Nghiên ứu công nghệ 4g lte và triển khai ứng dụng thực tế tại công ty mobifone việt nam

Vế ớ ới ưu thế vượt bậc v kh ề ả năng cung cấp các dịch vụ truy nhập tố ộc đ cao, cùng với xu hướng dần phổcập các thiết bị đầu cuối, mạng 4G LTE được coi là xu hướng phát triển chủ đạo

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ VIỆN SAU ĐẠI HỌC & VIỆ N ĐI Ệ N T Ử - VIỄ N THÔNG



TR Ầ N NGỌC TRUNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ - 4G LTE VÀ TRI N KHAI ỨNG DỤNG Ể

TH Ự C TẾ ẠI CÔNG TY MOBIFONE VIỆT NAM T

CHUYÊN NGHÀNH K THU T VI N THÔNG Ỹ Ậ Ễ

LU ẬN VĂN THẠ C S K THU T Ỹ Ỹ Ậ

GIÁO VIÊN HƯỚ NG D N TS NGUY N HOÀNG DŨNG Ẫ Ễ

Hà Nội Năm 2018

M Ụ C LỤ C

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM T T LUẮ ẬN VĂN 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN H THỆ ỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 4

1.1 Giới thiệ ề ệ ống thông tin di độu v h th ng 4G LTE 4

1.1.1 M c tiêu cụ ủa mạng 4G LTE 4

1.2 C u trúc m ng 4G LTE 7ấ ạ 1.2.1 Cấu trúc các phầ ử ạn t m ng 4G LTE 7

1.2.2 M ng lõi 9ạ 1.3 Các k thuỹ ật chính được sử ụ d ng trong m ng LTE 10ạ 1.3.1 K thu t truy nh p vô tuy n trong LTE 11ỹ ậ ậ ế 1.3.2 K thuỹ ật đa anten MIMO 21

1.3.3 Mã hóa Turbo 24

1.3.4 Thích ứng đường truy n 24ề 1.3.5 Lập biểu hay lập lịch (Scheduling) ph thu c kênh 25ụ ộ 1.3.6 HARQ với kế ợp mềt h m 25

1.4 Công ngh ệ thông tin di động LTE Advanaced 26

1.4.1 T ng quan v LTE Advanced 26ổ ề 1.4.2 Công ngh ệghép nhiề ầ ố sóng mangu t n s 27

1.4.3 Công ngh MIMO bệ ậc cao 28

1.4.4 Tr m phát l p 28ạ ặ 1.4.5 Tính năng phố ợi h p hoạt động đa điểm 29

1.5 K t luế ận chương 30

CHƯƠNG 2 DỊCH V VÀ CHỤ ẤT LƯỢNG D CH V TRONG M NG 4G LTE 31 Ị Ụ Ạ 2.1 D ch v ị ụtrong mạng 4G LTE 31

2.1.1 Các lo i dạ ịch vụ cung c p 31ấ 2.1.2 Một số ại dịch vụ điể lo n hình cho 4G LTE 32

2.1.3 Các yêu c u v d ch v ầ ề ị ụtrên mạng 4G LTE cần tuân theo các đặc tính sau 35 2.1.4 Các ki n trúc d ch vế ị ụ trong mạng di động 4G LTE ph i tuân theo các tính ả chất sau: 36

2.1.5 Xu hướng d ch v trong m ng 4G LTE 37 ị ụ ạ

2.2 Chất lượng dịch vụ QoS trong m ng 4G-LTE 38ạ

2.2.1 Khái niệm QoS 38

2.2.2 Ki n trúc QoS 42ế 2.2.3 Các tham s QoS trong mố ạng di động th h sau 43ế ệ 2.2.4 Thách thức về chất lượng dịch vụ trong mạng di động 4G LTE 45

2.2.5 Bảo mật và dịch vụ 46

2.3 K t luế ận chương 48

CHƯƠNG 3 CÁC GI I PHÁP VÀ K T QU TRI N KHAI TH C T LTE TRÊN Ả Ế Ả Ể Ự Ế M NG MOBIFONE 49Ạ 3.1 T ng quan v m ng 2G và 3G hi n tổ ề ạ ệ ại của Mobifone 49

3.1.1 Hi n trệ ạng mạng lưới 2G trên mạng Mobifone 49

3.1.2 Hi n trệ ạng mạng lưới 3G 50

3.1.3 Các ph n t m ng b ầ ử ạ ổ sung để triển khai mạng LTE 52

3.2 Gi i pháp tri n khai LTE trên m ng Mobifone 52ả ể ạ 3.2.1 Gi i pháp triả ển khai LTE trên băng tần 1800 (LTE 1800) 52

