Nghiên cứu kỹ thuật SCFDMA trong 3GPP LTE

Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất yếu. 3GPP LTE một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đường khác nhau tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giá thành dịch vụ cũng như thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụ hiện tại và tương lai. Nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương Tổng quan về 3GPP LTE và lộ trình lên 4G Kỹ thuật đa truy nhập SCFDMA Triển khai SCFDMA trong 3GPP LTE Chương trình mô phỏng đánh giá SCFDMA

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

LỜI NÓI ĐẦU x

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH TIẾN LÊN 4G 1

1.1 Tổ chức 3GPP và lộ trình tiến lên 4G 1

1.1.1 Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành 1

1.1.1.1 Truy nhập gói tốc độ cao HSPA 2

1.1.1.2 Phát triển dài hạn LTE 2

1.2 Tổng quan công nghệ LTE và các yêu cầu 4

1.2.1 Các mục tiêu yêu cầu của LTE 5

1.2.1.1 Các khả năng của LTE 5

1.2.1.2 Hiệu năng hệ thống 6

1.2.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai 7

1.2.1.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến 9

1.2.1.5 Các vấn đề về mức độ phức tạp 9

1.2.2 Các mục tiêu thiết kế SAE 11

1.2.2.1 Kiến trúc mạng LTE 11

1.2.2.2 Lõi gói phát triển EPC 12

1.3 Các tính năng quan trọng của LTE 18

1.3.1 Sơ đồ truyền dẫn 18

1.3.2 Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ 18

1.3.3 Điều phối nhiễu giữa các ô 19

1.3.4 HARQ với kết hợp mềm 20

1.3.5 Hỗ trợ đa anten 20

1.3.6 Hỗ trợ quảng bá và đa phương 21

1.3.7 Linh hoạt phổ 21

1.3.7.1 Linh hoạt trong sắp xếp song công 21

1.3.7.2 Linh hoạt trong khai thác băng tần 22

1.3.7.3 Linh hoạt băng thông 22

1.4 Tổng kết 22

CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA 23

2.1 Nguyên lý đa truy nhập SC-FDMA 23

2.1.1 Tổng quan nguyên lý OFDM 23

2.1.2 Hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC/FDE 24

2.1.3 Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 26

2.1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA 26

2.1.3.2 SC-FDMA với tạo dạng phổ 32

2.1.4 Sắp xếp các sóng mang 34

2.1.5 Biểu diễn các tín hiệu SC-FDMA miền thời gian 36

2.1.5.1 Các kí hiệu miền thời gian của IFDMA 36

2.2.4.2 Các kí hiệu miền thời gian của LFDMA 38

2.1.5.2 Các kí hiệu miền thời gian của DFDMA 39

2.2 SC-FDMA và OFDMA 42

2.3 SC-FDMA và DS-CDMA/FDE 45

2.4 SC-CFDMA 46

2.4.1 Lập lịch phụ thuộc kênh 46

2.4.2 SC-CFDMA 48

2.5 Tổng kết 51

CHƯƠNG III TRIỂN KHAI SC-FDMA TRONG 3GPP LTE 52

3.1 Cấu trúc khung tổng thể miền thời gian 52

3.2 Các tín hiệu tham khảo 58

3.2.1 Nhiều tín hiệu tham khảo 60

3.2.2 Các tín hiệu tham khảo để thăm dò kênh 61

3.3 Xử lí kênh truyền tải đường lên 62

3.3.1 Chèn CRC 62

3.3.2 Mã hóa kênh 63

3.3.3 Chức năng HARQ của lớp vật lý 63

3.3.4 Ngẫu nhiên hóa mức bít 64

3.3.5 Điều chế số liệu 64

3.4 Tổng kết 66

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ SC-FDMA 67

4.1 Giới thiệu 67

4.2 Chương trình mô phỏng 68

4.2.1 Phân tích các đặc tính PAPR của SC-FDMA và kết quả mô phỏng 68

4.2.1.1 Sơ đồ thuật toán 71

4.2.1.2 Kết quả mô phỏng PAPR với cùng hệ số  72

4.2.1.3 Kết quả mô phỏng PAPR với tạo dạng xung và không tạo dạng xung 72

4.2.1.4 Kết quả mô phỏng PAPR với hệ số  khác nhau 76

4.2.2 Thông lượng hệ thống SC-FDMA 77

4.2.3 SER hệ thống SC-FDMA 81

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tiến trình các phát hành trong 3GPP 1

Hình 1.2 Hội thảo nghiên cứu LTE 3

Hình 1.3 Tiến trình phát triển 3G lên 4G 4

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái trong LTE 5

Hình 1.5 Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE 6

Hình 1.6 Băng tần hoạt động của LTE 8

Hình 1.7 Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi trong LTE 10

Hình 1.8 Các trạng thái UE trong UMTS 10

Hình 1.9 Kiến trúc mạng LTE 11

Hình 1.10 Mạng lõi SAE (hình vẽ dạng đơn giản) 13

Hình 1.11 Kiến trúc mô hình LTE tổng quát theo TR 23 822 14

Hình 1.12 Kiến trúc mô hình LTE chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt15 Hình 1.13 Kiến trúc mô hình LTE sau khi đã chuyển giao 16

Hình 1.14 Lập biểu đường lên và đường xuống 19

Hình 1.15 Điều phối nhiễu giữa các ô 20

Hình 1.16 Ghép song công theo thời gian và tần số 21

Hình 2.1 Lỗi ICI trong OFDM 24

Hình 2.2 Cấu trúc bộ thu và phát của SC/FDE và OFDM 25

Hình 2.3 Sự khác nhau giữa hai hệ thống SC/FDE và OFDM trong tiến trình tách sóng và kí hiệu điều chế 25

Hình 2.4 Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA và OFDMA 27

Hình 2.5.Minh họa việc chèn CP 29

Hình 2.6 Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA 30

Hình 2.7 PAPR của SC-FDMA và OFDMA 31

Hình 2.8 PAPR với các kiểu điều chế khác nhau 31

Hình 2.9 Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA 32

Hình 2.10 Phân bố PAPR với hệ số  33

Hình 2.11 Miền thời gian và tần số bộ lọc Raise-cosin 34

Hình 2.12 Sắp xếp các sóng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA 35

Hình 2.13 Hai phương pháp cấp phát cho các người dùng (3 người dùng, 12 sóng mang, 4 song mang/ người dùng) 35

Hình 2.14 Minh họa sắp xếp sóng mang theo các kiểu sắp xếp của SC-FDMA 36

Hình 2.15 Các kí hiệu truyền dẫn SC-FDMA trong miền thời gian 41

Hình 2.16 Biên độ các kí hiệu SC-FDMA 41

Hình 2.17 PAPR của các tín hiệu SC-FDMA 42

Hình 2.18 SC-FDMA và OFDMA với sự khác nhau trong bộ thu và các kí hiệu 42 Hình 2.19 So sánh giữa OFDMA và SC-FDMA với việc phát các kí hiệu QPSK 44 Hình 2.20 SER của SC-FDMA và OFDMA 44

Hình 2.21 Hệ thống DS-CDMA 45

Hình 2.22 Trải phổ với vai trong chuỗi dữ liệu và trao đổi chuỗi kí hiệu để trải phổ với (1, 1, 1, 1) với kích cỡ khối là 4 46

