xử lý lại mức transport –block Ngoài ra, MAC còn thực hiện truyền như ánh xạ logic, có chức năng chia nhỏ các kênh logic khác nhau theo transport block cho các lớp cao hơn Việc lựa chọn định dạng và đo đạc cung cấp thông tin về mạng Nó cần thiết cho việc quản lý toàn bộ mạng, điều khiển nguồn vô tuyến
Quá trình Hybrid Automatic Repeat-reQuest (HARQ) kết hợp giữa lớp MAC và PHY nhằm truyền lại các transport block (TBs) bị lỗi Lớp PHY thực hiện việc kết hợp và lưu trữ để tăng độ dư thửa, trong khi lớp MAC đảm nhiệm quản lý và báo hiệu.
MAC xác định NACK khi phát hiện transport block CRC bị lỗi, trong khi PHY luôn chỉ ra lỗi Việc truyền lại được thực hiện bởi eNodeB, với bộ phát sử dụng mã hóa khác Mã hóa này sẽ được truyền đi và lưu trữ trong bộ đệm của eNodeB Sau một hoặc hai lần thử, dữ liệu đủ để khôi phục tín hiệu sẽ có sẵn Trong hoạt động của HARQ, việc truyền lại không cần phải hoàn toàn chính xác; việc kết hợp tính toán với transport block trước đó giúp tạo ra transport block tốt hơn Đây là phương pháp hiệu quả nhất để cung cấp chức năng ARQ Tại cấp độ transport block, có các cơ chế ARQ khác hoạt động trong RLC.
Các bước cơ bản của quá trình HARQ:
- MAC gửi bản tin NACK khi transport block bị lỗi CRC
- Những transport block lỗi được lưu trữ lại
- PHY truyền lại mã đánh thủng khác nhau
- Quá trình truyền lại kết hợp với việc lưu lại các transport block
- Khi transport block đúng được giải mã, MAC sẽ báo hiệu ACK
- Nhiều quá trình HARQ có thể chạy song song để khôi phục lại các transport block chưa giải quyết
Hình 19 : Quá trình hoạt động của HARQ
Khi một transport block có giá trị thu được sau quá trình HARQ, các kênh transport được ánh xạ tới kênh logic
Hình 20 mô tả việc ánh xạ downlink của MAC, với kênh điều khiển lớp vật lý nằm ở đáy và lớp MAC ở trên cùng Chức năng của nó bao gồm lập lịch, báo hiệu và thực hiện một số nhiệm vụ mức thấp khác Kênh downlink shared bao gồm kênh truyền cho paging và tuyến xuống, trong khi kênh quảng bá vật lý được sử dụng để phát sóng rộng rãi trên tất cả các đường.
Kênh multicast được tô xám trong hình minh họa vì chúng không được chỉ định trong Release 8 của chuẩn LTE Những kênh này sẽ được đánh địa chỉ lại trong Release 9.
Kênh transport sử dụng các phương pháp mã hóa và điều chế đa dạng Để kênh quảng bá và paging có thể được nhận ở mọi vị trí trong cell, chúng cần được điều chế với cường độ cao Đồng thời, DL-SCH có khả năng được tối ưu hóa bởi thiết bị người dùng (UE).
Hình vẽ trên minh họa một số kênh logic sau:
- Paging Control Channel(PCCH) : kênh downlink truyền thông tin paging và thông tin hệ thống Kênh này được sử dụng khi mạng không biết vị trí cell của UE
- Dedicated Traffic Channel (DTCH): Kênh point-to-point, dành riêng cho UE, để truyền thông tin người dùng DTCH có thể có ở downlink và uplink
- Broadcast Control Channel (BCCH) : kênh downlink dung để quảng bá thông tin điều khiển hệ thống
- Common Control Channel (CCCH) : kênh để truyền thông tin điều khiển giữa
UE và mạng Kênh này được sử dụng cho UEs không có kết nối RRC với mạng
- Dedicated Control Channel (DCCH) : kênh hai hướng point-to-point truyền thông tin điều khiển riêng giữa UE và mạng Thường được dùng cho UE có kết nối RRC
Kênh Điều Khiển Đa Điểm (MCCH) là một kênh downlink point-to-multipoint được sử dụng để truyền tải thông tin điều khiển MBMS từ mạng đến các thiết bị người dùng (UE), kèm theo một hoặc một vài kênh MTCH Kênh này chỉ hoạt động khi các UE nhận dịch vụ MBMS.
- Multicast Traffic Channel (MTCH) : kênh downlink pont-to-multipoint truyền dữ liệu lưu lượng từ mạng tới UE Kênh này chỉ được sử dụng khi UEs nhận MBMS
Lựa chọn định dạng MAC và phương pháp tính toán
Quá trình lựa chọn định dạng chuẩn bị cho lớp vật lý trong việc mã hóa và điều chế khối transport tiếp theo rất quan trọng Trên tuyến xuống, MAC trong UE sẽ thông dịch định dạng truyền, trong khi eNodeB cung cấp thông tin cho từng transport block, bao gồm cả định dạng sử dụng Modulation Coding Scheme (MCS) cho khối transport tiếp theo Đặc biệt, định dạng này có thể thay đổi động, và MAC sẽ cấu hình lớp PHY cho transport block tiếp theo.
Đo tọa độ MAC từ local PHY đến RRC liên quan đến trạng thái local và điều kiện, trong đó RRC thông báo lại cho eNodeB thông qua bản tin điều khiển Từ eNodeB, RRC điều khiển việc điều chế local PHY và thiết lập cấu hình.
Việc đo đạc MAC giúp lập lịch cho tuyến xuống, sử dụng tốc độ và điều kiện vô tuyến ở UE cho eNodeB Trạng thái bộ đệm cùng các tín hiệu khác được truyền lên lớp cao hơn qua bản tin RRC Khi tốc độ cao, số time slot cần thiết để truyền dữ liệu sẽ ít hơn eNodeB đảm bảo lập lịch đầy đủ cho cả tuyến lên và tuyến xuống.
Quá trình xử lý dữ liệu trên tuyến lên tương tự như tuyến xuống, nhưng tốc độ dữ liệu chỉ bằng một nửa Truy cập được thực hiện bởi eNodeB, với một số kênh logic và kênh truyền có sự thay đổi Kênh truy cập ngẫu nhiên được sử dụng cho truyền ban đầu Trong tuyến lên, chức năng của MAC bao gồm kênh truy cập ngẫu nhiên và lập lịch, cùng với việc tạo header và lựa chọn định dạng truyền (Transport Format Selection).