3.2.2 Phương án chuyển lưu lượng 2G và tái quy ho ch t n s 2G 1800 53 ạ ầ ố 3.3 K t qu tri n khai th nghiế ả ể ử ệm thực tế công ngh LTE trên mệ ạng Mobifone 55

3.3.1 Thiết bị đo 55

3.3.2 Kết quả đo RSRP (Chế độ Idle Mode) 56

3.3.3 Kết quả SINR (Idle) 57

3.3.4 Download throughput 58

3.3.5 Các ch tiêu DrivingTest KPI 59ỉ 3.4 K t luế ận chương 61

K T LU N VÀ KI N NGH 63Ế Ậ Ế Ị TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

B ng 1-ả 1: Các đặc điểm chính c a công ngh LTE 4ủ ệ

B ng 1-ả 2: Số ối tài nguyên theo băng thông kênh truyề kh n 19

B ng 2-1: Các tham s QoS trong mả ố ạng di động 4G-LTE 44

B ng 3-1: Quy ho ch t n s LTE 1800 và GSM 1800 53ả ạ ầ ố

B ng 3-2: Quy ho ch t n s GSM hi n tả ạ ầ ố ệ ại trước Refarming 54

B ng 3-ả 3: Bảng phân b t n s 1800 MHz sau Refarming 55ố ầ ố

B ng 3-10: Bả ảng KPI Drivingtest LTE 59

B ng 3-11: Th ng kê k t qu ả ố ế ả đo kiểm 4G c a Mobifone t i Hà N i 60ủ ạ ộ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Sự chuyển đổi trong c u trúc mấ ạng từ UTRAN sang E-UTRAN 8

Hình 1-2: Cấu trúc EPS 8

Hình 1-3: Các thành ph n trong m ng EPS 9ầ ạ Hình 1-4: So sánh ph t n c a OFDM vổ ầ ủ ới FDM 11

Hình 1-5: Các sóng mang tr c giao v i nhau 12ự ớ Hình 1-6: Sơ đồ khối điều ch ếtín hiệu băng gốc OFDM 15

Hình 1-7: Sơ đồ ến đổ bi i thu phát OFDM 16

Hình 1-8: Biến đổi FFT 17

Hình 1-9: Khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM 18

Hình 1-10:OFDM và OFDMA 19

Hình 1-11: Điều ch -FDMA cho các cu c truyếSC ộ ền đường lên 21

Hình 1-12: Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 22

Hình 1-13:Ghép kênh không gian 23

Hình 1-14: Điều ch thích nghi 25ế Hình 1-15: Công ngh ệ ghép đa sóng mang Carrier Aggregation [4] 27

Hình 1-16: Carrier Aggregation với các trường hợp sóng mang khác nhau [4] 28

Hình 1-17: Sơ đồcác trạm relay node trong LTE Advanced [8] 29

Hình 1-18: Tính năng Coordinated Multi Point operation trong LTE-A [7] 29

Hình 2-1: Khái ni m QoS và m i quan h ệ ố ệQoS với chất lượng mạng 40

Hình 2-2: Mối liên h giệ ữa các khái niệm QoS theo ETSI 42

Hình 3-1: Cấu trúc m ng GSM/GPRS/EDGE c a Mobifone [1] 49ạ ủ Hình 3-2: Phân b thiổ ết bị 2G Mobifone 50

Hình 3-3: Cấu trúc m ng 3G, 3.5G c a Mobifone [1] 51ạ ủ Hình 3-4: Phân b thiổ ết bị 3G của Mobifone 52

Hình 3-5: Xu hướng quy hoạch băng tần cho các công ngh trên th ệ ếgiới [1] 52

Hình 3-6: Thực hi n Refarming tệ ần số GSM 1800 phục vụ LTE 53

Hình 3-7: Dả ầi t n GSM 1800 của Mobifone 54

Hình 3-8: Quy ho ch t n s 1800 MHz sau khi Refarming 55ạ ầ ố Hình 3-9: RSRP (chế độ Idle) 56 Hình 3-10: SINR (ch Idle) 57ế độ

DANH SÁCH TỪ VI T TẮT Ế

2G 2nd Generation of Mobile Telephone Systems (GSM) 3G

3G 3rd Generation of Mobile Telephone Systems (UMTS) 3GPP

3GPP 3rd Generation Partnership Project

4G 4th Generation of Mobile Telephone Systems (LTE)

AAA Authorization, Authentication, Accounting

AMPS Advanced Mobile Phone System

ARPU Average Revenue Per User

ATCA Advanced Telecommunications Computing Architecture

BCCH Broadcast Control Channel

BCH Broadcast Channel

BER Bit Error Ratio

CCCH Common Control Channel

CDMA Code Division Multiple Access

CDMA2000 Code Division Multiple Access (3G standard competing to

WCDMA and mainly used in US and parts of Asia and Africa)