Hình 2.23 Lập lịch hệ thống SC-FDMA 47

Hình 2.24 Thông lượng theo tốc độ di chuyển và kiểu sắp xếp sóng mang 48

Hình 2.25 Kiểu sắp xếp sóng mang SC-OFDMA 49

Hình 2.26 Hệ thống SC-CFDMA 49

Hình 2.27 kiểu sắp xếp sóng mang SC-CFDMA 50

Hình 2.28 Thông lượng người sử dụng theo các kiểu sắp xếp khác nhau 50

Hình 3.1 Cấu trúc khung trong miền thời gian 53

Hình 3.2 Linh hoạt trong ghép kênh 53

Hình 3.3 Khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con với khoảng cách sóng mang là 15KHz 55

Hình 3.4 Ấn định tài nguyên đường lên LTE 57

Hình 3.5 Nhảy tần đường lên LTE 57

Hình 3.6 Khối tài nguyên tổng thể của đường lên LTE 56

Hình 3.7 các tín hiệu tham khảo được chèn vào khối thứ tư từng khe đường lên58 Hình 3.8 Tạo tín hiệu tham khảo trong miền tần số 58

Hình 3.9 Phương pháp tạo tín hiệu tham khảo đường lên 60

Hình 3.10 Truyền dẫn các tín hiệu tham khảo thăm dò kênh 60

Hình 3.11 Bộ mã hóa Turbo 63

Hình 3.12 Chức năng HARQ của lớp vật lý 63

Hình 3.13 Khối xử lý DFT-OFDM của ký các kí hiệu 64

Hình 3.14 Xử lý kênh truyền tải đường lên LTE 65

Hình 4.1 Giao diện chương trình 67

Hình 4.2 Giao diện chính của chương trình mô phỏng PAPR 68

Hình 4.3 Thuật toán mô phỏng 71

Hình 4.4 Kết quả mô phỏng với  = 0.45, điều chế QPSK 72

Hình 4.5 Kết quả mô phỏng với  = 0.45, điều chế 16-QAM 72

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng với  = 0.45, điều chế 64-QAM 73

Hình 4.7 Kết quả với tạo dạng xung và không tạo dạng xung với điều chế QPSK 74

Hình 4.8 Kết quả với tạo dạng xung và không tạo dạng xung với điều chế 32QAM 74

Hình 4.9 Kết quả với tạo dạng xung và không tạo dạng xung với điều chế 64QAM 75

Hình 4.10 Kết quả mô phỏng với  = 0.15, điều chế QPSK 76

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng với  = 0.99, điều chế QPSK 76

Hình 4.12 Giao diện mô phỏng thông lượng SC-FDMA 77

Hình 4.13 Kết quả mô phỏng thông lượng hệ thống SC-FDMA 79

Hình 4.14 Thông lượng hệ thống với kiểu điều chế 8-QAM 80

Hình 4.15 Giao diện chương trình so sánh SER 81

Hình 4.16 Sơ đồ thuật toán tính toán SER 82

Hình 4.17 SER hai hệ thống SC-FDMA và OFDMA với mô hình kênh cho người đi bộ di chuyển với vận tốc 3 Km/h 83

Hình 4.18 SER hai hệ thống SC-FDMA và OFDMA với mô hình kênh cho người đi bộ di chuyển với vận tốc 3 Km/h 84

Hình 4.19 SER trong hai điều kiện kênh khác nhau 85

DANH MỤC BẢNG BIỂU

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

đường xuống và HSDPA 6

Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường lên và HSDPA 6

Bảng 1.3 Yêu cầu gián đoạn cho LTE 9

Bảng 3.1 Các thông số CP 54

Bảng 3.2 Các thông số cấu hình tài nguyên đường lên 57

Bảng 4.1 PAPR với các kiểu điều chế khác nhau với cùng hệ số  75

Bảng 4.2 So sánh PAPR các lược đồ truyền dẫn với trường hợp tạo dạng xung và không tạo dạng xung 78

Bảng 4.3 PAPR với hệ số  khác nhau khi cùng kiểu điều chế QPSK 79

Bảng 4.4 Giá trị SNR tại các vị trí đỉnh 83

Bảng 4.5 SER của các tín hiệu với mô hình kênh cho người đi bộ 84

Bảng 4.6 SER của các tín hiệu với mô hình kênh cho phương tiện 85

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A

ACK/NACK Acknowledgement/

Non-Acknowledgement Công nhận/ Không công nhận

B

C

CAZAC Constant Amplitude Zero

Auto-Correlation Tự tương quan bằng không biên độ không đổiCCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

CDS Channel Depend Schedule Lập lịch phụ thuộc kênh

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

C-RNTI Cell Radio Network Temporary

D

DS-CDMA Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã

chuỗi trực tiếp

E

phát triển

F

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần

sốFDMA Frequency Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

G

GERAN GSM EDGE Radio Access

GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đường hầm GPRS

HARQ Hybrid Automatic Repeat RequestYêu cầu phát lại tự động linh hoạtHSDPA High Speed Downlink packet

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSS Home Subcriber Server Server thuê bao nhà

HSUPA High Speed Uplink packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

I

IBI Inter – Block Interference Nhiễu liên khối

ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000 International Mobile

Telecommunication 2000 Thông tin di động quốc tế 2000ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí hiệu

L

M

MBMS Multimedia Broadcast Multicast

Service Dịch vụ quảng bá đa phương đa phương tiệnMME Mobile management Entity Thực thể quản lí di động

MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình cực

tiểu

P

PAPR Peak to avegare Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

trung bìnhPCRF Policy and Charing Rules Fuction Chức năng quy tắc tinh cước và

chính sáchP-GW Packet Data Network – Gateway Cổng mạng dữ liệu gói

PSR Packet Success Ratio Tỷ lệ gói thành công

PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên vật lý

QPSK Quatrature phase Shift Key Khóa chuyển pha vuông góc

R

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyếnRNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

S

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc mạng

SC/FDE Single Carrier/ Frequency

Domain Equalizer Đơn sóng mang/ bộ cân bằng miền tần sốSC-FDMA Single Carier – frequency

Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mangSC-CFDMA Single Carrier – Code FDMA Đa truy nhập phân chia tần số mã

đơn sóng mang

SGSN Serving GPRA Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

T

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời

gianTD-SCDMA Time Division-Synchronous Code

Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ-phân chia theo thời gianTTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát

U

UL-SCH Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên

UPE User Plane Entity Thực thể mặt phẳng người sử dụngUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực pháttriển nhanh nhất của viễn thông Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về

số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại,video, hình ảnh và dữ liệu Để đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăngcao đó, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóabởi các tổ chức trên thế giới Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là mộtđiều tất yếu 3GPP LTE một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đườngkhác nhau tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giá thành dịch

vụ cũng như thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụ hiện tại và tương lai.OFDM là một sơ đồ truyền dẫn lý tưởng cho 4G với tốc độ truyền dẫn cao, là một giảipháp tốt cho dung lượng truyền dẫn và tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miềntần số đã được 3GPP LTE sử dụng truyền dẫn trên đường xuống Tuy nhiên OFDM cónhược điểm rất lớn đó là PAPR cao, điều này dẫn tới giảm hiệu suất của bộ khuyếchđại công suất đặc biệt là trên thiết bị cầm tay, do đó chi phi máy đầu cuối cao

DFTS-OFDM hay với tên gọi khác là SC-FDMA đã được 3GPP LTE nghiêncứu và triển khai trên đường lên cho LTE thay vì OFDM trong đường xuống TrongSC-FDMA các kí hiệu được phát đi lần lượt thay vì phát đi song song như OFDMA

Vì thế cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu củadạng sóng phát Do đó các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệuOFDMA mà vẫn đảo bảo tốc độ và độ phức tạp tương đương như hệ thống OFDMA,khi PAPR thấp làm tăng hiệu suất bộ khuyếch đại công suất điều này dẫn tới tăngvùng phủ và chi phí máy đầu cuối giảm thấp Hơn nữa SC-FDMA có nhiều kiểu sắpxếp song mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyềndẫn khác nhau

Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là

“ Nghiên cứu kỹ thuật SC-FDMA trong 3GPP LTE” làm chủ đề nghiên cứu Theo đó,

đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương

Chương I: Tổng quan về 3GPP LTE và lộ trình lên 4G

Trình bày tổng quan về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP bao gồm: cácphiên bản phát hành của tổ chức 3GPP, các mục tiêu yêu cầu của LTE vàcuối cùng là các tính năng quan trọng của LTE đã đưa 3GPP cũng nhưviễn thông thế giới tiến gần hơn 4G

Chương II: Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA

Trình bày nguyên lý cơ bản của kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA, cùngvới các kiểu sắp xếp sóng mang khác nhau đem lại độ linh hoạt cao trongtruyền dẫn, phân tích đặc tính PAPR của tín hiệu SC-FDMA So sánh kỹthuật SC-FDMA với các lược đồ đa truy nhập khác như OFDMA vàDS/CDMA Kiểu săp xếp sóng mang lai SC-CFDMA cho thông lượngcao trong điều kiện phục vụ cho cả đầu cuối di chuyển với tốc độ thấp vàocao

Chương III: Triển khai SC-FDMA trong 3GPP LTE

Trình bày cấu trúc tổng thể miền thời gian khung truyền dẫn đường lêntrong 3GPP LTE dựa trên lược đồ truyền dẫn SC-FDMA, quá trình xử lýkênh truyền tải đường lên

Chương IV: Chương trình mô phỏng đánh giá SC-FDMA

Dựa vào các kết quả nghiên cứu, xây dựng thuật toán tính toán, đánh giáPAPR, thông lượng và SER của lược đồ truyền dẫn SC-FDMA với cáckiểu sắp xếp sóng mang khác nhau với lược đồ truyền dẫn OFDMA.Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong quá trình nghiên cứu của

thầy giáo Ts Nguyễn Phạm Anh Dũng và những ý kiến đóng góp của các thầy cô

giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thànhvới nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định Tuy nhiên do trình độ và thờigian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Rất mong được sự chỉdẫn của các thầy cô giáo cũng như ý kiến đóng góp của các bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Phạm Anh Dũng đã tận tình hướng

dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án để em có được kết quả ngày hôm nay

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cũng nhưcác thầy cô giáo trong khoa viễn thông đã có những ý kiến đóng góp và tạo điều kiệncho em được hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

Xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua

Hà Nội, ngày 17 tháng 10 năm 2008

Sinh viên:

Lê Văn Việt

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH

vụ khác như hình ảnh, dữ liệu đang gia tăng cả về số lượng lẫn chất lượng Để đápứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin diđộng không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới

Tổ chức 3GPP là một tổ chức được giao trách nhiệm phát triển và hài hòa tiêuchuẩn HSPA Trước đó tổ chức này đã được giao nhiệm vụ tiêu chuẩn hóa choWCDMA - Một chuẩn cho hệ thống 3G đã được ITU chấp nhận và đưa vào hoạtđộng

Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008 được tổngkết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình vẽ sau

Mốc đầu tiên cho WCDMA đã đạt được vào cuối năm 1999 khi phát hành R3được công bố chứa toàn bộ các đặc tả WCDMA Phát hànhh R4 được đưa ra sau đóvào cuối năm 2001 Tiếp theo là phát hành R5 được đưa ra vào năm 2002 và R6 đượcđưa ra vào năm 2004 Phát hành R7 được đưa ra vào nửa cuối năm 2007.

Ở phiên bản đầu tiên R99, dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu được cảithiện đáng kể Luồng tốc số liệu có thể đạt đến tốc độ 2 Mbps ở những điểm nóng.Nhưng khi các dịch vụ số liệu được đưa vào triển khai trên các mạng thương mại thìdung lượng, tốc độ vẫn là những đòi hỏi cần phải được giải quyết Do đó, bước cảitiến đầu tiên đối với WCDMA được đánh dấu bởi sự ra đời của kênh truyền tải mớiHS-DSCH ở R5 được hoàn thành vào đầu năm 2002 Những cải tiến trong R5 nàythường được nhắc đến với một tên gọi HSDPA Sự ra đời của HSDPA nhằm hỗ trợmạnh mẽ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn như các dịch vụ tươngtác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14,4Mbps

Qua thực tế triển khai các mạng di động 3G cho thấy có rất nhiều dịch vụ sốliệu phổ biến yêu cầu tốc độ truyền dẫn trên hai hướng từ MS đến NodeB và ngược lại

có tốc độ tương đương nhau như các dịch vụ real-time gaming và các dịch vụ trên nềnTCP/IP Trong khi đó, R5 mới chỉ đưa ra giải pháp để hỗ trợ mạnh mẽ việc truyền dẫnbất đối xứng với tốc độ truyền dẫn trên kênh đường xuống cao hơn rất nhiều so vớikênh đường lên Nhược điểm này của R5 được khắc phục trong R6 được hoàn thànhvào đầu năm 2005 với tên gọi HSUPA, cải tiến kênh đường lên và là bước cải tiến thứhai đối với chuẩn mạng truy nhập vô tuyến WCDMA Những cải tiến trong R6 đãnâng tốc độ truyền dẫn trên kênh đường lên đạt đến tốc độ 5.4 Mbps dung lượng kênhtăng lên gấp hai lần so với kênh truyền tải đường lên trong R99

Cả hai mạng HSDPA và HSUPA được gọi với cái tên chung là HSPA Cácmạng HSDPA đầu tiên được thương mại hóa vào năm 2005 và HSUPA được đưa vàothương mại năm 2007

Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới 3GPP đã tiến hành nghiêncứu để cải thiện hiệu năng của UMTS bằng việc đưa ra các phát hành R5 và R6 vớicác tính năng như HSDPA, HSUPA và MBMS Với tốc độ tối đa là 14,4 Mbps đối vớiđường xuống và phát hành R7 HSPA+ (HSPA Evolution) với tốc độ tối đa là 42Mbps

Các phiên bản trên mặc dù đươc cải tiến khá nhiều song tốc độ thực sự chưa cao để cóthể đáp ứng tốt hơn cho các dịch vụ hiện tại và trong tương lai Hơn nữa cùng với sựxuất hiện công nghệ WiMAX 802.16 đã được IEEE chuẩn hóa với tốc độ lên tới hàngtrăm Mbps Đứng trước tình hình đó 3GPP đã nghiên cứu và đưa ra công nghệ LTEhay gọi là Super 3G Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004 đầu năm 2005, nhằm đảmbảo tính cạnh tranh của mạng 3G trong vòng 10 năm tới.