Lựa chọn định dạng truyền (Transport Format Selection)
Lớp Điều khiển vô tuyến – Radio Resource Control RRC
Lớp RLC nằm giữa lớp PDCP và lớp MAC, thực hiện giao tiếp với lớp PDCP qua các điểm truy cập dịch vụ (SAP) và với lớp MAC qua các kênh logic Lớp RLC có nhiệm vụ định dạng các PDCP PDU để phù hợp với kích thước của lớp MAC, do đó, RLC phía phát sẽ thực hiện phân mảnh các PDU khi cần thiết.
PDCP PDU, và phía thu sẽ lắp ghép các RLC PDU để tái cấu trúc lại giống như phía thu
RLC sẽ sắp xếp các RLC PDU nếu chúng được thu nhận không đúng thứ tự do thao tác HARQ trong lớp MAC Đây là điểm khác biệt chính so với các hệ thống khác, nơi việc tái sắp xếp HARQ diễn ra trong lớp MAC Lợi ích của việc tái sắp xếp trong RLC là không cần thêm số SN và bộ đệm nhận cho việc sắp xếp HARQ.
SN và bộ đệm thu RLC được sử dụng cho việc tái sắp xếp HARQ và các thao tác liên quan đến ARQ mức RLC
Các chức năng của lớp RLC được thực hiện thông qua các thực thể RLC Mỗi thực thể RLC được cấu hình để hoạt động trong một trong ba chế độ truyền dẫn: Chế độ trong suốt.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hai chế độ chính của RLC là Unacknowledged Mode (UM) và Acknowledged Mode (AM) Trong chế độ AM, các chức năng đặc biệt được thiết lập để hỗ trợ việc truyền tải lại dữ liệu Việc lựa chọn giữa UM và AM diễn ra tại node B trong quá trình thiết lập phần vận chuyển vô tuyến, dựa trên yêu cầu chất lượng dịch vụ của phần vận chuyển EPS Các chế độ của RLC sẽ được phân tích chi tiết trong các phần tiếp theo.
5.1 Các thực thể RLC trong suốt
Trong chế độ truyền thông RLC, entity được chuyển giao liên tục tới các PDU, mà không có bất kỳ chức năng nào được thực hiện bởi RLC, cũng như không có phần mào đầu nào được thêm vào Khi không có phần mào đầu, một RLC SDU sẽ được ánh xạ trực tiếp tới RLC PDU và ngược lại.
Việc sử dụng RLC TM trong hệ thống rất hạn chế, chủ yếu chỉ áp dụng cho các bản tin RRC mà không cần cấu hình RLC Những ứng dụng cụ thể bao gồm các bản tin quảng bá thông tin hệ thống, bản tin tìm gọi và các bản tin RRC gửi đi mà không có phần vận chuyển báo hiệu vô tuyến SRB.
40 PH ẠM NHƯ NGỌ C radio Bearers) TM RLC không được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu của người sử dụng của LTE
TM RLC cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu vô hướng, cho phép cấu hình một thực thể TM RLC đơn khi phát hoặc thu các thực thể TM RLC khác.
Hình 24 : Mô hình thực thể TM RLC
5.2 Trạng thái không cố định RLC
UM RLC cung cấp dịch vụ truyền tải một hướng tương tự như TM RLC, chủ yếu phục vụ cho các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ và yêu cầu độ tin cậy cao, chẳng hạn như hệ thống VoIP Ngoài ra, UM RLC cũng được sử dụng trong các dịch vụ truyền tải yêu cầu độ trễ thấp khác Đặc biệt, trong các dịch vụ point-to-multipoint như MBMS (Multimedia Broadcast/Multicast Service), UM RLC là lựa chọn tối ưu khi không có đường feedback, vì AM RLC không thể áp dụng cho những dịch vụ này.
Hình 25 : Sơ đồ kh ố i c ủ a các th ự c th ể UM RLC
Các chức năng chính của UM RLC có thể được tổng kết như sau
- Tách và ghép nối các RLC SDU
- Sắp xếp lại các RLC PDU
- Phát hiện ra các RLC PDU bị lặp
- Lắp ghép lại các RLC SDU
Một thực thể UM RLC có khả năng được cấu hình để truyền và nhận các RLC PDU thông qua các kênh logic DL/UL DTCH, thực hiện quá trình truyền và nhận các PDU, được gọi là UMD PDU.
Quá trình truyền thực thể UM RLC từ RLC SDU bao gồm việc đóng gói và kết nối các RLC SDU để tạo ra UMD PDU với kích thước phù hợp cho RLC PDU Đồng thời, các header RLC liên quan cũng được thêm vào UMD PDU.
Khi tiếp nhận các UMD PDU, hệ thống sẽ kiểm tra xem có sự lặp lại giữa các UMD PDU hay không Nếu phát hiện các UMD PDU bị lặp lại, hệ thống sẽ tự động loại bỏ những bản sao này.
Sắp xếp lại các UMD PDU nếu chúng nhận được không đúng thứ tự
Phát hiện ra việc bị mất các UMD PDU tại các lớp thấp hơn để tránh cho việc trễ do tái sắp xếp kiến trúc khung tại phía thu
Lắp ghép các RLC SDU từ các UMD PDU đã được sắp xếp lại, không tính các RLC PDU bị mất trên đường truyền Truyền các RLC SDU tới các lớp cao hơn theo thứ tự tăng dần của các RLC SN Loại bỏ những UMD PDU không thể lắp ghép vào RLC SDU do mất ở các lớp thấp hơn của một UMD PDU thuộc về RLC SDU xác định.
Tại thời điểm RLC tái thiết lập, thực thể UM RLC thu được sẽ:
Nếu có thể, các RLC SDU tái thiết lập từ các UMD PDU theo trình tự và chuyển chúng lên các lớp cao hơn
- Huỷ bỏ bất kỳ các UMD PDU nào không thể tái thíêt lập vào RLC SDU
- Khởi đầu các biến trạng thái liên quan và dừng các bộ định thời liên quan a.3 acknowledged Mode RLC entity
Một thực thể AM RLC có khả năng được cấu hình để truyền hoặc nhận các RLC PDU thông qua các kênh logic, bao gồm DL/UL DCCH và DL/UL DTCH.
Mô hình các thực thể AM RLC bao gồm việc truyền hoặc nhận dữ liệu PDU, cụ thể là AMD PDU hoặc các phần của AMD PDU AM RLC có nhiệm vụ nhận hoặc truyền các PDU điều khiển RLC, phản ánh trạng thái của PDU.
Tại phía phát, một AM RLC sẽ định dạng các AMD PDU từ các RLC PDU bằng cách phân đoạn và/hoặc ghép các RLC SDU, nhằm đảm bảo các AMD PDU phù hợp với kích thước của các RLC PDU Kích thước này được thông báo từ các lớp thấp hơn trong quá trình truyền tải.
