QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

Đồ án: “Quy hoạch mạng 4G LTE”. Đồ án này em trình bày 4 chương, với nội dung chính là chương 3 và gồm có : Chương 1 :Tổng quan về mạng 4G LTE Chương 2 :Giao diện vô tuyến mạng 4G LTE Chương 3:Mô hình thiết kế tính toán quy hoạch mạng 4G LTE Chương 4 : Tiềm năng phát triển của 4G LTE trên thế giới và Việt Nam.

Trang 1

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứngdụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng ngày.Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng Để đápứng nhu cầu băng thông lớn, tốc độ ngày càng cao của con người thì 3G cũng như pháttriển lên 4G ngày càng trở lên vô cùng cấp thiết

Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ, có địnhnghĩa theo hướng dịch vụ Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin diđộng không dây 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểm yếu củamạng 3G Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận nhữngyêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ vớimạng hữu tuyến cố định 4G còn là hiện thể của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiêncứu ở các trường đại học, các viện, các công ty như Motorola, Qualcomm, Nokia,Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mong muốn đápứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng được

Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ và mạng 4G LTE em đã thực hiện đồán: “Quy hoạch mạng 4G LTE” Đồ án này em trình bày 4 chương, với nội dung chính làchương 3 và gồm có :

Chương 1 :Tổng quan về mạng 4G LTE

Chương 2 :Giao diện vô tuyến mạng 4G LTE

Chương 3:Mô hình thiết kế tính toán quy hoạch mạng 4G LTE

Chương 4 : Tiềm năng phát triển của 4G LTE trên thế giới và Việt Nam

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của các thầy

cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy, TS Nguyễn Phạm Anh Dũng và các thầy cô giáo đãgiúp em hoàn thành đồ án này !

Hà Nội, ngày 8 tháng 12 năm 2010

Người thực hiện

i

Nguyễn Thị Hồng Doanh- D06VT2

Trang 2

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE 1

1.1 TỔNG QUAN LTE 1

1.2 YÊU CẦU CHO LTE 1

1.3 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP 2

1.3.1 OFDMA cho DL 2

1.4 DFTS-OFDM VÀ SC-FDMA TRONG 4G LTE 7

1.4.1 DFTS-OFDM 7

1.4.2 SC-FDMA 10

1.5.KIẾN TRÚC MẠNG 12

1.6 GIAO DIỆN E- UTRAN 13

1.7 HIỆU SUẤT PHỔ TẦN 15

1.8 SO SÁNH LTE VÀ WIMAX 16

1.9.CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN TRIỂN KHAI 18

1.10 TỔNG KẾT 18

CHƯƠNG II: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 4G LTE 19

2.1 CÁC VẤN ĐỀ TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 19

2.1.1 Các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn vô tuyến băng rộng và giải pháp 19

2.2 LẬP BIỂU, THÍCH ỨNG ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ HARQ 20

2.2.1 Nguyên lý chung 20

2.2.2 Lập biểu và xử lý phát lại tại HSDPA NodeB 22

2.3.CÁC GIAO THỨC VÀ CÁC KÊNH TRÊN GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CỦA 4G LTE 24 2.3.1 Các giao thức trên giao diện vô tuyến 24

2.3.2 Các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE 25

2.3.3 Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn 26

2.4 QUY HOẠCH TẦN SỐ CHO 4G LTE 31

2.5 TỔ CHỨC KÊNH TẦN SỐ TRONG LTE 33

2.5.1 Băng thông kênh và cấu hình băng thông truyền dẫn 33

2.5.2 Sắp xếp kênh tần số 35

2.6.ĐIỀU CHẾ TRONG 4G LTE 35

2.7 BÁO HIỆU ĐIỀU KHIỂN L1/L2 38

2.7.1 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống 38

2.7.2 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên 39

2.8 QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG 4G LTE 41

ii

Trang 3

2.8.1 Vùng đeo bám, TA 41

2.8.2 Chuyển giao nội LTE 42

2.8.3 Đo chuyển giao 44

2.8.4 Chuyển giao giữa các hệ thống 44

2.9 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG LTE 45

2.10 Tổng kết 46

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH THIẾT KẾ TÍNH TOÁN QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE 47

3.1 GIỚI THIỆU VỀ QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN 47

3.1.1 Nguyên lý chung 47

3.1.2 Một số đặc điểm cần lưu ý trong quy hoạch mạng 48

3.2.QUY HOẠCH ĐỊNH CỠ MẠNG 50

3.2.1 Định cỡ mạng truy nhập LTE 50

3.2.3 Tiến trình định cỡ LTE 52

3.3 CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG 54

3.3.1 Mô hình Hata – Okumura 55

3.3.2 Mô hình Walfsch – Ikegami 56

3.4 QUY HOẠCH VÙNG PHỦ VÀ QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN 59

3.4.1 Quỹ đường truyền 60

3.4.2 Rút ra phương trình tính toán suy hao truyền sóng cực đại cho phép 62

3.4.3 SINR yêu cầu 65

3.4.4 Nhiễu 68

3.4.5 Tính toán số site dựa vào vùng phủ 70

3.5 QUY HOẠCH DUNG LƯỢNG 71

3.5.1 Quy hoạch dung lượng LTE 71

3.5.2 Tính toán thông lượng cell trung bình 72

3.5.3 Ước tính lưu lượng yêu cầu và yếu tố overbooking 73

3.5.4.Dung lượng dựa vào số site 74

3.5.5 Dung lượng của người đánh giá 75

3.6 ĐẦU RA ĐỊNH CỠ 76

3.7.TÍNH TOÁN TỐI ƯU CHO CELL THỰC TẾ VÀ SO SÁNH VỚI HỆ THỐNG GSM, WCDMA 79

3.7.1 Lập công cụ đơn giản tính toán quỹ đường truyền cho 4G LTE 79

3.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 86

CHƯƠNG IV: TIỀN NĂNG PHÁT TRIỂN CỦA 4G LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 87

4.1 CÁC TRIỂN VỌNG CHO CÔNG NGHỆ LTE TRÊN THẾ GIỚI 87

iii

Trang 4

4.2.TƯƠNG LAI KHÔNG CÒN XA CHO MẠNG 4G LTE 87

4.3 HIỆN TRẠNG MẠNG VÔ TUYẾN VINAPHONE VIỆT NAM 88

4.3.1 Tổ chức mạng vô tuyến 88

4.3.2 Dung lượng mạng vô tuyến 89

4.4 LTE ĐÃ BẮT ĐẦU ĐƯỢC THỬ NGHIỆM Ở VIỆT NAM 91

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

iv

Trang 5

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 12

Hình 1.2.Tín hiệu OFDM rời rạc (sau PS) trong miền thời gian và miền tần số 13

Hình 1.3 OFDMA phân chia sóng mang con theo vùng: a) đường xuống, b) đường lên 15

Hình 1.4 OFDMA phân chia sóng mang con theo phân bố (đan xen) 16

Hình 1.5 Sơ đồ khối băng gốc của hệ thống truyền dẫn DFTS-OFDM 17

Hình 1.6 Các sơ đồ sắp xếp sóng mang con: a) sắp xếp khoanh vùng, b) sắp xếp phân bố 18

Hình 1.7 Sự khác nhau trong việc truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian đối với OFDM và DTFT-OFDM: a) điều chế QPSK, b) truyền dẫn OFDM, c) truyền dẫn DFTS-OFDM 20

Hình 1.8 SC-FDMA trên cơ sở DFTS-OFDM: a) ấn định băng thông bằng nhau, 20

Hình 1.9 Các phương pháp sắp xếp sóng mang con cho nhiều người sử dụng 21

Hình 1.10 Kiến trúc hệ thống cho mạng 4G LTE/ SAE chỉ cho EUTRAN của LTE 22

Hình 1.11 Giao diện E-UTRAN 23

Hình 1.12 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác 27

Hình 2.1 Quan hệ giữa lập biểu phụ thuộc kênh, thích ứng đường truyền và HARQ 32

Hình 2.2 Nguyên lý lập biểu của nút B HSDPA 33

Hình 2.3 Nguyên lý xử lý phát lại của nút B 34

Hình 2.4 Kiến trúc mạng 4G LTE 34

Hình 2.5 Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của LTE 34

Hình 2.6 Các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý 36

Hình 2.7 Lưới tài nguyên thời gian-tần số cơ sở của LTE (độ dài CP bình thường) 36