IMS HSDPA

WLAN PoC MBMS EDCH

Hình 1.2 Hội thảo nghiên cứu LTE

Super 3G đang được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, các thông số kỹ thuật cốt lõicủa Super 3G đã được phê chuẩn Super 3G với ưu điểm truyền dữ liệu có độ trễ thấp

và nâng cao hiệu qủa sử dụng phổ tần số, là một bước tiến dài so với chuẩn HSPA củamạng W-CDMA, công nghệ nguyên thủy của truyền dữ liệu gói 3G Super 3G đượcđánh giá đã đạt đến 3,9G, đã tiến đến rất gần trên con đường phát triển mạng băngthông rộng di động tốc độ cao tiên tiến thế hệ thứ tư, thế hệ 4G

LTE là một trong số các con đường tiến lên 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạnđầu của 4G, tiếp theo đó là IMT Advance 4G LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3GUMTS sang giai đoạn đầu 4G sau đó sẽ là IMT Advance Ngoài LTE của 3GPP thì3GPP2 cũng đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2đưa ra là UMB Chương trình khung của kế hoách này bắt đầu từ năm 2000 Ngoài raWiMAX cũng có kế hoạch lên 4G

Triển khai LTE

Hình 1.3 Tiến trình phát triển 3G lên 4G

Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 4G được gọi là LTE cho phần vôtuyến và SAE cho phần mạng

1.2. Tổng quan công nghệ LTE và các yêu cầu

Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để

có thể triển khai vào năm 2010 Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, nângcao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm độ phứctạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệuquả để dễ ràng triển khai và khai thác hệ thống

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ, mục tiêu nghiên của LTE và SAE như sau:

1 Về phần vô tuyến (LTE):

 Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, giảm độ trễ

 Đơn giản hóa mạng vô tuyến

 Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS

2 Về phần mạng (SAE):

 Đơn giản mạng lõi

 Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ

 Đơn giản hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ không phải 3GPP

1.2.1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE

Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cảđường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với cácmạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác Các mục tiêu LTE được thể hiệndưới các khía cạnh sau

1.2.1.1.Các khả năng của LTE

a Tốc độ số liệu đỉnh

Mục tiêu LTE cho các yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến100Mbps khi băng thông đựơc cấp phát là 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnh đường lênlên đến 50 Mbps khi băng thông được cấp phát là 20MHz (2,5bps/Hz) Các mục tiêu

về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm: (1) khả năng

đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả năng đường lên với một anten tại UE

b Trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng

Các mục tiêu giảm trễ được chia thành các yêu cầu cho trễ mặt phẳng điềukhiển (mặt phẳng C) và trễ mặt phẳng người sử dụng (mặt phẳng U)

Trạng thái tích cực Cell_DCH

Trạng thái ngủ (Cell_PCH)

Trạng thái rỗi

<50ms

<100ms

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái trong LTE

LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong chế dộrỗi – Idle của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell_DCH) Nó cũng cần đảmbảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ (như trong R6 Cell_PCH)sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH)

Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng đảm bảo trễ nhỏ hơn 10ms Trễ mặtphẳng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong UE (hoặcNode biên của UTRAN) đến lớp IP trong Node biên của UTRAN (hoặc UE), Nodebiên của UTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩn đảm bảo trễ măt phẳng U

của LTE nhỏ hơn 5ms trong điều kiện không tải (nghĩa là một người sử dụng với mộtluồng số liệu đối với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề )

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

đường xuống và HSDPA

Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên

đường lên và HSDPA

b Hỗ trợ di động

Các yêu cầu về di động tập trung lên tốc độ di chuyển đầu cuối di động Mụctiêu đề ra là đạt được hiệu năng cực đại với tốc độ đầu cuối di động khoảng 0-15km/h,hiệu năng của hệ thống sẽ giảm khi tốc độ đầu cuối cao hơn Đối với tốc độ trên120km/h LTE đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tế bào Hệthống LTE có thể quản lí tốc độ lên tới 350km/h thậm chí là 500km/h phụ thuộc vàobăng tần

c Vùng phủ

Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính ô) tức là khoảngcách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô Hiệu suất, phổ tần và thông lượngyêu cầu cho các ô bán kính 5km với các ô bán kính tới 30 km cho phép giảm nhẹthông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song vẫn đáp ứngtính di động

d MBMS tăng cường

MBMS lần đầu được đưa vào trong R6 Trong mạng quảng bá, tài nguyên vôtuyến được thiết lập trong từng ô nằm trong vùng quảng bá MBMS và tất cả các đầucuối khi đăng kí với dịch vụ đều thu được cùng môt tín hiệu được phát này Mạngkhông cần theo dõi chuyển động đầu cuối và đầu cuối khi đăng kí có thể thu nội dung

mà không cần thông báo cho mạng Như vậy một trong các lợi ích của dịch vụ MBMS

là tiết kiệm được tài nguyên trong mạng vì một luồng dữ liệu có thể cung cấp chonhiều người sử dụng

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cấp tới chế độ quảng bá và chế độ phát đơnphương LTE phải đảm bảo các dịch vụ tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp Yêu cầucho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương ứng với 16kênh TV trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz Tất nhiên LTEđảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộn lẫn với nhau

1.2.1.3.Các khía cạnh liên quan tới triển khai

Các yêu cầu liên quan tới triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linhhoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các mạng tồn tạikhác của 3GPP như GSM, WCDMA/HSPA

a Triển khai phổ tần

Yêu cầu LTE làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau đây:

 Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm vớiGERAN/UTRAN trên các kênh lân cận

 E-UTRA phải có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mangkhác)

 Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyêntắc băng tần độc lập

LTE hỗ trợ cả ghép song công phân chia theo tần số FDD và ghép song côngphân chia theo thời gian TDD Các hệ thống FDD được triển khai trong các ấn địnhkép với một băng cho tryền dẫn đường xuống và một băng khác của truyền dẫn đườnglên Các hệ thống TDD được triển khai trong các ấn định băn tần đơn Hỗ trợ cả phổđơn và phổ kép đã có trong đặc tả của 3GPP ngay từ phát hành R3, mặc dù hiện naymới triển khai FDD cho WCDMA và HSPA

LTE có khả năng định lại cỡ trong miền tần số và hoạt động trong các băng tầnkhác nhau, yêu cầu tính linh hoạt đưa ra các danh sách ấn định phổ của LTE(1,25MHz; 1,6MHz; 2,5MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz và 20MHz)

HSPA+ và LTE trong băng 5MHz

Cung cấp cùng hiệu năng LTE cho các băng tần rộng hơn

Hiệu năng tốt hơn trong các băng tần rộng hơn

Hình 1.6 Băng tần hoạt độngcủa LTE

b Các vấn đề tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT

LTE phải hỗ trợ tương tác với các hệ thống 3G hiện có và với các hệ thốngkhông theo chuẩn 3GPP Tất cả các đầu cuối LTE hỗ trợ khai thác UTRAN/GERANphải có khả năng hỗ trợ đo, chuyển giao đến/từ cả hai hệ thống UTRAN và GERAN

Ngoài ra LTE cần phải hỗ trợ đo giữa các RAT chẳng hạn bằng cách cung cấp cho các

UE các cơ hội đo trên đường lên và đường xuống thông qua lập biểu Bảng sau mô tảgián đoạn giữa các công nghệ khác nhau với các dịch vụ

Phi thời gian thực (ms) Thời gian thực (ms)

Bảng 1.3 Yêu cầu gián đoạn cho LTE

Các yêu cầu trên được đặt ra cho các trường hợp với các mạng UTRAN vàhoặc GERAN cung cấp hỗ trợ các chuyển giao LTE Thời gian chuyển giao nói trênđựơc coi là giá trị các tối thiểu, các giá trị này có thể thay đổi khi kiến trúc tổng thể

và lớp vật lý được định nghĩa chi tiết

1.2.1.4.Quản lí tài nguyên vô tuyến

Các yêu cầu quản lí tài nguyên vô tuyến được chia thành

Hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối: Yêu cầu một ‘dịch vụ phối hợp

cải tiến’ và các yêu cầu về giao thức (bao hàm cả lớp báo hiệu cao hơn) cho các tàinguyên vô tuyến RAN và các đặc tính RAN

Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn: Yêu cầu rằng LTE RAN phải

cung cấp các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơntrên giao diện vô tuyến, chẳng hạn như nén tiêu đề IP

Hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí tài chính sách trên các công nghệ truy nhập vôtuyến khác nhau: Yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hướng dẫn các đầu cuối

di động chuyển tới các công nghê truy nhập vô tuyến tương ứng trong quá trìnhchuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến

LTE_Idle RRC Idle RRC Connected LTE_Active LTE_Detected

Hình 1.7 Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi trong LTE

Idle Mode

Cell_DCH

Cell_FACH

URA_PCH

Cell_PCH Mode

Hình 1.8 Các trạng thái UE trong UMTS

LTE_IDLE là trạng thái tích cực thấp trong đó đầu cuối di động ngủ hầu hếtthời gian để giảm tiêu thụ acqui Đồng bộ đường lên không được duy trì Trên đườngxuống, đầu cuối di động có thể định kì tỉnh giấc để nghe tìm gọi cho các cuộc gọi.Đầu cuối di động dữ các địa chỉ IP và các thông tin nội bộ khác để có thể chuyểnnhanh vào trạng thái LTE-ACTIVE khi cần Mạng chỉ biết một phần vị trí của đầucuối di động, chẳng hạn biết nhóm các ô trong đó thực hiện tìm gọi đầu cuối di động

LTE-ACTIVE là trạng thái được sử dụng khi đầu cuối tích cực phát số liệu vàthu số liệu Trong trường hợp này đầu cuối được nối tới một ô trong mạng Một địachỉ IP được gán cho đầu cuối di động cùng với một số nhận dạng C-RNTI được sửdụng cho các mục đích báo hiệu đầu cuối và mạng

Khi bật nguồn đầu cuối di động nhập vào trạng thái LTE-DETECTED Trongtrạng thái này mạng không biết đầu cuối Trước khi có thể thực hiện bất kì một cuộctruyền tin nào giũa đầu cuối di động và mạng Đầu cuối di động phải đăng kí vớimạng bằng cách sử dụng thủ tục truy nhập ngẫu nhiên để vào trạng thái LTE-ACTIVE

1.2.2. Các mục tiêu thiết kế SAE.

Hình 1.9 cho thấy tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến LTE, các Node giaodiện và sự khác biệt trong kiến trúc mạng giữa LTE và WCDMA/HSPA Trong LTEkhông có Node tương đương với RNC Do không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên

và đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng và hơn nữa việc thiết kế giảmthiểu số lượng Node trong mạng giảm độ phức tạp, quản lý Kiến trúc mạng LTE baogồm hai miền: miền E-UTRAN và EPC Trong kiến trúc LTE phân chia riêng rẽ logicgiữa mạng truyền tải dữ liệu và báo hiệu Các chức năng E-UTRAN và EPC đượchoàn toàn tách biệt từ các chức năng truyền tải Lược đồ địa chỉ được sử dụng trongE-UTRAN và EPC không bị ràng buộc từ lược đồ địa chỉ của các chức năng truyềntải Các kết nối RRC được điều khiển hoàn toàn bởi E-UTRAN

MME S-GW/P-GW

được sử dụng cho các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến RRM nhiều ô Giaodiện mặt phẳng điều khiển X2 giống như giao diện Iur trong WCDMA/HSPA Nhưngkhông có chức năng hỗ trợ trôi Giao diện này hỗ trợ chức năng ấn định tại eNodeB.Giao diện X2 được sử dụng đến hỗ trợ di động ít mất hơn (chuyển gói).

Chức năng của eNodeB bao gồm:

 Điều khiển các kết nối di động

 Cấp phát các tài nguyên vô tuyến cho các đầu cuối di động

 Nén tiêu đề IP và mã hóa luồng dữ liều người sử dụng

 Định tuyến dữ liệu và chuyến tiếp tới SGSN

 Lập lịch và truyền dẫn bản tin tìm gọi (được khởi tạo từ MME)

 Lập lịch và truyền dẫn bản tin quảng bá (được khởi tạo từ MME hay O&M)

 Đo lường và cấu hình báo cáo đo lường cho bộ lập lịch và di động

Chức năng S-GW và P-GW bao gồm:

 Lọc các gói IP tới và từ miền Internet

 Cấp phát IP cho các UE

 Quản lí /lưu trữ nội dung UE

 Định tuyến /chuyển tiếp gói

1.2.2.2.Lõi gói phát triển EPC

Mạng lõi được sử dụng cho WCDMA/HSPA và LTE được xây dựng trên sựphát triển mạng lõi GSM/GPRS Mạng lõi sử dụng cho WCDMA/HSPA rất gần vớimạng lõi gốc của GSM/GPRS ngoại trừ sự khác nhau trong việc phân chia chức năngvới RAN Tuy nhiên mạng lõi được sử dụng để kết nối tới LTE RAN là sự phát triểntriệt để hơn của mạng lõi GSM/GPRS Vì thế nói có tên là lõi gói phát triển EPC

Phạm vi bao phủ SAE chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói không có chuyểnmạch kênh Mạng EPC đã bắt đầu từ một kiến trúc Node đơn với tất cả chức năngđược đặt trong một Node trừ thuê bao nhà HSS là Node nằm ngoài Node đơn này.HSS là một Node (cơ sở dữ liệu) tương ứng với HLR trong mạng GSM/WCDMA.Hình 1.10 minh họa EPC trong tổng thể kiến trúc Hình này cũng mô tả như một thựcthể logic Điều này cho phép đơn giản hóa minh họa và dễ hiểu kết nối tới LTE RAN

và WCDMA/HSPA EPC kết nối tới LTE RAN thông qua giao diện S1 và đếnInternet thông quan giao diện SGi Ngoài ra EPC kết nối tới HSS thông qua giao diệnS6.

S1 là giao diện giữa các eNodeB với nhau Giao diện S1 rất giống với giao diệnIu-ps Các mặt phẳng người sử dụng của S1 và Iu-ps là các tunnel truyền tải được xâydựng trên cơ sở IP Các gói IP của người sử dụng đầu cuối được EPC hay eNodeB đặtvào các tunnel IP của S1 và được lấy ra tại đầu kia bởi các Node tương ứng (eNodeB

Hình 1.10 Mạng lõi SAE (hình vẽ dạng đơn giản)

Điểm khác biệt lớn nhất WCDMA/HSPA và LTE là việc xử lý di động TrongLTE, EPC đóng vai trò là một neo trong mạng lõi SAE cho di động, nghĩa là NodeEPC xử lý mặt phẳng người sử dụng của đầu cuối không bị thay đổi trong thời giankết nối Ở đây EPC đóng vai trò GGSN được sử dụng cho GSM/GPRS và WCDMA/HSPA Do kiến trúc phẳng, Node EPC xử lý mặt phẳng người sử dụng của đầu cuốicần có khả năng kết nối tới mọi eNodeB trong mạng Vì EPC là neo và LTE RAN chỉgồm eNodeB, nên EPC cần được cập nhật thông tin rằng nó sẽ định tuyến gói số liệucủa người sử dụng đến eNodeB nào Đây là điểm khác biệt lớn nhất so với WCDMA/HSPA, trong khi đó RNC che dấu kiểu di động này đối với mạng lõi

Trong giao diện S6 trên hình trên là giao diện nối EPC đến HSS Đây là pháttriển giao diện Gr được sử dụng cho mạng lõi WCDMA/HSPA để nối tới HLR Vìthế, một HLR/HSS kết hợp cho EPC có thể giống như HLR đối với GSM vàWCDMA/HSPA hiện tại