Phía phát của một thực thể AM RLC sẽ hỗ trợ phát lại dữ liệu các PDU của RLC trong các trường hợp sau
Lớp Ứng dụng S1
Lớp ứng dụng S1 cung cấp dịch vụ báo hiệu giữa E-UTRAN và hệ thống Core ( EPC) Các dịch vụ của S1 được chia thành 2 nhóm:
Không UE liên quan đến dịch vụ đề cập đến việc thể hiện giao diện hoàn toàn S1 giữa eNB và MME thông qua một kết nối tín hiệu không liên quan đến UE.
Các chức năng S1AP cung cấp dịch vụ liên quan đến một UE, đảm bảo rằng kết nối tín hiệu của UE đó được duy trì trong quá trình xử lý.
Chức năng quản lý SAE Bearer đảm nhiệm việc thiết lập, điều chỉnh và giải phóng các SAE bearer do MME tạo ra Quá trình giải phóng SAE bearer thường được thực hiện bởi eNB.
Chức năng khởi tạo bối cảnh chuyển đổi được sử dụng để thiết lập bối cảnh S1 UE tại eNB, thiết lập kết nối IP mặc định và thiết lập một hoặc nhiều SAE bearer theo yêu cầu từ MME, đồng thời truyền các tín hiệu báo hiệu NAS liên quan đến eNB khi cần thiết.
- Chức năng xác định thông tin năng lực của UE : Chức năng này được sử dụng để cung cấp năng lực của UE khi nhận từ UE tới MME
- Chức năng di động cho các UE theo yêu cầu được thực hiện:
- Khi có sự thay đổi của các eNB với SAE/LTE ( Inter MME ) thông qua giao diện S1
- Khi có thay đổi của các RAN node giữa các mạng khác nhau thông qua giao diện S1
- Chức năng tìm kiếm thuê bao: chức năng này cung cấp cho EPC để tìm kiếm các UE
- Chức năng quản lý giao diện S1 bao gồm: o Chức năng khởi tạo lại để xác định khởi tạo trong giao diện S1
- Chức năng xác định lỗi cho phép báo cáo các lỗi riêng/lưu trự trong các trường hợp khi các bản tin không sai được xác định
- Chức năng quá tải để xác định trạng thái tải trong việc điều khiển của giao diện
- Chức năng chuyển báo hiệu NAS giữa UE và MEE:
Để truyền tải thông tin liên quan đến báo hiệu NAS, cần thiết lập giao diện S1 trong eNB Điều này diễn ra sau khi các bối cảnh S1 UE đã được thiết lập trong eNB.
- Chức năng giải phóng bối cảnh của UE : Chức năng này có trách nhiệm để
51 PH ẠM NHƯ NGỌ C quản lý việc giải phóng các bối cảnh đặc biệt của UE trong eNB và MME
- Trạng thái truyền tin : Đây là chức năng này truyền thông tin của PDCP SN từ nguồn eNB tới đích eNB trong việc hỗ trợ intra chuyển giao LTE
Bảng sau đây là danh sách các thủ tục của giao diện S1
Outcome Response message Response message
Bảng 1 : Danh sách các thủ tục mức 1 của lớp S1
Notification Báo hiệu chuyển giao HANDOVER NOTIFY
Giải phóng yêu cầu SAE Bearer
Initial UE Message Khởi tạo bản tin UE INITIAL UE MESSAGE
Truyền tải NAS chiều xuống DOWNLINK NAS
Truyền tải NAS chiều lên UPLINK NAS TRANSPORT
Xác định không chuyển NAS NAS NON DELIVERY
INDICATION Error Indication Xác nhận lỗi ERROR INDICATION
Request giải phóng yêu cầu bối cảnh UE UE CONTEXT RELEASE
Tối ưu CDMA2000 S1 chiều xuống DOWNLINK S1 CDMA2000
Tối ưu CDMA2000 S1 chiều lên UPLINK S1 CDMA2000
Xác nhận thông tin dung lượng UE UE CAPABILITY INFO
INDICATION eNB Status Transfer eNB
Truyền trạng thái eNB tới eNB STATUS TRANSFER
Notification Báo hiệu chuyển giao HANDOVER NOTIFY
Giải phóng yêu cầu SAE Bearer
Initial UE Message Khởi tạo bản tin UE INITIAL UE MESSAGE
Truyền tải NAS chiều xuống DOWNLINK NAS
Truyền tải NAS chiều lên UPLINK NAS TRANSPORT
Xác định không chuyển NAS NAS NON DELIVERY
INDICATION Error Indication Xác nhận lỗi ERROR INDICATION
Request giải phóng yêu cầu bối cảnh UE UE CONTEXT RELEASE
Tối ưu CDMA2000 S1 chiều xuống DOWNLINK S1 CDMA2000
Tối ưu CDMA2000 S1 chiều lên UPLINK S1 CDMA2000
Xác nhận thông tin dung lượng UE UE CAPABILITY INFO
INDICATION eNB Status Transfer eNB
Truyền trạng thái eNB tới eNB STATUS TRANSFER
B ả ng 2 : Danh sách các th ủ t ụ c m ứ c 2 l ớ p S1
- Thủ tục thiết lập SAE Bearer
Mục đích của thủ tục thiết lập Bearer SAE là phân bổ nguồn lực Uu và S1 cho một hoặc nhiều SAE Bearer, đồng thời thiết lập các SAE Bearers vô tuyến cho một thiết bị người dùng (UE) Thủ tục này sử dụng tín hiệu liền kênh từ UE.
- Thủ tục thay đổi SAE Bearer
Mục đích của thủ tục thay đổi SAE Bearer là cho phép sửa đổi SAE Bearer đã được thiết lập cho một thiết bị người dùng (UE) Thủ tục này sử dụng tín hiệu liền kênh từ UE để thực hiện các thay đổi cần thiết.
- Thủ tục giải phóng SAE Bearer
Thủ tục giải phóng SAE Bearer nhằm mục đích cho phép phát hành SAE đã thiết lập cho một thiết bị người dùng (UE) Quy trình này sử dụng tín hiệu UE qua kênh liền mạch.
- Thủ tục thiết lập bối cảnh đầu:
Mục đích của các thủ tục thiết lập bối cảnh ban đầu là tạo ra một môi trường cần thiết cho UE, bao gồm bối cảnh SAE Bearer, bối cảnh an ninh, danh sách hạn chế, thông tin khả năng UE và NAS-PDU Thủ tục này sử dụng UE-báo hiệu liền kênh để đảm bảo việc thiết lập được thực hiện một cách hiệu quả.