Hình 2.8 Lưới tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trong một lớp cho trường hợp CP bình thường 38

Hình 2.9 Cấu trúc khe: Một khung con bao gồm hai khe độ dài bằng nhau Mỗi khe bao gồm sáu hoặc bảy khối OFDM (đường xuống) hoặc DFTS-OFDM (đường lên) cho trường hợp CP bình thường và CP mở rộng 40

Hình 2.10 Định nghĩa băng thông kênh Bchannel và cấu hình băng thông truyền dẫn Bconfig 43

Hình 2.11 Xử lý khối truyền tải đường xuống 46

Hình 2.12 Xử lý kênh truyền tải đường lên 47

Hình 2.13 Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển đường xuống L1/L2 48

Hình 2.14 Ghép số liệu và báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 trong trường hợp truyền dẫn đồng thời UL-SCH và điều khiển L1/L2 50

Hình 2.15 Vùng theo bám (TA) 51

Hình 2.16 Chuẩn bị chuyển giao 52

Hình 2.17 Thực hiện chuyển giao 52

v

Trang 6

Hình 2.18 Hoàn thành chuyển giao 53

Hình 2.19 Tổng quan chuyển giao từ LTE đến UTRAN/GERAN 54

Hình 2.20 Công suất đường lên LTE với thay đổi tốc độ 55

Hình 3.1 Quá trình quy hoạch và triển khai mạng 4G LTE 56

Hình 3.2 Quá trình tính bán kính vùng phủ sóng 59

Hình 3.3 Định cỡ mạng LTE 62

Hình 3.4 Suy hao đường truyền theo bán kính với mô hình Hata 65

Hình 3.5 Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami 66

Hình 3.6 Suy hao đường truyền theo bán kính với mô hình Walfsch-Ikegami 68

Hình 3.7 Các yếu tố ảnh hưởng dung lượng LTE 76

Hình 3.8 Hàm phổ công suất của G 77

Hình 3.9 Dự trữ nhiễu nhận được như một hàm của tải 79

Hình 3.10 Ba loại site khác nhau( Omni, 2 sector, 3 sector) 79

Hình 3.11 Các bước tính toán bán kính cell và số site 88

Hình 3.12 Mô hình Hata-Okumura cho các loại địa hình 89

Hình 3.13 Mô hình Waflsch- Ikegami 90

Hình 3.14 Tính quỹ đường truyền cho đường lên LTE 90

Hình 3.15.Tính quỹ đường truyền cho đường xuống LTE 90

vi

Trang 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên đường xuống và

HSDPA 25

Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên đường lên và HSDPA 25

Bảng 1.3 Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE- WCDMA 28

Bảng 2.3 Các băng tần LTE 41

Bảng 2.4 Cấu hình băng thông truyền dẫn Bconfig trong LTE 43

Bảng 3.1 Dự trữ nhiễu theo phương pháp nội suy đường thẳng 78

Bảng 3.2 Thông lượng đường xuống cho LTE 82

Bảng 3.3 Đánh giá dung lượng 85

Bảng 3.4 Dự đoán đầu ra qua các năm 86

Bảng 3.5 Thống kê đầu ra sau quy hoạch 87

Bảng 3.6 Thí dụ tính quỹ đường truyền đường lên cho GSM, HSPA và LTE 91

Bảng 3.7 Quỹ đường truyền đường xuống cho GSM, HSPA và LTE 92

Bảng 3.8 Các giá trị để tính toán diện tích ô 94

Bảng 3.9 Tính toán cự ly và diện tích phủ sóng của một ô gồm 3 đoạn ô 94

Bảng 4.1 Thống kế mạng vô tuyến GSM Vinaphone 98

vii

Trang 8

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

1 3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án nghiên cứu mạng thế hệ thứ 3

4 CDF Cumulative Distribution Function Hàm mật độ xác suất

6 FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tầnsố

7 GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

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

17

E- UTRAN

Enhanced – UMTS Terrestrial

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất tăng cường

19

ETSI

European Telecommunications Standard Institute

Viện chuẩn hóa viễn thông châu Âu

HS-PDSCH

High Speed Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý tốc độ cao

viii

Trang 9

25

MCS

Modulation and Coding

31 QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

33 QPSK Quadrature Phase Shift keying Khóa chuyển pha cầu phương

39 SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống40

SC-FDMA

Single Carrier-Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang41

SINR

Signal to Interference and Noise Ratio

Tỷ số tính hiệu chia cho nhiễu cộng tạp âm

44

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

Hệ thống viễn thông

di động toàn cầu

46

Điều khiển truy nhập môi trường

47 MBMS Multimedia Broadcast Multicast Service Dịch vụ đa phương tiện quảng bá

48 PDF Probability Distribution Function Hàm phân bố xac suất

ix

Trang 10

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G LTE

Như có thể thấy, nghiên cứu, nắm bắt và phát triển hệ thống thông tin di động 4G làmột yêu cầu cần thiết hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển chung của nghành viễnthông Chương này giải quyết các vấn đề chung nhất của 4G LTE

1.1 Tổng quan LTE

LTE bắt đầu tiếp tục công việc phát triển hệ thống di động 3G với Work Shop pháttriển node truy nhập vô tuyến RAN, ngày 2-3 tháng 11 năm 2004 tại Toronto, Canada.Work Shop này mở ra tạo được sự quan tâm của các tổ chức, các thành viên hay khôngphải thành viên của 3GPP, các nhà khai thác, các nhà sản xuất và các tổ chức nghiên cứuđưa ra hơn 40 ý kiến đóng góp, nhận định và những đề nghị cho việc phát triển mạng truynhập vô tuyến

Để cung cấp các dịch vụ dữ liệu cao hơn và giảm giá thành cho vận hành khai thác thìviệc nghiên cứu tập trung vào các dịch vụ hỗ trợ được cung cấp từ miền PS gồm:

 Tăng dung lượng hệ thống và giảm giá thành trên bít, cũng như là tận dụngphổ 2G và 3G có sẵn

 Tốc độ dữ liệu đỉnh tức thời đường xuống là 100 Mbps trong 20 Mhz phổcấp phát cho đường xuống (5bps/hz)

 Tốc độ dữ liệu đỉnh tức thời đường lên là 50 Mbps trong 20 Mhz phổ cấpphát cho đường lên (2.5bps/hz)

 Vùng phủ lớn hơn bằng việc cung cấp dữ liệu cao hơn trên các vùng đấtrộng hơn và mềm dẻo trong sử dụng dải tần có sẵn và dải tần mới

 Đạt được dung lượng hệ thống cao hơn tới 3 lần dung lượng hệ thống hiệntại và tăng dữ liệu dịch vụ- nhiều dịch vụ với chi phí thấp hơn

1.2 Yêu cầu cho LTE

Hệ thống LTE được mong đợi sẽ cạnh tranh được trong rất nhiều năm tới nên các yêucầu và mục đích thiết lập trước khá nghiêm ngặt Các mục tiêu chính là tăng dịch vụ dữliệu và giảm số người dùng/ giá khai thác Đặc biệt hơn là một số yêu cầu quan trọng vàdung lượng cuối cùng

 Trễ thấp: Cho cả người dùng và điều khiển, với phổ phân bổ là 5 MHz vớitrễ cuối cùng dưới 5 ms

x

Trang 11

 Phạm vi băng thông: Băng thông khác nhau có thể được sử dụng phụ thuộcvào các yêu cầu (1.25 tới 20 MHz)

 Tốc độ dữ liệu đỉnh: 100 Mbps cho DL và 50 Mbps cho UL

 Tăng từ 2 tới 3 lần dung lượng ở đường lên so với release 6 của HSUPA

 Lưu lượng người sử dụng ở đường xuống tăng 3 tới 4 lần so với release 6của HSDPA

 Chỉ hỗ trợ miền chuyển mạch gói

 Ít nhất là 200 người sử dụng trong một ô tế bào trong trạng thái tích cực, vớiphổ cấp phát lên tới 5 Mhz