Khi công nghệ LTE được đưa vào, cần có chuyển giao đến WCDMA/HSPA.Giải pháp được lựa chọn là WCDMA/HSPA nối đến mạng EPC Thực tế SGSN củamạng lõi GSM được sử dụng cho WCDMA/HSPA được nối tới EPC EPC đóng vai

trò như một GGSN khi lưu lượng định tuyến qua WCDMA/HSPA bằng cách sử dụnggiao diện S4 và như một EPC bình thường khi lưu lượng được định tuyến qua LTERAN Điều này có thể thực hiện được là vì kết cuối mặt phẳng người sử dụng trongEPC được giữ nguyên và vì thế địa chỉ IP của đầu cuối được giữ nguyên Các phầncủa mặt phẳng điều khiển của EPC không được sử dụng khi đầu cuối được kết nối tớiWCDMA/HSPA Thay vào đó các giao thức SGSN của mạng lõi được sử dụng Bằngcách tiếp cận này, chỉ cần thay đổi tối thiểu đối với mạng lõi gói sử dụng choWCDMA/HSPA, trong khi vẫn có thể đảm bảo chuyển giao nhanh và êm ả đến và từLTE

Khi chuyển giao từ WCDMA/HSPA tới LTE, EPC nhận kết nối từ SGSN.Điều này được thực hiện qua giao diện S3, giao diện này được xây dựng trên cơ sởgiao diện Gn được sử dụng cho các SGSN để ấn định lại SGSN Vì thế chuyển giaonày cũng gần giống như ấn định lại SGSN bằng cách chuyển mạch mặt phẳng người

sử dụng vào EPC thay vì vào GGSN

M ạng truy nhập IP Non-WLAN

3GPP

Các dịch vụ IP (IMS, PSS ) S1

S3 Iu

S5b S5a

Neo 3GPP

MME UPE

Rx+

Mạng lõi gói Phát triển

IASA

Hình 1.11 Kiến trúc mô hình LTE tổng quát theo TR 23 822

Trong mô hình này GERAN/UTRAN hay miền Internet được nối tới LTEthông qua lõi GPRS qua các giao diện như đã trình bày, kết nối tới SAE thông quagiao diện S3, S4 với các mục đích kết nối và quản lý Các mạng không phải 3GPP haycác dịch vụ IP như IMS, PSS hay PSRF được kết nối tới miền gói duy nhất thông quacác giao diện

Gb Gi

Mạng truy nhập WLAN

ECP nhà ECP Khách

hPCRF

Inter AS nhà

S8

S6 S6

vPCRF Mạng khách Mạng nhà

SGi Các dịch vụ IP

(IMS, PSS )

Hình 1.12 Kiến trúc mô hình LTE chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt

Chuyển mạng được hỗ trợ bởi EPC Nó được thực hiện giữa các Node EPC:một nằm trong mạng nhà, một nằm trong mạng khách Phụ thuộc vào chính sách củanhà khai thác, địa chỉ IP có thể được ấn định hoặc bởi EPC nhà hoặc bởi EPC khách

Trong kiến trúc chuẩn bị chuyển giao, yêu cầu kết nối giữa vPCRF và hPCRF

để thực hiện các chính sách thương lượng, tính cước chuẩn bị chuyển giao AS nhàđược nối tới AS khác thông quan giao diện S8 Các mạng GERAN/UTRAN hay đượckết nối tới miền SAE thông qua các giao diện được trình bày dước đây

Gb Gi

Mạng truy nhập WLAN

Inter AS khách

S2 S2

Rx+

SGi

Hình 1.13 Kiến trúc mô hình LTE sau khi đã chuyển giao

Sau khi đã chuyển giao khi có sự thảo thuận thương lượng chính sách giữavPCRF và hPCRF Các thực thể trong AS khách được kết nối tới AS nhà như các thựcthể trong AS nhà Tuy nhiên duy trì kết nối vPCRF và hPCRF vẫn được duy trì đểđảm bảo các chức năng tính cước và các chính sách khác Sau đây là các giao diệntham chiếu trong các mô hình trên

Các điểm tham chiếu được sử dụng trong mô hình:

S1: Cung cấp truy nhập tới các tài nguyên vô tuyến E-RAN cho lưu lượng mặtphẳng người sử dụng và mặt phẳng báo hiệu Điểm tham chiếu S1 cho phép MME vàUPE có thể triển khai riêng rẽ hay kết hợp

S2a: Cung cấp mặt phẳng người sử dụng với điều khiển và hỗ trợ di động giữatruy cập Non-3GPP IP và neo SAE

S2b: Cung cấp mặt phẳng người sử dụng với điều khiển và hỗ trợ di động giữatruy cập Non-ePDG và neo SAE.

S3: Cho phép trao đổi thông tin kênh mang và người sử dụng cho hệ thống truynhập Inter-3GPP trong trạng thái idle/active Nó dựa trên điểm tham chiếu Gn đượcđịnh nghĩa giữa SGSNs Dữ liệu người sử dụng được chuyển tới hệ thống truy nhập diđộng inter-3GPP trong trạng thái active

S4: Cung cấp mặt phẳng người sử dụng với điều khiển và hỗ trợ di động giữalõi GPRS và neo 3GPP và được dựa trên điểm tham chiếu được định nghĩa giữaSGSN và GGSN

S5a: Cung cấp mặt phẳng người sử dụng với điều khiển và hỗ trợ di động giữatruy cập MME/UPE và neo 3GPP

S6: Cho phép truyền các thông tin xác thực, phân quyền truy nhập người sửdụng tới giao diện AAA

S7: Cung cấp truyền tải các chính sách QoS, các quy tắc tính cước từ PCRF tớiPCEP

SGi: Điểm tham chiếu giữa neo Inter-AS và mạng dữ liệu gói Điểm thamchiếu này tương ứng với chức năng Gi và Wi và hỗ trợ các hệ thống truy nhập 3GPP

và Non-3GPP

Giao diện giữa SGSN trong mạng lõi 2G/3G và EPC sẽ dựa trên giao thứcGTP Giao diện giữa SAE MME/UPE và mạng lõi 2G/3G sẽ được dựa trên giao thứcGTP

Gx+ ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng PCRF thể hiện chức năng các quytắc tính cước và chính sách phát triển Các đường nối và các vòng tròn không liên tụcthể hiện các phần tử và các giao diện mới của kiến trúc LTE Rh thể hiện chức năngchuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Dự kiến giao diện này sẽ tương đối tổngquát để đảm bảo các tổ hợp khác nhau của RAT Gx+ thể hiện Gx có thêm hỗ trợ diđộng giữa các hệ thống truy nhập (Inter-AS) Inter-AS MM ký hiệu cho quản lý diđộng giữa các hệ thống truy nhập hPCRF thể hiện chức năng quy tắc tính cước vàchính sách, trên hình vẽ chức năng này được thể hiện hai lần chỉ để thể hiện cấu hình.Các đường tròn và các đường nối không liên tục thể hiện các phần tử/giao diện mớicủa kiến trúc LTE

1.3 Các tính năng quan trọng của LTE

1.3.1. Sơ đồ truyền dẫn

Sơ dồ truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM OFDM làmột sơ đồ truyền dẫn hấp dẫn vì một số lý do, do thời gian ký hiệu OFDM kết hợp vớichu trình tiền tố khá dài, OFDM đảm bảo độ bền chắc chống lại chọn lọc tần số củakênh vô tuyến cao hơn Khả năng đề kháng chống pha đinh chọn lọc sẵn có là một giảipháp lý tưởng cho đường xuống đặc biệt được kết hợp với ghép kênh không gian