- Giải phóng yêu cầu bối cảnh của UE – khởi tạo ở eNB
Mục đích của thủ tục bối cảnh UE giải phóng là cho phép eNB yêu cầu MME phát hành các kết nối logic S1 liên quan đến UE do EUTRAN tạo ra Thủ tục này sử dụng tín hiệu UE một cách liền mạch.
- Thủ tục giải phóng UE ( khởi tạo ở MME)
Mục đích của thủ tục phát hành bối cảnh UE là để MME có thể thực hiện việc đặt hàng phát hành kết nối hợp lý, phục vụ cho nhiều lý do như hoàn tất giao dịch giữa UE và EPC hoặc đảm bảo bàn giao thành công Thủ tục phát hành bối cảnh UE do MME khởi xướng có thể được bắt đầu khi eNB yêu cầu phát hành Quá trình này sử dụng tín hiệu báo hiệu liền kênh từ UE.
- Thủ tục sửa đổi bối cảnh UE
Mục đích của các thủ tục UE Sửa đổi bối cảnh là thay đổi bối cảnh UE thành lập một phần Thủ tục sử dụng UE báo hiệu liền
Mục đích của các thủ tục chuẩn bị chuyển giao là yêu cầu chuẩn bị các nguồn tài nguyên ở phía mục tiêu thông qua các EPC
- Xác định nguồn lực chuyển giao
Mục đích của các thủ tục xác định nguồn lực chuyển giao để dự trữ nguồn tài nguyên tại các eNodeB đích cho việc chuyển giao một UE
Mục đích của các thủ tục thông báo bàn giao là xác nhận với MME rằng các uế đã đến các tế bào mục tiêu và quá trình bàn giao S1 đã được thực hiện thành công.
- Yêu cầu chuyển đổi đường
Mục đích của thủ tục chuyển mạch là yêu cầu chuyển đổi một đường hầm đường xuống GTP sang một điểm cuối đường hầm GTP mới.
Thủ tục bàn giao Hủy bỏ cho phép eNB nguồn hủy bỏ một bàn giao liên tục Quy trình này có thể được khởi xướng bởi eNB nguồn trong và sau khi hoàn tất thủ tục chuẩn bị bàn giao, nếu một trong các điều kiện nhất định được đáp ứng.
ENB nguồn chưa bắt đầu thực hiện việc chuyển giao thông qua giao diện ưu
Sau khi bắt đầu quá trình bàn giao, UE đã gửi một thông điệp RRC trở lại eNB nguồn, xác nhận rằng UE coi eNB nguồn là eNB phục vụ của mình.
- Thủ tục sử dụng UE liên quan đến kết nối S1-logic
Lớp Giao thức X2
Các chức năng của X2 như sau:
Quản lý di động là chức năng cho phép eNB chuyển thông tin di chuyển của UE sang các eNB khác, trong đó chuyển tiếp dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
- Quản lý lưu lượng : Chức năng này eNB để cho biết tình trạng quá tải và tải lưu lượng truy cập đến nhau
Chức năng báo cáo tình huống lỗi chung cho phép người dùng ghi nhận các vấn đề chưa được xác định bởi chức năng thông báo lỗi cụ thể, giúp cải thiện quy trình xử lý sự cố.
Giao diện X2 X2AP thủ tục được chia thành hai mô-đun như sau:
1 X2AP Basic Mobility Thủ tục;
2 Thủ tục X2AP toàn cầu;
Mô-đun cơ bản X2AP Mobility Thủ tục bao gồm các thủ tục được sử dụng để xử lý di động trong EUTRAN
Thủ tục toàn cầu mô-đun bao gồm các quy trình không liên quan đến một UE cụ thể, và những quy trình này khác biệt so với các mô-đun liên quan đến hai eNB ngang hàng.
Unsuccessful Outcome Thủ tục Response message Response message
Chuẩn bị Chuyển giao HANDOVER
Từ chối chuyển giao HANDOVER
Reset Thiết lập lại RESET
B ả ng 3 : Danh sách các th ủ t ụ c m ứ c 1 l ớ p X2
Procedure Thủ tục Initiating Message
Load Indication Xác định tải LOAD INFORMATION
Error Indication Xác định lỗi
SN STATUS TRANSFER Release Resource
Giải phóng tài nguyên RELEASE RESOURCE
Error Indication Xác định lỗi ERROR INDICATION
B ả ng 4 : Danh sách các th ủ t ụ c m ứ c 2 l ớ p X2
7.3 Các thủ tục cơ bản:
- Thủ tục chuẩn bị chuyến giao
Thủ tục này được sử dụng để thiết lập các nguồn lực cần thiết trong một eNodeB cho đến bàn giao
- Thủ tục truyền trạng thái của SN
Mục đích của thủ tục SN Chuyển Status là chuyển đổi trạng thái đường lên và tình trạng đường xuống của PDCP-SN từ nguồn đến các eNodeB mục tiêu trong quá trình bàn giao X2, đảm bảo rằng PDCP SN tình trạng bảo quản được áp dụng cho từng người mang SAE tương ứng.
- Thủ tục từ chối chuyển giao:
Các bàn giao Hủy bỏ thủ tục được sử dụng để hủy bỏ một bàn giao đã được chuẩn bị
- Thủ tục xác định lưu lượng
Mục đích của các thủ tục xác định lưu lượng là nhằm xác định các vị trí quá tải trong quá trình chuyển giao giữa các eNodeB, từ đó phối hợp hiệu quả hơn.
- Thủ tục xác định lỗi
Thủ tục xác định lỗi được khởi tạo bởi nút để báo cáo lỗi trong tin nhắn gửi đến, khi không thể sử dụng thông báo lỗi thích hợp Nếu lỗi phát sinh từ việc nhận tin nhắn sử dụng UE liên quan đến tín hiệu, thì thủ tục chỉ định lỗi sẽ sử dụng UE để báo hiệu ngay lập tức Ngược lại, nếu không liên quan đến tín hiệu UE, thủ tục sẽ được thực hiện khác.
Mục đích của các thủ tục thiết lập X2 là để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu ứng dụng giữa hai eNodeBs diễn ra chính xác trên giao diện X2.
- Thủ tục khởi tạo lại
Mục đích của các thủ tục thiết lập lại là để tổ chức lại các nguồn lực trong eNB1 và eNB2 khi xảy ra thất bại bất thường Các thủ tục này không liên quan đến tín hiệu từ thiết bị người dùng (UE).
Kỹ thuật OFDM, MIMO và ứng dụng trong LTE
Kỹ thuật MIMO
Trong lĩnh vực radio, công nghệ Multi Input Multi Output (MIMO) sử dụng nhiều anten cả ở phía phát lẫn phía thu nhằm nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu MIMO là một trong những giải pháp nổi bật của công nghệ anten thông minh.