 E- UTRAN cần phải được tối ưu hóa cho tốc độ di động thấp từ 0 đến 15km/h

 Giảm sự phức tạp của hệ thống và thiết bị đầu cuối

 Dễ dàng chuyển đổi từ mạng cũ

 Đơn giản hóa và tối ưu số lượng giao diện

 E- UTRA sẽ hoạt động theo phổ được cấp phát theo các kích cỡ khác nhau,bao gồm 1,25 Mhz, 1,6 Mhz, 2,5 Mhz, 5 Mhz, 10 Mhz, 15 Mhz, 20 Mhz ở cảđường lên và đường xuống Việc sử dụng phổ theo cặp hay không theo cặp sẽ được

hỗ trợ

 Hệ thống sẽ có thể hỗ trợ khối nội dung phát qua một tập hợp các tài nguyênbao gồm tài nguyên về băng tần vô tuyến (như công suất, lập lịch thích nghi, )trong cùng các băng tần khác Ở cả đường lên và đường xuống, và cả các kênh sắpxếp liền kề hay không liền kề Một tài nguyên băng tần vô tuyến được định nghĩanhư một phổ tần được sử dụng cho một nhà khai thác

1.3 Kỹ thuật đa truy nhập

1.3.1 OFDMA cho DL

1.3.1 1 Sơ đồ truyền dẫn OFDM

Sơ đồ của một hệ thống truyền dẫn OFDM được cho ở hình 1.1 Sơ đồ này gồm haiphần chính: phần xử lý tín hiệu số (phần băng gốc số) và phần xử lý tín hiệu tương tự(gồm phần băng gốc tương tự và phần vô tuyến) Tại phía phát, phần xử lý số nằm trước

bộ biến đổi số vào tương tự (DAC: Digital to Analog) Nhiệm vụ của phần này ngoài việc

xi

Trang 12

thực hiện IFFT còn có thêm chức năng chèn CP (Cyclic Preamble: tiền tố chu trình).Luồng số cần truyền được phân thành các đoạn dài NSC.log2M bit, trong đó NSC là số cácsóng mang con sẽ sử dụng để mang các bit thông tin và M là số trạng thái của sơ đồ điềuchế Sau bộ biến đổi S/P các bit của khối k được chuyển thành NSC cụm Zp,k với{p=0,1, ,NSC} và {k=-,: biểu thị cho thời điểm hát đoạn bit}, mỗi cụm có độ dàim=log2M bit (đối với điều chế 16QAM, M=16 và m= log2M=4) Sau các bộ MAP (sắpxếp ký hiệu điều chế) cụm Zp,k được sắp xếp lên một trong M vectơ điều chế Để được đủ

N điểm cho bộ IFFT N-NSC giá trị 0 được bổ sung vào đầu vào bộ IFFT N điểm Sau bộIFFT ta được N mẫu tín hiệu trong miền thời gian: xi,k với {i=0,1, ,N-1} và{k=-,}.Sau đó N mẫu này được chèn thêm V mẫu CP (Cyclic Preamble: tiền tố chu trình) đểchống ISI (Inter-symbol Interference: nhiễu giữa các ký hiệu) và ICI (Inter-channelInterference: nhiễu giữa các kênh con) Sau bộ biến đổi song song thành nối tiếp (P/S:Parallel to Serial) N+V mẫu thời gian này đựơc chuyển đổi thành dẫy xk nối tiếp Hình1.2 trình bầy tín hiệu OFDM rời rạc (sau P/S) trong miền thời gian và miền tần số Sau

bộ biến đổi số vào tương tự ta được tín hiệu s(t) Sau bộ điều chế IQ và biến đổi nâng tần

ta được tín hiệu vô tuyến sRF(t)

N điểm

Chèn CP

Biến đổi hạ tần và giải điều chế IQ

RF ( )

R F

s t

( )

R F t r

Kênh vô tuyến phađinh

Trang 13

T s

(Khoảng cách sóng mang con)

V điểm CP Cửa sổ quan trắc N điểm

Tần số lấy mẫu : f =1/T s

Thời gian (các mẫu)

Tần số (các sóng mang con)

T (Thời gian ký hiệu OFDM)

D f=1/T FFT

(Thời gian lấy mẫu)

a) Tín hiệu OFDM rời rạc trong miền thời gian (sau chèn CP)

b) Tín hiệu OFDM rời rạc trong miền tần số

s

Hình 1.2.Tín hiệu OFDM rời rạc (sau PS) trong miền thời gian và miền tần số

Các ký hiệu được sử dụng cho các thông số của quá trình xử lý số nói trên nhưsau :

 TFFT: Thời gian biến đổi Fourier nhanh (thời gian hữu ích)

 TCP: Thời gian CP

 T=TFFT+TCP : Thời gian ký hiệu OFDM

 Ts : Thời gian lấy mẫu

 fs=1/Ts : Tần số lấy mẫu

 f=1/TFFT : Băng thông sóng mang con

Tại phía thu, trước tiên tín hiệu thu vô tuyến rRF(t) được biến đổi hạ tần và giải điều chế

IQ để được tín hiệu băng gốc tương tự y(t) Sau bộ biến đổi tương tự vào số ta đựơc tínhiệu băng gốc số Bộ loại chèn CP loại bỏ V mẫu CP để đựơc N mẫu đầu vào bộ biếnFFT (Fast Fourier Transform: biến đổi Fourier nhanh) kết quả được chuỗi yk Bộ S/Pchuyển đổi N mẫu nối tiếp thành song song: yi,k với {i=0,1,…, N-1} và {k=-,} BộFFT chuyển đổi N mẫu tín hiệu từ miền thời gian vào N mẫu tín hiệu trong miền tần số:i,k

X với {i=0,1,…, N-1} và {k=-,} NSC mẫu mang thông tin: yp,k với {p=0,1, , NSC1} được các bộ DEMAP (giải sắp xếp) chuyển thành các cụm m=log2M bit: Zp,k với

xiii

Trang 14

{p=0,1,…, NSC -1} và {k=-,} Các cụm bit song song này đựơc bộ P/S chuyển thànhđoạn NSClog2M bit nối tiếp.

1.3.2 OFDMA

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access) sử dụng sơ đồ truyền dẫn OFDM để phân chia các sóng mangcon cho các người sử dụng khác nhau Tồn tại hai cách phân chia: (1) khoanh vùng(Locallizzed OFDMA) và (2) phân bố (Distributed OFDMA) Hình 1.3 cho thấy cáchphân chia khoanh vùng Trong cách phân chia này mỗi người sử dụng đựơc phân mộtvùng sóng mang liên tục Trong sơ đồ này trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDMtoàn bộ sóng mang con khả dụng đựơc phân chia thành ba vùng, trong đó vùng thứ nhấtđựợc phân chia cho người sử dụng thứ nhất (MS1), vùng thứ hai được phân chia chongười sử dụng thứ hai (MS2) và vùng thứ ba đựơc phân chia cho người sử dụng thứ ba

xiv

Trang 15

Hình 1.3 OFDMA phân chia sóng mang con theo vùng: a) đường xuống, b) đường lên

Hình 1.4 cho thấy phương pháp phân chia phân bố Trong phương pháp này các sóngmang dành cho một mỗi người sử dụng được phân bố trên toàn bộ băng tần tín hiệu Cácngười sử dụng đựơc phân chia theo kiểu đan xen Toàn bộ các sóng mang con khả dụngđược chia thành các bộ ba tần số Trong mỗi bộ ba này, sóng mang con thứ nhất đượcphân cho người sử dụng thứ nhất (MS1), sóng mang con thứ hai được phân cho người sửdụng thứ (MS2), sóng mang con thứ ba được phân cho người sử dụng thứ ba (MS3).OFDMA phân bố có ưu điểm là cho phép phân tập tần số, nhưng do phức tạp nên hiệnnày 4G LTE chỉ sử dụng OFDMA khoanh vùng cho đường xuống

xv

Trang 16

Hình 1.4 OFDMA phân chia sóng mang con theo phân bố (đan xen)

Trong trường hợp OFDMA được sử dụng cho đường lên, tín hiệu OFDM phát đi từ cácđầu cuối di động khác nhau được ghép kênh theo tần số, điều quan trọng là các truyền dẫn

từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với trạm gốc phải đến trạm gốc một cách đồng

bộ theo thời gian Đặc biệt là sự mất đồng bộ giữa các truyền dẫn từ các đầu cuối di độngkhác nhau tại trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tính trực giao giữa các sóngmang con thu được từ các đầu cuối di động khác nhau để tránh nhiễu giữa các người sửdụng

1.4 DFTS-OFDM VÀ SC-FDMA TRONG 4G LTE

1.4.1 DFTS-OFDM

Nhiều phương pháp đã được đề xuất để giảm PAPR của tín hiệu OFDM Tuy nhiênhầu hết các phương pháp này chỉ đảm bảo giảm PAPR ở mức độ không cao Ngoài ra cácphương pháp này đòi hỏi tính toán phức tạp và giảm hiệu năng đường truyền DFTS-

xvi

Trang 17

OFDM ( DFT Sprread OFDM: OFDM trải phổ bằng DFT) là một dạng điều chế cải tiếncủa OFDM DFTS-OFDM có hiệu quả thông lượng và độ phức tạp tương tự như OFDM.