Một số lợi ích OFDM:

 OFDM cung cấp tới truy nhập miền tần số, vì thế cho phép mở rộng mức

độ tự do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA

 OFDM dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt (ít nhất từ quan điểmbăng gốc) bằng cách thay đối số lượng các sóng mang con sử dụng chotruyền dẫn

 OFDM cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá/đa phương,trong đó cùng một thông tin được phát đi từ nhiều trạm gốc

Đối với đường lên LTE, truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên OFDM trải phổđược sử dụng (DFTs-OFDM) Sử dụng điều chế đơn sóng mang cho phép giảm PAPR

so với truyền dẫn đa sóng mang như OFDM PAPR càng nhỏ thì công suất phát trungbình càng cao đối với một bộ khuếch đại công suất cho trước Vì thế truyền dẫn đơnsóng mang cho phép đạt được hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công suất cao hơn vàđiều này dẫn tới tăng vùng phủ Điều này thực sự quan trọng đối với đầu cuối di động

có công suất hạn chế Đồng thời vấn đề xử lý méo tín hiệu đơn sóng mang do pha đinhchọn lọc tần số gây ra trên đường lên cũng không phải là vấn đề quan trọng vì nó đượcthực hiện tại trạm gốc nơi có khả năng xử lý tín hiệu mạnh hơn

1.3.2. Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ

LTE sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên tần số-thời gianđược chia sẻ giữa các người sử dụng Việc sử dụng tài nguyên kênh chia sẻ là hoàntoàn phù hợp với các yêu cầu tài nguyên thay đổi rất nhanh chóng do truyền dẫn góigây ra

Đối với từng thời điểm, bộ lập biểu điều khiển việc người sử dụng nào được ấnđịnh tài nguyên chia sẻ, nó cũng quyết định tốc độ số liệu sẽ được sử dụng cho từngliên kết và thích ứng đường truyền cũng có thể được coi là một bộ phận của bộ lập

biểu Cả đường xuống và đường lên đều chịu sự điều khiển chặt chẽ của bộ lập biểu.Lập biểu phụ thuộc kênh là đưa ra quyết định dựa trên điều kiện kênh Ngoài miềnthời gian, LTE cũng có thể truy nhập tới miền tần số nhờ sử dụng công nghệ OFDMAcho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên Vì thế đối với từng miền tần số bộ lậpbiểu có thể chọn người sử dụng có điều kiện kênh tốt nhất

Khả năng lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số đặc biệt có ích tại tốc độ

số liệu thấp nói một cách khác khi kênh thay đổi chậm theo thời gian Đối với các dịch

vụ nhạy cảm trễ bộ lập biểu chỉ cho miền thời gian có thể bị buộc lập biểu cho mộtngười sử dụng cho dù chất lượng kênh của người này không tốt lắm Trong trườnghợp này, việc khai thác cả thay đổi chất lượng kênh trong miền tần số sẽ hỗ trợ cảithiện tổng hiệu năng của hệ thống Đối với LTE, các quyết định lập biểu được thựchiện một lần trong 1ms Và tính hạt trong miền tần số là 180 Khz Điều này cho phép

bộ lập biểu bám theo điều kiện kênh thay đổi khá nhanh

Xử lý ưu tiên Ghép kênh

Điều chế, mã hóa

Bộ đệm Bộ đệm

Đường lên Trạng thái Chọn TF

Hình 1.14 Lập biểu đường lên và đường xuống

1.3.3. Điều phối nhiễu giữa các ô

LTE đảm bảo tính trực giao cho các người sử dụng trong một ô trên cả đườnglên và đường xuống Vì thế có thể nói rằng hiệu năng liên quan tới hiệu suất sử dụngphổ của LTE bị giới hạn nhiều hơn bởi các nhiễu đến từ các ô khác (nhiễu giữa các ô)

so với WCDMA/HSPA Vì thế phương tiện để giảm nhiễu hay để điều khiển nhiễugiữa các ô sẽ đem lại lợi ích rất to lớn cho hiệu năng LTE (chẳng hạn như tốc độ sốliệu) nhất là đối với người sử dụng tại biên ô

Điều phối nhiêu giữa các ô là một chiến lược vô cùng quan trọng trong đó tốc

độ số liệu tại biên ô được tăng nhờ xét tới nhiễu giữa các người sử dụng Về cơ bản

điều phối nhiễu giữa các ô có nghĩa là đưa ra các hạn chế nhất định (miền thời gian)cho các bộ lập biểu đường lên và đường xuống để điều khiển nhiễu giữa các ô Bằngcách hạn chế công suất của một số bộ phận phổ trong một ô, nhiễu trong các ô lân cậntrong phần phổ này sẽ giảm Phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ sốliệu cao hơn cho các người sử dụng trong các ô lân cận Về thực chất hệ số tái sử dụngtần số trong các phần tử khác nhau của ô sẽ khác nhau.

Đầu cuối tại trung tâm ô số 1

Giảm công suất phát Đầu cuối tại biên ô số 1

Đầu cuối tại biên ô số 2

Đầu cuối tại biên ô số 3

Hình 1.15 Điều phối nhiễu giữa các ô

Điều phối nhiễu giữa các ô chủ yếu là một chiến lược lập biểu với xét tới cáctình trạng trong các ô lân cận Như vậy điều phối nhiễu các ô lân cận là một vấn đềcủa thực hiện và có lẽ khó đưa vào đặc tả Phụ thuộc vào các yêu cầu của một triểnkhai cụ thể

1.3.4. HARQ với kết hợp mềm

Cũng giống như HSPA, HARQ nhanh kết hợp vơi mềm được sử dụng để đầucuối có thể yêu cầu phát lại nhanh các khối truyền tải bị mắc lỗi và để cung cấp mộtcông cụ cho thích ứng số liệu ẩn tàng Các giao thức ở đây cũng giống như giao thứcđược áp dụng cho HSPA: Nhiều xử lý HARQ dừng và đợi Để giảm thiểu ảnh hưởnglên hiệu năng của người sử dụng đầu cuối, các phát lại được yêu cầu nhanh sau mỗilần phát gói Tăng phần dư được sử dụng như một chiến lược kết hợp mềm và máy thunhớ đệm các bít mềm để có thể thực hiện kết hợp mềm giữa các lần phát

1.3.5. Hỗ trợ đa anten

LTE hỗ trợ đa anten tại cả trạm gốc và đầu cuối Đây là một bộ phận của cácđặc tả trong chuẩn Xét về nhiều khía cạnh công nghệ đa anten là một công nghệ thenchốt để đạt được các mục tiêu tăng tốc hiệu năng của LTE Hiện tại, chuẩn hỗ trợ cấuhình đa anten 2x2 trên đường xuống và 1x2 trên đường lên

1.3.6. Hỗ trợ quảng bá và đa phương

LTE cải tiến thêm dịch vụ MBMS để cung cấp quảng bá đa phương hiệu quảcao bằng cách không chỉ phát các tín hiệu giống nhau tại nhiều ô (với mã hóa và điềuchế như nhau) mà còn đồng bộ thời gian giữa các ô, tín hiệu tại đầu cuối sẽ thể hiệnhệt như tín hiệu được phát đi từ một ô Do OFDM có khả năng chống pha đinh đađường tốt, phát đa ô cũng còn được gọi là phát của mạng đa phương quảng bá mạngđơn sóng mang MBSFN Cách này không chỉ cải thiện được cường độ tín hiệu thu màcòn hạn chế được nhiễu giữa các ô Như vậy đối với OFDM thông lượng quảng bá/đaphương đa ô chỉ có thể bị giới hạn bởi tạp âm gây ra và vì thế trong trường hợp các ônhỏ có thể đạt được thông lượng này rất cao