Công nghệ MIMO đã nổi bật trong lĩnh vực viễn thông nhờ khả năng tăng cường đáng kể phạm vi và tốc độ kết nối dữ liệu mà không cần mở rộng băng thông hay tăng công suất truyền sóng Bằng cách sử dụng nhiều anten, MIMO cải thiện hiệu quả quang phổ, cho phép truyền tải nhiều bit dữ liệu trong mỗi hertz băng thông, đồng thời nâng cao độ tin cậy của kết nối thông qua lợi ích đa dạng.
Bởi vì các đặc tính này, MIMO là một phần quan trọng của tiêu chuẩn truyền thông hiện đại không dây IEEE 802.11n (Wifi), 4G , 3GPP dài hạn tiến hóa ,
Trong lĩnh vực thương mại, Iospan Wireless Inc đã phát triển hệ thống thương mại đầu tiên vào năm 2001 với công nghệ MIMO-OFDMA Công nghệ này hỗ trợ mã hóa đa dạng và ghép kênh không gian Năm 2005, Airgo Networks phát triển chuẩn IEEE 802.11n dựa trên bằng sáng chế MIMO của họ Sau năm 2006, nhiều công ty như Broadcom, Intel và Marvell đã đưa ra giải pháp MIMO-OFDM cho chuẩn 802.11n WiFi Cùng năm, Beceem Communications, Samsung và Runcom Technology cũng phát triển giải pháp MIMO-OFDMA dựa trên chuẩn IEEE 802.16e WiMAX Tất cả các hệ thống 4G hiện nay đều sử dụng công nghệ MIMO, với nhiều nhóm nghiên cứu chứng minh khả năng đạt tốc độ hơn 1 Gbit/s.
MIMO có thể được phân chia thành ba loại chính, precoding , ghép kênh không gian hoặc SM, và mã hóa đa dạng
Precoding, hay còn gọi là đa dòng beamforming, được hiểu là tất cả các xử lý không gian diễn ra tại máy phát Beamforming đơn lớp phát ra cùng một tín hiệu từ mỗi ăng-ten truyền với giai đoạn phù hợp, nhằm tối đa hóa tín hiệu điện nhận được Lợi ích của beamforming bao gồm việc tăng cường tín hiệu nhận và giảm thiểu hiệu ứng đa đường mờ dần Trong trường hợp không có phân tán, beamforming tạo ra một mô hình định hướng rõ ràng, nhưng trong dầm tế bào thông thường, điều này không hoàn toàn chính xác Khi có nhiều ăng-ten nhận, beamforming truyền không thể tối đa hóa tín hiệu ở tất cả các ăng-ten cùng một lúc, do đó, precoding với nhiều dòng được áp dụng Cần lưu ý rằng precoding yêu cầu kiến thức về kênh thông tin nhà nước (CSI) tại máy phát.
Ghép kênh không gian yêu cầu cấu hình ăng-ten MIMO, cho phép tín hiệu tốc độ cao được chia thành nhiều dòng tỷ lệ thấp hơn, mỗi dòng được truyền từ một ăng-ten khác nhau trong cùng một kênh tần số Khi tín hiệu đến các mảng ăng-ten nhận với chữ ký không gian khác nhau, người nhận có khả năng tách các dòng này thành các kênh song song Kỹ thuật ghép kênh không gian rất hiệu quả trong việc tăng dung lượng kênh vượt qua tỷ lệ tín hiệu-nhiễu (SNR) Số lượng dòng không gian tối đa bị giới hạn bởi số lượng ăng-ten tại máy phát hoặc nhận Ghép kênh không gian có thể hoạt động với hoặc không có kiến thức về kênh truyền và cũng cho phép truyền đồng thời cho nhiều người nhận, được gọi là đa truy nhập phân chia không gian, với việc lập kế hoạch thu có chữ ký không gian khác nhau để đảm bảo phân chia hiệu quả.
Đa dạng mã hóa kỹ thuật được áp dụng khi không có kiến thức kênh tại máy phát, cho phép truyền một dòng tín hiệu duy nhất Tín hiệu này được mã hóa thông qua các kỹ thuật gọi là mã hóa không gian-thời gian, với các tín hiệu phát ra từ các ăng-ten truyền được mã hóa theo cách độc lập Phương pháp này tận dụng sự đa dạng tín hiệu trong các liên kết nhiều anten để cải thiện chất lượng truyền dẫn Tuy nhiên, do thiếu kiến thức kênh, không thể áp dụng beamforming hoặc mảng từ mã hóa đa dạng.
Ghép kênh không gian có thể kết hợp với precoding khi thông tin về kênh đã được máy phát nhận diện, hoặc kết hợp với sự đa dạng mã hóa để nâng cao độ tin cậy trong quá trình giải mã.
Trong môi trường vô tuyến, tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng như tán xạ, khúc xạ và phản xạ, dẫn đến tình trạng fading và hiệu ứng Doppler, gây mất dữ liệu Để giảm thiểu tác động tiêu cực này, kỹ thuật phân tập được áp dụng, cho phép truyền các bản sao của dữ liệu qua nhiều anten, từ đó chọn lựa tín hiệu có chất lượng tốt nhất trên đường truyền.
Trong các mạng không dây, việc sử dụng mảng anten phát và nhiều anten thu ở đầu cuối là phổ biến Kỹ thuật này giúp nâng cao độ tin cậy của kênh truyền bằng cách tăng tỷ số SNR, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu.
Mã STBC là phương pháp tối ưu hóa việc kết hợp các bản sao dữ liệu nhận được, nhằm giải mã và thu hồi tối đa thông tin.
Trong mã STBC, dòng dữ liệu của ng sử dụng được mã hóa và phân phối giữa các anten theo không gian và thời gian
Một STBC thường được biểu diễn bởi một ma trận :
Mỗi hàng biễu diễn một khe thời gian, Mỗi cột biễu diễn một anten phát
Sij biểu diễn một ký hiệu được truyền trong khe thời gian thứ i của anten thứ j Có T khe thời gian cho nT anten phát và nT anten thu Mỗi khối dữ liệu có chiều dài T.
Tốc độ mã hóa được xác định bằng số ký hiệu trung bình được truyền trong một khe thời gian của một khối Nếu một khối mã hóa chứa k ký hiệu trong một khe thời gian, thì tốc độ mã hóa sẽ được tính là r = k.
Các mã khối không gian-thời gian trực giao (STBC) đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ cho công nghệ MIMO, nhờ vào khả năng tối ưu hóa quá trình giải mã với độ phức tạp thấp và đảm bảo tính phân tập hoàn toàn.