Ưu điểm chính của DFTS-OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình(PAPR: Peak to Average Power Ratio) thấp hơn OFDM Đa truy nhập đường lên sử dụngDFTS-OFDM được gọi là SC-FDMA Hình 1.5 cho thấy sơ đồ khối phần băng gốc của

Chèn CP

s(t)

P/S

FFT

N điểm

y(t)

Không sử dụng

MAP MAP

MAP: sắp xếp M bit vào ký hiệu điều chế,

DEMAP giải sắp xếp ký hiệu sau giải điều chế

Khối k gồm

N SC log 2 M bit

DEMAP DEMAP

Giải Sắp xếp các sóng mang con

IDFT

N SC

điểm

Hình 1.5 Sơ đồ khối băng gốc của hệ thống truyền dẫn DFTS-OFDM

Tại phía phát, so sánh với sơ đồ OFDM ta thấy sơ đồ DFTS-OFDM có thêm bộ biếnđổi Fourier rời rạc (DFT: Discrete Fourier Transform) NSC điểm và bộ sắp xếp các sóngmang con Trước hết luồng số đựơc phân thành các đoạn dài NSC.log2M bit, trong đó NSC

là số các sóng mang con sẽ sử dụng để mang các bit thông tin và M là số trạng thái của sơ

đồ điều chế Sau bộ biến đổi S/P các bit của khối k được chuyển thành NSC cụm zp,k với{p=0,1, ,NSC} và {k=-,; k biểu thị cho thời điềm phát đoạn bit}, mỗi cụm có độ dàim=log2M bit (đối với điều chế 16QAM, M=16 và m= log2M=4) Sau các bộ MAP (sắpxếp ký hiệu điều chế) cụm zp,k được sắp xếp lên một trong M vectơ điều chế: xp,k trongmiền thời gian với {p=0,1, ,NSC -1} và {k=-,} Sau bộ DFT NSC mẫu miền thời gian

xvii

Trang 18

đựơc chuyển đổi vào NSC mẫu miền tần số: Xp,k với {p=0,1, ,NSC -1} và {k=-,}.

Bộ sắp xếp các sóng mang con thực hiện sắp xếp NSC mẫu miền tần số lên các vị trí quyđịnh trong tập N sóng mang con đầu vào IFFT Có hai cách sắp xếp: săp xếp khoanh vùng(Localized) và săp xếp phân bố Hình 1.6 cho thấy hai cách sắp xếp này Trong các sắpxếp thứ nhất NSC mẫu miền tần số được sắp xếp lên một vùng liên tục các sóng mang con(hình 1.6a), còn trong cách sắp xếp thứ hai các mẫu tần số đựơc sắp xếp vào một sóngmang con trong các tập L sóng mang con (hình 1.6b)

0

Hình 1.6 Các sơ đồ sắp xếp sóng mang con: a) sắp xếp khoanh vùng, b) sắp xếp phân bố

Sau bộ sắp xếp các sóng mang con quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện giống nhưđối với sơ đồ OFDM đã xét ở trên: (1) Các mẫu tần số được bộ IFFT chuyển đổi từ miềntần số vào vào các mẫu trong miền thời gian (xi,k) : tại IFFT, (2) chèn V mẫu CP: tại bộ

chèn CP, (3) biến đổi từ song song vào nối tiếp (xk): tại bộ P/S, (4) biến đổi số vào tương

tự (st)): tại bộ DAC

Tại phía thu quá trình xử lý tín hiệu được thực ngược so với phía phát Trước hết tín

hiệu tương tự được biến đổi thành số (yk): tại bộ ADC Sau đó quá trình xử lý tín hiệu sốcho OFDM được thực hiện: (1) biến đổi từ nối tiếp vào song song: tại bộ S/P, (2) loại bỏ

V mẫu CP (yi,k): tại bộ loại bỏ CP (yi,k), (3) chuyển đổi các mẫu trong miền thời gian vàocác mẫu trong miền tần số (Yi,k): tại bộ FFT Tiếp theo là quá trình xử lý cho tín hiệuDFT: (1) giải sắp xếp các sóng mang con (Yp,k), (2) chuyển đổi các mẫu tần số vào cácmẫu thời gian (yp,k): tại bộ IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform: chuyển đổi Fourierrời rạc ngược) Cuối cùng là quá trình chuyển đổi các mẫu thời gian vào luồng bit: (1) giải

xviii

Trang 19

sắp xếp các mẫu thời gian vào các cụm m=log2M bit (zˆp,k): tại bộ DEMAP, (2) chuyểnđổi tập NSC các cụm m bit song song vào vào chuỗi NSClog2M bit nối tiếp: tại bộ P/S

Ưu điểm của truyền dẫn DFTS-OFDM so với OFDM là nó truyền các ký hiệu điềuchế số liệu lần lựơt vì thế giảm đáng kể PAPR Hình 1.7 cho thấy sự khác nhau trong quátrình truyền các ký hiệu điều chế số liệu theo thời gian giữa OFDM và DFTS-OFDM.Trên hình này ta coi trong mỗi khối ký hiệu tại đầu vào của hai hệ thống gồm bốn ký hiệuđiều chế QPSK (Nsc=4) (hình 1.7a), các hệ thống sử dụng 4 sóng mang con với băngthông con bằng 15 kHz, để truyền 4 ký hiệu số liệu được điều chế này Hình 1.7b và 1.7cbiểu thị truyền dẫn OFDM và DFTS-OFDM trong không gian hai chiều thời gian và tần

số Hình 1.7b cho thấy hệ thống truyền dẫn OFDM truyền đồng thời 4 ký hiệu điều chếQPSK với mỗi băng tần con cho từng ký hiệu là 15 kHz trong khoảng thời gian hiệudụng TFFT của một ký hiệu OFDM, trong khi đó hình 1.7c cho thấy hệ thống DFTS-OFDM truyền lần lượt bốn ký hiệu QPSK trong khoảng thời gian bằng 1/Nsc (Nsc=4) thờigian hiệu dụng TFFT của ký hiệu DFTS-OFDM với băng tần con bằng Nsc x15 kHz(4x15Hz= 60 kHz trong trường hợp này) cho từng ký hiệu

Mỗi ký hiệu số liệu chiếm 15kHz trong toàn bộ thời gian hiệu dụng ký hiệu OFDM

Tần số Tần số

15 kHz

PSD: mật độ phổ công suất; CP: tiến tố chu trình

T FFT : thời gian hiệu dụng ký hiệu OFDMA/DFTS-OFDM

a) Điều chế QPSK

xix

Trang 20

Hình 1.7 Sự khác nhau trong việc truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian đối với OFDM và DTFT-OFDM: a) điều chế QPSK, b) truyền dẫn OFDM, c) truyền dẫn DFTS-OFDM

1.4.2 SC-FDMA

Kỹ thuật đa truy nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM trong các hệ thống thông tin diđộng thế hệ mới được gọi là SC-FDMA (Single Carrier – FDMA: FDMA đơn sóngmang) Từ đơn sóng mang (SC) xuất phát từ việc DFTS-OFDM cho phép truyền dẫn lầnlượt các ký hiệu điều chế thông thường giống như trong các hệ thống điều chế đơn sóngmang Hình 1.8 mô tả nguyên lý SC-FDMA

IFFT (N) Xử lý bổ sung

N sc1

Nsc2

Hình 1.8 SC-FDMA trên cơ sở DFTS-OFDM: a) ấn định băng thông bằng nhau,

b) ấn định băng thông không bằng nhau

Bằng cách dịch các đầu ra của DFT đến các đầu vào thích hợp của IFFT, hệ thống cóthể phát tín hiệu vào đúng vị trí miền tần số được quy định theo lập biểu