Việc sử dụng phát MBSFN cho quảng bá/đa phương đa ô đòi hỏi sự đồng bộchặt chẽ và đồng chỉnh thời gian cho các tín hiệu được phát đi từ các trạm ô khácnhau

1.3.7 Linh hoạt phổ

1.3.7.1 Linh hoạt trong sắp xếp song công

LTE có thể triển khai cả phổ đơn và phổ kép, hỗ trợ cả TDD và FDD TrongFDD truyền dẫn đường lên và đường xuống được thực hiện trong các băng khác nhau.Trong TDD truyền dẫn đường lên và đường xuống xảy ra trên cùng một băng tầnnhưng luân phiên theo thời gian

DL

UL FDD

UL: Đường lên

Hình 1.16 Ghép song công theo thời gian và tần số

1.3.7.2 Linh hoạt trong khai thác băng tần

LTE được thiết kế trong đo phổ hoạt động được ấn định mới cho thông tin diđộng hay từ phổ hiện đang sử dụng cho các công nghệ di động khác nhau Chẳng hạnnhư hệ thống GSM hay thậm chí là không phải các công nghệ di động Vì thế truynhập vô tuyến LTE phải hoạt động trong phổ tần rộng từ 460MHz tới ít nhất là2,6GHz

1.3.7.3 Linh hoạt băng thông

LTE hỗ trợ một dải rộng các băng tần hoạt động ấn định Để hỗ trợ hiệu quảcác tốc độ số liệu cao khi có phổ khả dụng cần có băng thông truyền dẫn rộng trongdải từ 1MHz tới 20GHz với bước nhảy là 180 MHz

1.4 Tổng kết

Chương I trình bày tổng quan quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3GHSPA (3G+) và LTE (E3G/4G) Có thể nói HSPA là hậu 3G và LTE là tiền 4G vớicông nghệ LTE sẽ đem lại cho viễn thông di động thế giới tiền gần đến 4G hơn Tiếptheo đó là các mục tiêu yêu cầu của LTE, các mục tiêu yêu cầu của LTE đều nhằm cảithiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành so với các công nghệ trước đó Để đạtđược các mục tiêu đó LTE với các tính năng quan trọng như sử dụng truyền dẫnOFDM cùng với các công nghệ khác như: thích ứng đường truyền và lập biểu, các kỹthuật đa anten và HARQ Các công nghệ mới này được áp dụng cho truy nhập vôtuyến cho phép tăng hiệu năng truyền dẫn vô tuyến của LTE đặc biệt là dung lượng hệthống một cách đáng kể

CHƯƠNG II

KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA

2.1 Nguyên lý đa truy nhập SC-FDMA

2.1.1 Tổng quan nguyên lý OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế cho phépgiảm thiểu méo tuyến tính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra.Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóngmang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này Theo đó, luồng số tốc độ caođược chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đađường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng Như vậyOFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số.Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm

độ rộng băng con trong miền tần số đồng nghĩa với tăng độ dài ký hiệu Số sóng mangcon càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn

so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộngbăng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA được xây dựng trên cơ

sở nguyên lý ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM Trong OFDMA mỗi người

sử dụng được cấp phát một số sóng mang con trong tổng số sóng mang con khả dụngcủa hệ thống

Sau đây là một số đặc trưng quan trọng của hệ thống OFDM

 Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp, chẳng hạn như đối với hệ thống WCMDA băng thông 20MHz sử dụng 4 sóng mang với mỗi sóng mang

MC-có băng tần là 5MHz thì đối với hệ thống OFDM MC-có cùng băng tần nhưvậy thì có thể lên tới 2048 sóng mang con với băng thông sóng mang con

là 15MHz

 Các sóng mang con trực giao nhau, mật độ phổ công suất các sóng mangcon này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây nhiễu cho nhau Vì thếkhông cần đoạn băng bảo vệ so với FDMA

2.1.2 Hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC/FDE

Như đã trình bày OFDM là một giải pháp tốt cho đề kháng đối với ảnh hưởngcủa truyền tín hiệu đa đường Khả năng đề kháng này do OFDM phát thông tin trên Nsóng mang con băng hẹp trực giao Tuy nhiên OFDM có các nhược điểm:

 PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trịcực đại của kí tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình trêntoàn bộ sóng mang Vì vậy để không làm méo tín hiệu phát Bộ khuếchđại công suất phải đặt ở chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng khôngcao Điều này dẫn tới chi phí máy cầm tay

 Nhạy cảm cao với dịch tần số, do các sóng mang trong miền tần số trựcgiao nhau nên chỉ một ảnh hưởng nhỏ như dịch Doppler cũng có thể gâynên các sóng mang chồng lấn nên nhau gây nhiễu ICI

Hình 2.1 Lỗi ICI trong OFDM

 Vì các sóng mang được điều chế và mã hóa và phát đi một cách độc lập.Các sóng mang con này do bị ảnh hưởng của pha đinh nên bị suy giảm rấtnhiều Nên trong OFDM cần có các lược đồ điều chế và mã hóa thích ứng

để tránh hiện tượng phổ rỗng, nếu không sẽ không thể khôi phục được dữliệu trên sóng mang đó

Để khắc phục các nhược điểm trên, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp

đa truy nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM với tên gọi SC-FDMA và áp dụng trênđường lên cho LTE Giống như OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA sửdụng các tần số trực giao (các sóng mang con) khác nhau để phát đi các kí hiệu khác

nhau Tuy nhiên các kí hiệu được sắp xếp lên các sóng mang con và được phát đi lầnlượt chứ không phải song song Vì thế không như OFDMA, cách sắp xếp này làmgiảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát Do đó cáctín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn có với các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảo bảotốc độ và độ phức tạp tương đương như hệ thống OFDMA Hơn nữa SC-FDMA cónhiều kiểu sắp xếp song mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ,điều kiện truyền dẫn khác nhau Có thể nói SC-FDMA là một lược đồ truyền dẫn lýtưởng cho các hệ thống băng thông rộng trong tương lai

SC-FDMA là một trường hợp cải tiến của hệ thống đơn sóng mang với bộ cânbằng miền tần số SC\FDE để thực hiện truy nhập đa người dùng trong đường lên củaLTE

Chèn CP

Xóa CP Kênh N điểm DFT Bộ cân bằng N điểm IDFT Tách sóng

Chèn CP

Xóa CP

IDFT

SC/FDE

OFDM

Hình 2.2 Cấu trúc bộ thu và phát của SC/FDE và OFDM

Với các kênh đa đường băng rộng, các bộ cân bằng miền thời gian là khôngthực tế do đáp ứng xung trong miền thời gian rất dài Bộ cân bằng miền tần số FDE làthực tế hơn FDE có tác dụng chống lại pha đinh chọn lọc tần số trong miền tần số.Sau khi các tín hiệu được truyền qua kênh tới bộ thu thực hiện cân bằng miền tần số,sau đó các tín hiệu sẽ qua bộ DFT để chuyển sang miền thời gian và thực hiện táchsóng

DFT cân bằng Bộ SC/FDE

2.1.3 Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA

2.1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA

Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA và OFDMA tương ứng được cho Hình 2.6 vớicác kí hiệu được sử dụng:

xp: Kí hiệu số liệu thứ p (p = 0,1,2,…,P-1) trong khối số liệu đầu vào FDMA

SC-Xn: Mẫu thứ n (n = 0,1,2,…,N-1) trong miền tần số của tín hiệu đầu ra củaDFT