Mã STBC trực giao, được phát minh bởi Alamouti vào năm 1998, là một phương pháp mã hóa tín hiệu hiệu quả Ví dụ đơn giản nhất về mã này là khi tín hiệu phát đi gồm hai ký hiệu liên tiếp x1 và x2 Ma trận mã trực giao này được sử dụng cho hai anten phát, giúp cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn tín hiệu.
Tại khe thời gian thứ 1, anten 1,2 sẽ phát đi x1,x2 Tại khe thời gian thứ 2 anten 1,2 sẽ phát đi −x 2 * và x 1 *
Hình 32 : Mô hình kênh truy ề n sóng
Mỗi anten phát tín hiệu trên kênh truyền độc lập với các anten khác Đối với anten thứ i, ký hiệu phát đi được nhân với giá trị phức ngẫu nhiên hi, đặc trưng cho kênh truyền thứ i Trong kênh truyền Rayleigh, giá trị phần thực và phần ảo của hi tuân theo phân bố Gaussian với kỳ vọng là 0 và phương sai nhất định.
Công nghệ OFDM
Ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là một phương pháp mã hóa dữ liệu kỹ thuật số trên nhiều tần số sóng mang, trở thành công nghệ phổ biến cho băng rộng trong thông tin liên lạc kỹ thuật số OFDM được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như phát sóng truyền hình, âm thanh kỹ thuật số, DSL truy cập internet băng thông rộng, mạng không dây và truyền thông di động 4G.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tương tự như Code OFDM (COFDM) và điều chế đa âm rời rạc (DMT), là một kỹ thuật điều chế đa phương pháp sử dụng ghép kênh phân chia tần số (FDM) Kỹ thuật này sử dụng một số lượng lớn các tín hiệu sóng mang phụ trực giao để truyền tải dữ liệu, chia dữ liệu thành nhiều dòng song song, mỗi dòng tương ứng với một nhà cung cấp dịch vụ phụ Mỗi nhà cung cấp dịch vụ được điều chế bằng các phương pháp thông thường như điều chế biên độ vuông góc hoặc pha ca keying với tỷ lệ biểu tượng thấp, giữ cho tốc độ dữ liệu tổng thể tương đương với các phương pháp điều chế đơn tàu sân bay trong cùng băng thông Ưu điểm nổi bật của OFDM là khả năng xử lý hiệu quả các điều kiện kênh khắc nghiệt mà không cần bộ lọc cân bằng phức tạp, giúp đơn giản hóa quá trình cân bằng kênh nhờ vào tính chất trực giao của các sóng mang.
Công nghệ 67 PHẠM NHƯ NGỌ sử dụng tín hiệu băng hẹp với phương pháp điều chế từ từ, thay vì điều chế tín hiệu băng rộng một cách nhanh chóng Tỷ lệ biểu tượng thấp cho phép áp dụng khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu, giúp loại bỏ hiện tượng can thiệp intersymbol (ISI) và tận dụng tiếng vang cùng thời gian lây lan để cải thiện tỷ lệ tín hiệu-nhiễu Cơ chế này cũng hỗ trợ thiết kế mạng lưới tần số duy nhất (SFNs), cho phép nhiều thiết bị phát sóng gửi cùng một tín hiệu tại cùng một tần số mà không gây can thiệp, khác với các hệ thống truyền thống.
2.1 Đặc điểm và nguyên tắc hoạt động
Khái niệm, OFDM là một bộ phận của điều chế FDM, bổ sung thêm tất cả các tín hiệu sóng mang trực giao với nhau
Trong OFDM, các tần số sóng mang phụ được chọn để giao thoa với nhau, giúp loại bỏ sự can thiệp giữa các kênh phụ và bảo vệ băng tần không cần thiết Điều này làm đơn giản hóa thiết kế của cả máy phát và người nhận, khác với FDM truyền thống, nơi mỗi kênh phụ cần một bộ lọc riêng biệt.
Khoảng cách giữa các sóng mang phụ Hertz được xác định bởi T U giây, là thời gian biểu tượng hữu ích và k là số nguyên dương, thường bằng 1 Với N sub-tàu sân bay, tổng băng thông sẽ được tính là B ≈ N × Δ f (Hz).
Trực giao cho phép hiệu suất phổ cao với tỷ lệ biểu tượng gần đạt tốc độ Nyquist đối với tín hiệu baseband tương đương, tức là gần một nửa tỷ lệ Nyquist cho tín hiệu ban nhạc đôi bên passband vật lý Hầu hết băng tần có sẵn có thể được sử dụng, và OFDM có quang phổ gần như 'trắng', mang lại tính nhiễu điện từ lành tính cho người sử dụng đồng kênh.
Một thời gian biểu tượng hữu ích T U = 1 ms yêu cầu khoảng cách phụ mang trực giao, với N = 1,000 phụ mang sẽ tạo ra tổng băng thông dải thông là N Δf = 1 MHz Theo lý thuyết Nyquist, băng thông yêu cầu cho thời gian này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất truyền tải.
Tần số OFDM yêu cầu độ chính xác cao trong việc đồng bộ hóa giữa máy thu và máy phát, với độ lệch tần số sóng mang phụ có thể gây ra can nhiễu giữa các bên Độ lệch tần số thường do máy phát không phù hợp hoặc dịch chuyển Doppler, và trong khi có thể bồi thường cho sự thay đổi Doppler, tình hình trở nên phức tạp hơn khi kết hợp với đa đường Sự phản xạ tại các độ lệch tần số khác nhau làm cho việc sửa chữa trở nên khó khăn, đặc biệt khi tốc độ tăng lên, điều này giới hạn việc sử dụng OFDM trong các phương tiện di chuyển nhanh Mặc dù có một số kỹ thuật đề xuất để đàn áp can nhiễu giữa các kênh (ICI), nhưng chúng có thể làm tăng độ phức tạp trong quá trình nhận tín hiệu.
Thực hiện bằng cách sử dụng các thuật toán FFT
Trực giao cho phép bộ điều biến hoạt động hiệu quả, thực hiện bộ giải điều chế bằng cách sử dụng các thuật toán FFT ở phía người nhận và FFT ngược ở phía người gửi Những nguyên tắc này cùng với một số lợi ích đã được biết đến từ nhiều năm trước.
Vào năm 1960, OFDM đã trở thành một công nghệ phổ biến cho truyền thông băng rộng hiện đại nhờ vào khả năng xử lý tín hiệu kỹ thuật số hiệu quả với chi phí thấp, thông qua việc sử dụng các phép toán FFT có thể tính toán được.