Giống như OFDMA, thông lượng SC-FDMA phụ thuộc vào cách sắp xếp các ký hiệuthông tin lên các sóng mang con Có hai cách phân lô các sóng mang con giữa các máyđầu cuối Trong SC-FDMA khoanh vùng (LFDMA: Localized SC-FDMA) hay còn đượcgọi là DFTS-OFDM khoanh vùng (Locallized DTFS-OFDM), mỗi đầu cuối sử dụng mộttập sóng mang con liền kề để phát đi ký hiệu của mình Vì thế băng thông truyền dẫnLFDMA bằng một phần băng thông hệ thống Trong SC-FDMA phân bố (DFDMA:Distributed FDMA) hay còn gọi là DTFS-OFDM phân bố (Distributed DFTS-OFDM),các sóng mang dành cho một đầu cuối được phân bố trên toàn bộ băng tần tín hiệu Mộtphương án của SC-FDMA phân bố được gọi là SC-FDMA đan xen (IFDMA: InterleavedSC-FDMA), trong đó các sóng mang con được chiếm bởi một đầu cuối cách đều nhau vàcác sóng mang con giữa chúng để rỗng dành cho các đầu cuối khác Hình 1.9 cho thấy haicách sắp xếp nói trên, trong đó có ba đầu cuối, mỗi đầu cuối phát đi các ký hiệu trên bốnsóng mang con trong một hệ thống có 12 sóng mang con Trên hình 1.9a, trong cách sắp

xx

Trang 21

xếp IFDMA đầu cuối 1 sử dụng các sóng mang con 0, 3, 6 và 9 còn trên hình 1.9b trongcác sắp xếp LFDMA đầu cuối 1 sử dụng các sóng mang con 0,1,2,3

Hình 1.9 Các phương pháp sắp xếp sóng mang con cho nhiều người sử dụng

Trong DL, sơ đồ truyền dẫn là OFDM với tiền tố vòng (CP), chủ yếu do sự đơn giảncủa máy phát OFDM đưa ra cái lợi về kiến trúc tần số nó chia dữ liệu thành các sóngmang nhỏ Khoảng cách giữa các hai sóng mang nhỏ được cố định là 15 kHz Một khốinguồn (đơn vị nhỏ nhất trong thời gian và tần số) được định nghĩa gồm 12 sóng mang convới tần số và 14 cho thời gian Để tạo một khối nguồn cần span là 180 kHz và 1ms trongkhía cạnh tần số và thời gian Khung nhỏ này cũng tối ưu khoảng thời gian truyền dẫn(TTI) Lựa chọn TTI ngắn giúp đạt được các yêu cầu thấp về trễ Thực chất mặc dùOFDM tồn tại tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình lớn hơn nhưng nó không bịcoi là vấn đề chính trong mạng này

Sự mềm dẻo trong băng thông kênh được cung cấp bởi 6 sự lựa chọn băng thông khácnhau cho việc khai thác Theo đó độ rộng băng thông bao gồm 1.25, 2.5, 10, 15, và 20MHz Theo chú ý ở trên thì khoảng cách giữa hai sống mang nhỏ đặt cố định là 15 kHz,tương ứng với nó là tốc độ ký hiệu 1/Tb =66.68µs Để tránh ISI thì khoảng cách bảo vệđược chèn vào giữa 2 ký hiệu liền nhau Khoảng cách này sau đó được điền đầy bởi CP.Điều này nghĩa là một bản sao chép số lượng các mẫu cuối cùng được chèn vào khởi đầucủa ký hiệu

1.5 Kiến trúc mạng

Kiến trúc mạng LTE được mô tả bởi 3 yêu cầu đặc biệt: Hỗ trợ cho miền PS, trễ thấp

và giảm giá thành Để đạt được điều trên và vượt qua sự phức tạp của các kiến trúc mạngtrước đó, LTE phải được thiết kế chứa ít node mạng hơn Điều này là quan trọng vì sốlượng node mạng ít hơn sẽ giảm số tiến trình liên quan giao thức, giá của thử nghiệm và

số lượng giao diện Nó cũng dễ hơn trong tối ưu các giao thức giao diện vô tuyến Nó có

xxi

Trang 22

thể thực hiện được bằng cách hợp nhất một số giao thức điều khiển và sử dụng báo hiệungắn hơn kết quả từ thiết lập các phiên nhanh LTE sử dụng 2 kiến trúc node.

Hình 1.10 Kiến trúc hệ thống cho mạng 4G LTE/ SAE chỉ cho EUTRAN của LTE

Kiến trúc gồm bốn miền chính: (1) thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment), (2)mạng truy nhập vô tuyến UMTS phát triển (E- UTRAN), (3) mạng lõi gói phát triển(EPC) và (4) miền các dịch vụ Các miền kiến trúc mức cao có chức năng giống như cácchức năng hiện có trong các hệ thống 3 GPP Phát triển kiến trúc mới chủ yếu tập trunglên mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi: E- UTRAN và EPC Các miền UE và dịch vụkhông đổi về mặt kiến trúc

UE, E- UTRAN và EPC cùng nhau thể hiện lớp kết nối giao thức Internet (IP) Phầnnày cũng còn được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS: Evolved Packet System) Chứcnăng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP Tất cả các dịch vụ đều được cungcấp trên đỉnh IP Các công nghệ IP cũng là các công nghệ ngự trị trong truyền tải, tại đâytất cả đều được thiết kể để hoạt động trên đỉnh của truyền tải IP

Phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multitimedia Sub- System) là thí dụ rõ ràng nhất

về bộ máy dịch vụ được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các dịch vụ trênđỉnh kết nối IP do các lớp thấp hơn cung cấp Thí dụ, để hỗ trợ dịch vụ thoại, IMS có thể

xxii

Mạng ngoài: các dịch

vụ của nhà khai thác (IMS) và Internet

Các dịch vụ

S 10

S 11

S 6a

MME

S1-R x S1-

U

G x

G xc

S Gi

EPC

Lớp kết nối IP Lớp kết nối các dịch vụ

Trang 23

cung cấp thoại trên IP (VoIP) và kết nối với các mạng chuyển mạch dịch vụ kênh PSTN

và ISDN thông qua các cổng phương tiện (MGW) mà nó điều khiển

Nghiên cứu phát triển trong E- UTRAN tập trung lên một nút , nút B phát triển(eNodeB: Evolved Node B) eNodeB là điểm kết nối cho tất cả các giao thức vô tuyến E-UTRAN đơn giản là một lưới các eNodeB được nối với nhau qua giao diện X2

Một trong số các thay đổi lớn của kiến trúc trong vùng mạng lõi là EPC không chứamiền chuyển mạch kênh Về mặt chức năng, EPC tương đương như miền chuyển mạchgói của các mạng 3GPP hiện có Tuy nhiên có các thay đổi đáng kể trong việc tổ chức cácchức năng và hầu hết các nút Có thể coi rằng kiến trúc của phần này là hoàn toàn mới.Cổng SAE GW bao gồm hai cổng: (1) cổng phục vụ (Serving Gateway) và cổng mạng

số liệu gói (P- GW) được định nghĩa để xử lý mặt phẳng người sử dụng (UP) trong EPC

1.6 Giao diện E- UTRAN

Một trong những mục tiêu của EUTRAN là đơn giản và giảm số lượng giao diện giữacác phần tử mạng khác nhau Giao diện giữa các phần tử khác nhau là S1 (eNodeB-aGW)

và X2 (giữa các eNodeB) được chỉ trên hình 1.11

S1 là giao diện giữa eNB và UPE Giao diện này có thể được chia nhỏ thành 2 phần :

 Mặt phẳng C: S1-C là giao diện giữa eNB và chức năng MME trong EPC

 Mặt phẳng U: S1-U là giao diện giữa eNB và chức năng UPE trong EPC

Hình 1.11 Giao diện E-UTRAN

xxiii

Trang 24

Nhìn từ S1, điểm truy nhập EUTRAN là một eNB và điểm truy nhập EPC hoặc là mặtphẳng điều khiển node MME hoặc là mặt phẳng người sử dụng node logic cổng SAE.Điểm truy nhập S1sẽ phụ thuộc đầy đủ vào các yêu cầu của thông số S1thích hợp Giaodiện S1 hỗ trợ rất nhiều chức năng bao gồm thiết lập nội dung khởi đầu, quản lý nội dung

UE và các chức năng di động Chức năng thiết lập nội dung khởi đầu hỗ trợ các thiết lậpcủa nội dung UE khởi đầu cộng với nội dung bearer SAE, nội dung bảo mật, giới hạnchuyển vùng, thông tin dung lượng UE trong eNB cho phép chuyển từ trạng thái rỗisang hoạt động (idle to active) Giao diện S1 cũng được thành lập và giải phóng nội dung

UE trong eNB và trong EPC để hỗ trợ báo hiệu người dùng Hơn nữa, S1 cũng cung cấpcác chức năng di dộng cho chuyển giao Điều này có thể là chuyển giao trong LTE haygiữa các 3GPP (với một hệ thống nhiều hơn LTE)

Giao diện X2 cho phép các eNB kết nối với nhau X2 có trạng thái của một giao diện

mở Nó hỗ trợ tổng đài thông tin báo hiệu giữa các eNB, bằng cách chuyển tiếp các PDUtới đích của chúng Nhìn theo khía cạnh các điểm logic, thì X2 là giao diện điểm điểmtrong E-UTRAN Từ đó, có thể tạo một giao diện X2 giữa hai eNBs mặc dù nếu nó không

có kết nối vật lý và trực tiếp giữa chúng

X2 làm đơn giản hóa các kết nối giữa các eNB của các nhà cung cấp và yêu cầu một sựtiếp tục các dịch vụ chỉ ra qua giao diện S1 cho mạng liên kết Thêm vào đó, nó giới thiệucác công nghệ mới trong tương lai bởi sự tách biệt rõ ràng chức năng mạng vô tuyến vàmạng truyền tải

Với các cải thiện đáng kể trong giao diện vô tuyến và các thành phần khác, cho phépgiá thành truy nhập dữ liệu trên một megabyte thấp hơn cũng như là một số tiềm năngquan trọng ra đời các dịch vụ mới, 3G (LTE) mang lại sự cải tiến công nghệ ổn định.Những kết quả này được mong đợi chuyển biến lợi ích kinh tế cho vận hành và từ đó cungcấp các ưu điểm mang tính quyết định trên công nghệ mạng không dây tương tác, giữacho sự cạnh trang trong hệ thống di động tế bào trong thời gian tới

xxiv

Trang 25

Cần lưu ý rằng sự khác biệt về hiệu suất phổ tần trên đường xuống và đường lên trongE-UTRAN là do môi trường khai thác khác nhau giữa đường xuống và đường lên Thôngthường đường lên rất nhạy cảm với giảm cấp kênh như nhiễu đa đường …vì thế giá thành

để đảm bảo hiệu quả tách song trong đường lên cao hơn so với đường xuống

LTE cần hỗ trợ sơ đồ ấn định băng thông khả định cỡ, chẳng hạn 5, 10, 20 và có thể cả

15 MHz Cũng cần phải xem xét cả việc định cỡ băng thông 1.25 hay 2.5 MHz để triểnkhai trong các vùng băng thông được cấp phát hẹp Bảng 1.1 và 1.2 so sánh thông số tốc

độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE và HSPA trên đường xuống và đường lên

Bảng 1.1 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên đường

xxv

Trang 26

thể Wimax cũng sẽ được cấp lên chuẩn 802.16m (còn được gọi là Wimax 2.0) có tốc độtương đương hoặc cao hơn.

xxvi

UMB không có cơ hội thương

mại mặc dù tồn tại chuẩn.

IEEE

802.16 m

In 5 MHz

LTE Rel 9

LTE Acvanced Rel 10

LTE DL: 326 Mbps ;UL: 88 Mbps

In 20 MHz

Rel 8 HSPA + DL: 42 Mbps UL: 11.5 Mbps

In 5 MHz

Rel 7 HSPA + DL: 28 Mbps UL: 11.5 Mbps

Trang 27

Hình 1.12 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác

Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 công nghệ.Wimax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- một biến thểcủa OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier- Frequency DivisionMultiple Access) Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn và cácthiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA

LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD

và cả FDD (Frequency Division Duplex) Ngược lại, Wimax hiện tại chỉ tương thích vớiTDD, điều này có nghĩa là LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn là Wimax

1.9 Các vấn đề liên quan đến triển khai

Các yêu cầu liên quan đến triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, độ linh hoạt phổ,trải phổ, sự cùng tồn tại và làm việc với nhau giữa LTE với các công nghệ truy nhập vôtuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/ HSPA

Những yêu cầu về kịch bản triển khai gồm: trường hợp mà hệ thống LTE được triểnkhai như là một hệ thống độc lập và trường hợp mà LTE được triển khai đồng thời vớiWCDMA/HSPA hoặc GSM Do đó mà yêu cầu này sẽ không làm giới hạn các tiêu chuẩnthiết kế

Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các hệ thống 3GPP khác vànhững yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh động giữa LTE vàGSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di động hỗ trợ những côngnghệ này Bảng 1.3 liệt kê những yêu cầu về sự gián đoạn, đó là, thời gian gián đoạn dàinhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển giữa các công nghệ truy nhập vô tuyếnkhác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Có một điều đáng chú

xxvii

Trang 28

ý ở đây là những yêu cầu không được chặt chẽ cho lắm đối với vấn đề gián đoạn trongchuyển giao và hi vọng khi mà triển khai thực tế thì sẽ đạt được những giá trị tốt hơn đángkể.

Bảng 1.3 Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE- WCDMA

Không phải thời gian thực (ms) Thời gian thực (ms)

1.10 Tổng kết

Chương này trước hết xét đến các yêu cầu đặt trước cho 4G LTE, tiếp đó là công nghệ

đa truy nhập của nó với OFDMA cho đường lên và SC- FDMA cho đường xuống Tiếp

đó, mô hình mạng cũng đưa ra cái nhìn tổng quan nhất về kiến trúc của mạng 4G LTE.Phần so sánh giống nhau và khác nhau giữa Wimax và 4G LTE cung cấp các dẫn chứnggiải thích cho lý do chọn 4G LTE là công nghệ trong tương lai

CHƯƠNG II: GIAO DIỆN VÔ TUYẾN 4G LTE

2.1 Các vấn đề truyền dẫn vô tuyến băng rộng

Mục tiêu chính của các hệ trống truyền dẫn băng rộng là phải đảm bảo dung lượngtruyền dẫn cao với độ tin cậy cho phép Trong phần này ta sẽ xét các vấn đề liên quan đếnviệc thiết kế các hệ thống vô tuyến băng rộng 4G LTE

2.1.1 Các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn vô tuyến băng rộng và giải pháp 2.1.1.1 Phân tích các hạn chế trên cơ sở công thức dung lượng của Shannon

Shannon đã đưa ra công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại được gọi là dung lượngcực đại mà thông tin có thể được truyền trên một kênh thông tin cho trước Mặc dù trongtrường hợp tổng quát, công cụ này khá phức tạp, tuy nhiên trong trường hợp đặc biệt khithông tin được truyền trên một kênh (hay một đường truyền vô tuyến) chỉ bị ảnh hưởngcủa tạp âm Gauss trắng cộng, dung lượng kênh C được xác định bởi một biểu thức kháđơn giản sau:

xxviii

Trang 29

trong đó B là băng thông khả dụng cho truyền tin, S ký hiệu cho công suất tín hiệu thu

và N ký hiệu cho công suất tạp âm trắng ảnh hưởng xấu lên tín hiệu thu

Ta thấy rằng các yếu tố căn bản hạn chế tốc độ số liệu khả dụng là là tỷ số tín hiệutrên tạp âm S/N khả dụng và băng thông khả dụng B

Phân tích phương trình (2.1) ta thấy:

1 Khi S/N lớn, log2(.) trong (2.1) hầu như không đổi và dung lượng C chủ yếuphụ thuộc và băng thông B Vì thế miền S/N lớn được gọi là miền hạn chế băngthông

2 Khi S/N nhỏ, log2(.) trong phương trình (2.1) rất nhỏ và để tăng C cần tăngS/N, Vì thế miền S/N nhỏ được gọi là miền hạn chế công suất

Các giải pháp để tăng dung lượng truyền dẫn vô tuyến trong hai trường hợp trên nhưsau:

1 Khi S/N lớn có nghĩa là MS nằm gần trạm gốc hay điều kiện truyền sóngtốt, để tăng băng thông ta có thể tăng đường truyền bằng cách truyền nhiều luồngsong song trên nhiều anten (công nghệ MIMO) hay sử dụng sơ đồ điều chế bậc cao