Bảo vệ khoảng thời gian để xóa bỏ sự can thiệp intersymbol
Một nguyên tắc quan trọng của OFDM là việc sử dụng điều chế biểu tượng với tỷ lệ thấp giúp giảm thiểu ảnh hưởng của sự can thiệp intersymbol do multipath truyền dẫn Điều này cho phép truyền tải nhiều luồng dữ liệu song song với tốc độ thấp thay vì chỉ một luồng duy nhất có tốc độ cao Thời gian dài của mỗi biểu tượng cũng cho phép chèn khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu OFDM, từ đó loại bỏ sự can thiệp intersymbol.
Khoảng bảo vệ không chỉ loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ lọc xung định hình mà còn giảm thiểu độ nhạy cảm với các vấn đề liên quan đến đồng bộ hóa thời gian.
Khi gửi một triệu biểu tượng mỗi giây qua một kênh không dây với điều chế đơn sóng mang, thời gian cho mỗi biểu tượng chỉ khoảng một micro giây, gây ra những thách thức lớn về đồng bộ hóa và yêu cầu loại bỏ nhiễu đa đường Nếu cùng một triệu biểu tượng được phân bổ trên 1.000 kênh, thời gian cho mỗi biểu tượng có thể kéo dài lên đến một phần nghìn giây Bằng cách chèn một khoảng bảo vệ 1/8 chiều dài biểu tượng giữa các biểu tượng, có thể ngăn chặn hiện tượng can thiệp intersymbol nếu thời gian lan truyền đa đường ngắn hơn khoảng bảo vệ, tức là 125 micro giây, tương đương với một khoảng cách tối đa 37,5 km giữa các đường dẫn.
Tiền tố tuần hoàn được truyền trong thời gian bảo vệ, bao gồm sự kết thúc của ký hiệu OFDM được sao chép vào các khoảng bảo vệ Các khoảng bảo vệ này được truyền theo sau ký hiệu OFDM nhằm mục đích tích hợp trên một số nguyên của chu kỳ hình sin cho các multipaths trong quá trình giải điều chế.
Điều kiện kênh chọn lọc tần số có ảnh hưởng đáng kể đến việc truyền tải thông tin, đặc biệt là khi xét đến những tác động từ tuyên truyền đa đường Những ví dụ này cho thấy rằng các yếu tố này có thể được xem là không đổi trong một kênh truyền dẫn.
Kết hợp MIMO –OFDM trong LTE
Hình 35 : H ệ th ố ng truy ề n sóng MIMO OFDM phía phát và phía thu
Hệ thống MIMO-OFDM kết hợp cả phân tập không gian và phân tập tần số để tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu Cấu trúc tổng quát của hệ thống bao gồm một số anten phát, cho phép cải thiện hiệu suất truyền dẫn và tăng cường độ tin cậy của tín hiệu.
RM anten thu và NOFDM là những công nghệ quan trọng trong truyền thông không dây Tần số kênh fading được lựa chọn giữa các cặp ăng-ten truyền và nhận có đường dẫn L với độ trễ độc lập và sức mạnh tương đồng theo hồ sơ cá nhân Các kênh MIMO duy trì tính ổn định trong từng khối OFDM, đảm bảo hiệu suất truyền tải dữ liệu tốt hơn.
Tần số kênh fading lựa chọn giữa mỗi cặp của phát và thu có kênh truyền dẫn L độc lập Các kênh MIMO là không đổi trên mỗi khối OFDM
Hệ số kênh truyền được khái quát như sau:
Coi công suất của các đường là như nhau:
Khi đó ta có ma trận hệ số truyền
81 PHẠM NHƯ NGỌ C ci (n) thể hiện các biểu tượng kênh truyền trên sóng mang phụ thứ n của anten i, với Nis là số lượng sóng mang con trong sơ đồ OFDM Các máy phát OFDM sử dụng N điểm IFFT cho mỗi cột của ma trận C.
Sau khi thêm một tiền tố tuần hoàn, tương ứng với ký hiệu OFDM thứ i (i 1,2, MT) cột C lây truyền qua ăng ten truyền i Tất cả các ký hiệu
OFDM TM được truyền cùng một lúc từ các ăng-ten truyền khác nhau
Tại máy thu, sau khi thực hiện quá trình lọc và loại bỏ các tiền tố tuần hoàn, tín hiệu nhận được ở các sóng mang con thứ n tại ăng-ten j được xác định thông qua phương pháp FFT.
Khi đáp ứng tần số kênh thứ n giữa ăng ten truyền i và ăng ten nhận j, T = 1 / Δf thể hiện sự tách biệt sóng mang phụ trong miền tần số, với T là khoảng thời gian ký hiệu OFDM Tình trạng kênh thông tin H(n)i,j được biết đến tại phía nhận, nhưng không được biết tại phía phát.
Ứng dụng LTE tại Việt Nam
Cấp giấy phép thử nghiệm 4G
Vào tháng 9 năm 2010, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp 5 giấy phép thử nghiệm công nghệ 4G cho các doanh nghiệp Viettel, VNPT, CMC, FPT và VTC Thời gian thử nghiệm được quy định là từ 1 đến 2 năm để đánh giá công nghệ và nhu cầu sử dụng của người dân Việt Nam Hiện tại, trên thế giới có khoảng 17 nhà mạng cung cấp dịch vụ 4G.
Hướng nâng cấp từ 3G UTMS lên 4G LTE Advantage
Hiện nay, có hai công nghệ tiêu chuẩn 4G là LTE Advantage và WiMax Tuy nhiên, xu hướng hiện tại cho thấy các mạng 3G UMTS đang phát triển theo hướng LTE và bỏ qua WiMax.
Một trong những lý do chính khiến các hãng thiết bị đầu cuối như Samsung và HTC ưu tiên công nghệ LTE là sự từ chối WiMax Điều này đã dẫn đến việc các nhà khai thác viễn thông và nhà sản xuất thiết bị hệ thống cũng tập trung phát triển theo xu hướng LTE.
Xu hướng toàn cầu đang tác động mạnh mẽ đến Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ Mặc dù một số đơn vị đã được cấp phép thử nghiệm Wimax và đã tiến hành các thử nghiệm, nhưng kết quả vẫn chỉ dừng lại ở giai đoạn thử nghiệm mà chưa có kế hoạch triển khai dịch vụ chính thức.
Thử nghiệm dịch vụ LTE và kết quả
3.1 Thử nghiệm của tập đoàn Ericsson tại Việt Nam
Chiều ngày 8/10/2010, Ericsson Việt Nam đã hợp tác với Cục Tần số VTĐ (Bộ TT&TT) để giới thiệu công nghệ LTE trước đại diện Bộ TT&TT và các nhà mạng di động tại Việt Nam Chuyên gia từ Ericsson cho biết, tốc độ dịch vụ ADSL hiện tại tại Việt Nam chỉ đạt trung bình từ 1,5 Mbps đến 6 Mbps, trong khi công nghệ LTE có thể cung cấp tốc độ lý tưởng lên đến 80 Mbps.