2 Khi S/N nhỏ, để tăng S/N ta có thể sử dụng phân tập hoặc tạo búp sónganten hẹp (công nghệ tạo búp)

2.1.1.2 Phân tích hạn chế truyền dẫn vô tuyến băng rộng theo điều kiện truyền sóng

Truyền sóng trong thông tin di động thường xẩy ra đa đường dẫn đến băng thông nhấtquán nhỏ Nếu băng thông truyền dẫn lớn hơn nhiều so với băng thông nhất quan tín hiệutruyền dẫn sẽ bị méo ISI rất lớn Giải pháp tốt nhất cho trường hợp này là sử dụng điềuchế đa sóng mang (MCM: Multicarrier Modulation) Nguyên lý MCM và chia luồng sốtốc độ cao thành nhiều luồng tốc độ thấp và truyền đồng thời các luồng tốc độ thấp nàytrên các sóng mang con với băng thông sóng mang con Bsc nhỏ hơn nhiều so với băngthông nhất quán Bc

xxix

Trang 30

2.2 Lập biểu, thích ứng đường truyền và HARQ

2.2.1 Nguyên lý chung

Một trong các đặc tính quan trọng của thông tin vô tuyến di động là sự thay đổi nhanh

và lớn của các điều kiện kênh tức thời Tồn tại một số nguyên nhân đối với các thay đổinày Phađinh chọn lọc tần số dẫn đến các thay đổi nhanh và ngẫu nhiên đối với suy haođường truyền Phađinh che tối và tổn hao đường truyền phụ thuộc khoảng cách cũng ảnhhưởng đáng kể lên cường độ tín hiệu thu Cuối cùng, nhiễu tại máy thu do truyền dẫn từcác ô khác và các đầu cuối di động khác cũng ảnh hưởng lên mức nhiễu Tóm lại có nhiềuthay đổi nhanh và ngẫu nhiên trong chất lượng của từng đường truyền vô tuyến trong một

ô và các thay đổi này cần được xem xét cũng như khai thác một cách có lợi

Tại tốc độ MS thấp, BTS có thể theo rõi được sự thay đổi kênh và các thay đổi kênhnhanh do pha đinh Rayleigh có thể được sử dụng một các có lợi Để chuẩn bị cho cáccuộc tryuền dẫn trên đường xuống, các MS phản hồi thông tin về chất lượng kênh choBTS BTS sử dụng một bộ lập biểu nhạy cảm chất lượng kênh để phục vụ MS kịp thờicác tài nguyên tần số và không gian khi MS trải nghiệm điều kiện kênh tốt nhất và nhờvậy cải thiện dung lượng cũng như thông lượng hệ thống Tuy nhiên khi khai thác lậpbiểu phụ thuộc kênh hay còn gọi là phân tập đa người sử dụng, việc sử dụng các dạngphân tập khác như phân tập phát sẽ giảm hiệu năng Lý do vì phân tập đa người sử dụngdựa trên sự thay đổi lớn các điều kiện kênh, trong khi phân tập phát lai trung bình hóa cácthay đổi kênh này

Khi bộ lập biểu phụ thuộc kênh chọn lựa một người sử dụng đang trải nghiệm điềukiện kênh tốt tại một thời điểm cho trước, các tài nguyên tần số, thời gian và thích ứngđường truyền được sử dụng để thích ứng truyền dẫn khuôn dạng truyền dẫn như: sơ đồ

mã hóa và điều chế (MCS: Modulation and Coding Scheme), bậc MIMO và tiền mã hóavới điều kiện kênh hiện thời trong khoảng thời gian được ấn định Cả lập biểu kênh vàthích ứng đường truyền đều dựa trên tính khả dụng của thông tin về chất lượng kênh tạiBTS BTS nhận được thông tin này hoặc từ các tín hiệu tham khảo được phát trên đườnglên trong hệ thống TDD hoặc các MS có thể cung cấp thông tin phản hồi về kênh đườngxuống cho BTS trong hệ thống FDD Trong điều kiện thực tế, không thể đảm bảo chínhxác thông tin kênh vì một số nguyên nhân như: sai lỗi khi đo và đánh giá chất lượng kênh,sai lỗi do trễ phản hồi chất lượng kênh, các thay đổi do nhiễu và các sai lỗi khi truyền dẫnthông tin chất lượng kênh

xxx

Trang 31

Lập biểu phụ thuộc kênh trong các hệ thống thông tin di động giải quyết vấn đề vềcách thức chia sẻ các tài nguyên vô tuyến giữa các người sử dụng (các đầu cuối di động)khác nhau trong hệ thống để đạt được hiệu suất sử dụng tài nguyên tốt nhất Điều này cónghĩa là giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng vì thế cho phépnhiều người sử dụng hơn trong hệ thống trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu chấtlượng dịch vụ Liên quan mật thiết với lập biểu là thích ứng đường truyền Thích ứngđường truyền giải quyết vấn đề liên quan đến cách thiết lập các thông số truyền dẫn củađường truyền vô tuyến để xử lý các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến

Cả hai lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng đường truyền đều nhằm khai thác tốt nhấtcác thay đổi kênh thông qua các quá trình xử lý thích hợp trước khi truyền dẫn số liệu.Tuy nhiên do tính chất ngẫu nhiên của các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến,không bao giờ có thể đạt được thích ứng chất lượng kênh vô tuyến tức thời một hoàn hảo.HARQ (Hybrid ARQ: ARQ lai ghép) vì thế rất hữu ích HARQ đòi hỏi phát lại các góithu bị lỗi Có thể coi đây như là một cơ chế xử lý chất lượng kênh vô tuyến tức thời sautruyền dẫn và bổ sung rất tốt cho lập biểu phụ thuộc chất lượng kênh và thích ứng đườngtruyền HARQ cũng phục vụ cho việc xử lý các lỗi ngẫu nhiên do tạp âm trong máy thu.Quan hệ giữa lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu phát lại tự động lai ghép(HARQ) được trình bày trên hình 2.1 Lập biểu nhạy cảm kênh, thích ứng đường truyền

và HARQ là các bộ phận không tách rời của tất cả các hệ thống thông tin di động tổ onghiện đại do lợi ích tiềm tàng mà chúng đem lại trong các môi trường pha đinh nhanh

xxxi

Trang 32

Chọn lựa người sử dụng đang trải nghiệm các điều kiện kênh tốt tại một thời điểm để ấn định các tài nguyên thời

gian và tần số

Thích ứng khuôn dạng MCS và MIMO với điều kiện kênh trên cơ sở tài nguyên tần số và thời gian được cấp phát tại

thời điểm được ấn định

Phục hồi tín hiệu từ các lổi truyền dẫn

do thích ứng đường truyền không chính

Hình 2.1 Quan hệ giữa lập biểu phụ thuộc kênh, thích ứng đường truyền và HARQ

2.2.2 Lập biểu và xử lý phát lại tại HSDPA NodeB

Hoạt động của HSDPA dựa trên việc sử dụng thích ứng đường truyền, lập biểu nhanh

và phát lại nhanh lớp vật lý Tất cả các phương pháp này đều nhằm tăng dung lượngđường xuống Nó không hỗ trợ chuyển giao mềm và điều khiển công suất như DCH Nguyên lý lập biểu được mô tả trên hình 2.2 Nút B đánh giá chất lượng kênh của từngmáy di động HSDPA dựa trên hồi tiếp lớp vật lý nhận được từ đường lên Sau đó lập biểu

và thích ứng đường truyền được thưc hiện nhanh tùy thuộc vào giải thuật lập biểu và sơ

đồ ưu tiên người sử dụng

xxxii

Trang 33

1 Hồi tiếp chất lượng

2 Khả năng UE

3 Khả dụng tài nguyên

4 Trạng thái bộ đệm

5 QoS và mức ưu tiên

Hình 2.2 Nguyên lý lập biểu của nút B HSDPA

Nguyên lý phát lại được cho trên hình 2.3 Trước hết gói cần phát được nạp vào bộđệm của nút B Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút thực hiện phát lại màkhông cần RNC tham gia Máy di động thực hiện kết hợp các phát lại Phát theo RNC chỉthực hiện khi xẩy ra sự cố hoạt động lớp vật lý (lỗi báo hiệu chẳng hạn) Phát lại theoRNC sử dụng chế độ báo nhận RLC, phát lại RLC không thường xuyên xẩy ra