Chuyên gia của Ericsson đã trình diễn công nghệ LTE tại Việt Nam, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về dịch vụ này cho các cơ quan quản lý và mạng di động Sự kiện diễn ra trên tầng 10 của Cục Tần số Vô tuyến điện, cho phép truyền dữ liệu và thiết lập cuộc gọi 4G từ xe ô tô trang bị mạng LTE Công nghệ LTE cho phép xem phim HD trên điện thoại di động và màn hình TV lớn, tuy nhiên, do chỉ có trạm gốc tại Việt Nam kết nối với mạng lõi ở Thụy Điển và Tây Ban Nha, nên không thể chạy hết các ứng dụng của LTE do độ trễ cao.
Chuyên gia của Ericsson cho biết rằng cuộc gọi 4G cơ bản không khác biệt nhiều so với 2G và 3G Buổi trình diễn này minh chứng rằng 4G có khả năng cung cấp các dịch vụ truyền thống như thoại, cùng với các dịch vụ hội tụ như video và truyền hình tương tác, tất cả đều có thể triển khai trên mạng LTE Trong thử nghiệm này, Ericsson đã kiểm tra công nghệ LTE trên băng tần 2,3 GHz – 2,4 GHz.
Ericsson đã tiến hành thử nghiệm tốc độ tải xuống và tải lên của công nghệ LTE bằng cách di chuyển một chiếc xe gắn cột thu sóng gần một trạm phát sóng cố định Kết quả cho thấy, ngay cả khi di chuyển xa trạm phát sóng, tốc độ Down/Upload của công nghệ LTE vẫn duy trì ở mức cao.
3.2 Thử nghiệm LTE tại VNPT
Sau khi nhận giấy phép thử nghiệm công nghệ 4G từ Bộ TT&TT, VNPT đã triển khai dự án thử nghiệm dịch vụ vô tuyến băng rộng LTE (Long Term Evolution) Trạm BTS LTE được lắp đặt tại tòa nhà Internet, lô 2A, làng Quốc tế Thăng Long, Cầu Giấy, Hà Nội, với tốc độ truy cập Internet đạt tối đa 60 Mbps.
LTE là một hệ thống công nghệ được phát triển từ họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên
84 PH ẠM NHƯ NGỌ C một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới - công nghệ thế hệ thứ tư
Công nghệ này hướng tới mục tiêu cung cấp tốc độ tải xuống lên đến 100 Mbps và tốc độ tải lên 50 Mbps với băng thông 20 MHz Nó hoạt động hiệu quả ở tốc độ di chuyển của thuê bao từ 0 đến 15 km/h, vẫn duy trì hiệu suất tốt khi di chuyển trong khoảng 15 - 120 km/h, và có khả năng hoạt động khi tốc độ lên tới 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy thuộc vào băng tần) Băng thông linh hoạt cho phép hoạt động với các tần số từ 1.25 MHz đến 20 MHz cả chiều lên và xuống Nhờ những ưu điểm nổi bật này, công nghệ LTE đang được áp dụng rộng rãi bởi nhiều hãng viễn thông lớn trên toàn cầu như Alcatel-Lucent, Ericsson, France Telecom/Orange, Nokia, Nokia Siemens Networks, AT&T, T-Mobile và Vodafone.
China Mobile, Huawei, LG Electronics, NTT DoCoMo, Samsung, Signalion, Telecom Italia, ZTE quan tâm, phát triển
VNPT đã hoàn thành trạm BTS theo công nghệ LTE (4G) đầu tiên vào đúng ngày 10/10/2010 và dự kiến sẽ phát sóng thử nghiệm vào cuối tháng 10
Giai đoạn 1 của dự án thử nghiệm dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE của VNPT sẽ được VDC triển khai với 15 trạm BTS tại Hà Nội, mỗi trạm có bán kính phủ sóng khoảng 1km Dự kiến, dự án sẽ hoàn tất trước ngày khai mạc hội nghị thượng đỉnh về Thương mại và Đầu tư ASEAN (ASEAN - BIS) 2010.
26 đến 28-10 Giai đoạn 2 của dự án sẽ được triển khai mở rộng thêm tại TP Hồ Chí Minh ngay sau khi kết thúc giai đoạn 1
3.3 Thử nghiệm LTE tại Viettel
Chiều ngày 18/05/2011,Viettel đã tiến hanh thử nghiệm mạng 4G LTE tại khu vực Giảng Võ, quận Đống Đa, Hà Nội
Kết quả thử nghiệm đường truyền bằng Speedtest cho thấy tốc độ download khoảng 14Mbps và upload khoảng 11Mbps, với tốc độ download thực tế cao nhất đạt 2,5Mb/s trên đường truyền 20Mbps.
Kết quả kiểm tra đường truyền SpeedTest cho thấy tốc độ rất ấn tượng, với thông số download đạt từ 8Mbps đến 14Mbps và tốc độ upload từ 4Mbps đến 10Mbps Đây là tốc độ đáng mơ ước khi so sánh với đường truyền 3G hiện tại.
- Download, upload từ server Hà Nội :
Hình 36 : Thử nghiệm LTE, upload từ Server Hà Nội
- Download, upload từ server Hồ Chí Minh :
Hình 37 : Thử nghiệm LTE, upload từ server TP Hồ Chí Mình
- Download, upload từ server nước ngoài :
Hình 38 : Thử nghiệm LTE, upload server từnước ngoài
Kết quả thử nghiệm cho thấy tốc độ LTE của Viettel trong giai đoạn thử nghiệm đạt mức khá tốt, tuy nhiên vẫn chưa đạt tối đa 100Mbps Mặc dù vậy, thông số ping của mạng rất khả quan, đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng như chơi game và tải xuống.
Thử nghiệm tốc độ download được tiến hành trên các server : viettelonline.com, microsoft, bkav, youtube, mediafire…
- Tốc độ download từ server Viettelonline.com :
Hình 39 : D ownload từ server Viettelonline.com
Tốc độ của mạng LTE đạt mức tối đa ở mức 20Mbps, ổn định trong quá trình tải ở 12Mbps Rất tuyệt
- Tốc độ download từ server Microsoft : Ở server này, mạng 4G LTE Viettel cũng thể hiện độ ổn định và tốc độ cao như tại server Viettelonline
Hình 40 : Download từ server Mircrosoft
- Tốc độ download/upload từ server Mediafire.com :
Hình 41 : Download từ server Mediafire.com
- Tốc độ download/upload từ server Youtube :