UE

1 Gói vào bộ đệm

3 Từ chối

4 Phát lại

xxxiii

Trang 34

Hình 2.3 Nguyên lý xử lý phát lại của nút B

2.3 Các giao thức và các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE

2.3.1 Các giao thức trên giao diện vô tuyến

Giao diện vô tuyến được ký hiệu là LTE Uu (hình 2.4) Khác với kiến trúc 3G UMTS,4G LTE không sử dụng RNC vì thế nó “phẳng” hơn Các chức năng trước đây của RNCđược đặt ngay trong eNodeB để có thể xử lý nhanh hơn các thay đổi trên đừơng truyền vôtuyến nhanh hơn Ngoài ra mạng lõi là mạng lõi gói phát triển được xây dựng trên nền IP.Giao diện vô tuyến giữa UE và eNodeB được ký hiệu là LTE Uu

UE

LTE Uu

UE: User Equipment = thiết bị người sử dụng

eNodeB: Nút B tăng cừơng

EPC: Evolved Packet Core= lõi gói phát triển

PDCP RLC-U MAC LTE L1

PDCP RLC MAC LTE L1

RRC

NAS

RRC

Hình 2.5 Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của LTE

xxxiv

Trang 35

2.3.2 Các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE

Hình 2.6 cho thấy các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp cáckênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý Ta thấy cấutrúc các kênh của 4GLTE được đơn giản hóa so với 3G Trừ các kênh điều khiển RACH

và BCH được sắp xếp các kênh vật lý riêng (PRACH/PBCH), tất cả các kênh còn lại đềuđược sắp xếp lên kênh vật lý chia sẻ: PDSCH/PUSCH

Các kênh điều khiển trong mặt phẳng CP bao gồm:

 BCCH (Broadcast Control Channel: kênh điều khiển quảng bá)

 PCCH (Paging Control Channel: kênh điều khiển tìm gọi)

 CCCH (Common Control Channel: kênh điều khiển chung)

 MCCH (Multicast Control Channel: kênh điều khiển đa phương)

 DCCH (Dedicated Control Channel: kênh điều khiển riêng)

Các kênh lưu lượng trong mặt phẳng UP bao gồm:

 DTCH (Dedicated Traffic Channel: kênh lưu lượng riêng)

 MTCH (Multicast Traffic Channel: kênh lưu lượng riêng)

MCCH: Multicast Control Channel: kênh điều khiển đa phương MTCH: Multicast Traffic Channel: kênh lưu lượng đa phương UL-SCH: Uplink Shared Channel: kênh chia sẻ đường lên DTCH: Dedicated Traffic Channel: kênh lưu lượng riêng PCH: Paging Channel: kênh tìm gọi

PCCH: Paging Control Channel: kênh điều khiển tìm gọi PBCH: Physical Broadcast Channel: kênh vật lý quảng bá PDCCH: Physical Dedicated Control Channel: kênh vật lý điều khiển riêng PDSCH: Physical Downlink Shared Channel: kênh vật lý chai sẻ đường xuống PMCH: Physical Multicast Channel: kênh vật lý đa phương

PRACH: Physical Random Access Channel: kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên PUCCH: Physical Uplink Control Channel: kênh vật lý điều khiển đường lên PUSCH: Physical Uplink Shared Channel: kênh vật lý chia sẻ đường lên

Trang 36

Hình 2.6 Các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các kênh logic lên

các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

2.3.3 Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn

Các tài nguyên đường xuống trong LTE có các kích thước thời gian, tần số và khônggian Kích thước không gian được đo bằng ‘lớp’ và đựơc truy nhập bởi nhiều anten phát

và nhiều anten thu Hình 2.7 cho thấy cấu trúc tài nguyên không gian thời gian của LTEcho trường hợp độ dài tiền tố (CP) bình thường

1 khối tài nguyên.RB (7 ký hiệu OFDMA)

1 phần tử tài nguyên (RE)

Các lớp không gian Một khung con (2 khe) (1ms)

Một khung vô tuyến = 10ms

min LTE BW: băng thông tối thiểu của LTE

Thời gian

Hình 2.7 Lưới tài nguyên thời gian-tần số cơ sở của LTE (độ dài CP bình thường)

xxxvi

Trang 37

Trong miền thời gian các tài nguyên được chia nhỏ thành cấu trúc sau: đơn vị lớn nhất

của thời gian là khung vô tuyến (Frame) 10ms, đến lượt mình khung vô tuyến lại đượcchia thành 10 khung con (Subfrane) 1ms và mỗi khung con đựơc chia thành hai khe(Time Slot) 0,5 ms Mỗi khe bao gồm 7 ký hiệu OFDM trong trường hợp độ dài CP bìnhthường hoặc 6 ký hiệu OFDM trong trường hợp độ dài CP mở rộng và được lập cấu hìnhtheo đặc điểm của ô

Trong miền tần số, đơn vị tài nguyên nhỏ nhất là phần tử tài nguyên (RE: ResourceElement) gồm một sóng mang con trong thời gian một ký hiệu OFDM Mỗi sóng mangcon có độ rộng băng tần bình thường là 15 kHz Trong miền tần số, các RE được nhómthành các đơn vị 12 sóng mang cong mang con có băng tần 180 kHz để tạo nên một khốitài nguyên trong miền tần số

Trong miền không gian tần số, một đơn vị 12 sóng mang con nói trên trong thời gianmột khe độ dài 0,5ms hợp thành một khối tài nguyên (RB: Resource Block) trong lưới tàinguyên không gian-thời gian

Hình 2.8 thể hiện cấu trúc tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trongmột lớp (đối với đường truyền dẫn từ một anten) cho trường hợp CP bình thường

xxxvii

Trang 38

Một khung vô tuyến

Khối tài nguyên, RB

lµ sè ký hiÖu OFDM trong mét RB

RB k.h

N

lµ sè sãng mang con trong mét RB

RB sc

N

Hình 2.8 Lưới tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trong một lớp cho

trường hợp CP bình thường

Các thông số truyền dẫn OFDM/DFTS-OFDM của LTE được tổng kết trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các thông số truyền dẫn OFDM của LTE

Băng thông kênh

Khối tài nguyên

Số ký hiệu, sóng mang OFDM trong một RB

Trang 39

Kích thước IFFT/FFT 128 256 512 1024 1536 2048

Số ký hiệu OFDM trên

(4,7/18)x6(5,2/20)x1

(4,7/36)x6(5,2/40)x1

(4,7/72)x6(5,2/80)x1

(4,7/108)x6(5,2/120)x1

(4,7/144)x6(5,2/160)x1

Trang 40

Hình 2.9 cho thấy cấu trúc tài nguyên trong một khe thời gian cho băng thông kênh20MHz với tần số lấy mẫu fs=30,72MHz và f=15 KHz.

Khe LTE: 0,5ms

15360 mẫu (giả thiết tần số lấy mẫu f =30,72 MHz)

16,7 ms

66,7 ms

83,3 ms

133,3 ms 33,3 ms

CP CP

CP

s

T CP =160.T s5,2s (khối DFT thứ nhất), 144.T s4,7s (các khối DFT còn lại).

T CP-e =512T s16,7s (T cp-e ký hiệu cho thời gian CP mở rộng).

Hình 2.9 Cấu trúc khe: Một khung con bao gồm hai khe độ dài bằng nhau Mỗi khe bao gồm sáu hoặc bảy khối OFDM (đường xuống) hoặc DFTS-OFDM (đường lên) cho trường hợp CP

bình thường và CP mở rộng

2.4 Quy hoạch tần số cho 4G LTE

Bảng 2.3 liệt kê các băng tần hiện thời được quy định cho LTE Hiện thời có 17 băngcho FDD và 8 băng cho TDD Mỗi khi có thể, các quy định vô tuyến cho FDD và TDDđược duy trì như nhau để đảm bảo sự tương đồng tối đa giữa hai chế độ này

Nói chung các đặc tả lớp vật lý và rất nhiều các quy định vô tuyến giống nhau đối vớicác băng tần nói trên, nhưng cũng có một số ngoại lệ đối với các đặc tả vô tuyến của UE.Các quy định vô tuyến đối với eNodeB trong một băng tần được định nghĩa không rõ ràng

vì các quy định cho việc thực hiện trạm gốc ít hơn Nếu xuất hiện nhu cầu, các băng tầnkhác có thể dễ ràng bổ sung và chỉ ảnh hưởng đến các bộ phận đã đựơc tách riêng của cácđặc tả vô tuyến Ngoài ra các phương án tần số của LTE không phụ thuộc vào nội dung

xl

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	2,11 MB