CP Content Provider

D-AMPS Digital Advanced Mobile Phone Service

DCCA Diameter Credit Control Application DPI

DCCH Dedicated Control Channel

DC-HSDPA Dual Carrier or Dual Cell High-Speed Downlink Packet Access

DC-HSUPA Dual Carrier or Dual Cell High Speed Uplink link Packet

-A

DL- SCH Downlink Shared Channel

DPI Deep Packet Inspection

DTCH Dedicated Traffic Channel

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

EMM EPS Mobility Management

eNodeB Base Station in LTE EPC

EPC Evolved Packet Core eUTRAN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sỹ Nguyễn Hoàng Dũng

Để hoàn thành đồ án, tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục tài liệutham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu tham khảo nào khác mà không đượcghi Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án không giống hoàn toàn với công trình haythiết kế tốt nghiệp đã có trước đây

Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2018

Tác giả luận văn

Trần Ngọc Trung

L Ờ I NÓI ĐẦ U

Th giế ới có sự phát triển vượt bậc về lĩnh vực viễn thông trong ba thập kỷ ừa qua v

t h thừ ệ ống thông tin di động thứ nhất đến hệ ống thông tin di động thứ 3 và đang thphát triển m nh mạ ẽ ệ h thống thông tin di động th 4 (4G) có cứ ấu trúc đơn giản hoạt

động trên n n t ng IP về ả ới băng thông rộng t c đ ố ộ cao Tính đến nay công ngh LTE ệphát triển nhanh hơn bấ ỳ ệ ống di đột k h th ng nào Theo báo cáo của tổ ứ ch c GSA tính đến tháng 11/8 2016 đã có 521 nhà mạng thu c 170 quộ ốc gia đã thương mại hóa m ng ạ4G với số thuê bao ước tính 1453 t thuê bao chi m 20 % sỷ ế ố lượng thuê bao di động toàn c u [6] ầ

Công nghệ LTE đang là công nghệ mới phổ biến nhất được thương mại hóa trên

th gi i Hiế ớ ện nay, 4G LTE đang phát triể ấn r t nhanh trên th gi i Vế ớ ới ưu thế vượt bậc

v kh ề ả năng cung cấp các dịch vụ truy nhập tố ộc đ cao, cùng với xu hướng dần phổ

cập các thiết bị đầu cuối, mạng 4G LTE được coi là xu hướng phát triển chủ đạo của

viễn thông thế ới trong thời gian tớ gi i Bản thân người viết cũng công tác tại Tổng công ty Mobifone nên càng nh n thậ ức được tầm quan tr ng c a công ngh LTE ọ ủ ệ

Vì vậy người viết đã chọn đề tài : “Nghiên c u t ng quan công ngh 4G - LTE ứ ổ ệ

Ứng d ng th c t tri n khai t i mobifone Vi t Nam Trong quá trình thụ ự ế ể ạ ệ ” ực hiện đề tài người viết đã cố ắ g ng nghiên cứu cũng như sử ụ d ng các k t qu ế ả đo đạc th c t , tuy ự ếnhiên do m t s nguyên nhân khách quan nên luộ ố ận văn cũng không tránh khỏi có những thiếu sót Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS Nguyễn Hoàng Dũng đã trực tiếp hướng dẫn và góp ý chỉnh sửa để người viết có thểhoàn thành luận văn này

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Công nghệ LTE là công nghệ ới và phổ biến nhất được thương mại hóa trên thế m

giới và đang được triển khai thử nghiệm tại Việt Nam Công nghệ LTE đáp ứng được nhu c u sầ ử ụ d ng internet tốc độ cao mà các công ngh khác hiệ ện tại không thể đạ t được Vi c n m vệ ắ ững được các công ngh trong LTE s giúp các k ệ ẽ ỹ sư viễn Vi t Nam ệlàm ch công nghủ ệ viễn thông hi n tệ ại để có th triể ển khai và tối ưu mạng LTE hiệu

qu tả ại Việt Nam ộ Thông tin và Truyền thông đã có những nghiên cứu, chuẩn bị đểB xây dựng k ho ch tri n khai Thế ạ ể ời điểm hi n nay ệ được coi là thời cơ chín muồi để đẩ y mạnh phát triển 4G tại Việt Nam Tuy nhiên, vẫn còn những khó khăn, thách thứ ặc đ t

ra trong khi tri n khai 4G ể ở Việt Nam bao gồm: Điều ki n hệ ạ ầ t ng vi n thông và tài ễnguyên t n s , chính sách phân b tài nguyên t n s cho phù h p và thầ ố ổ ầ ố ợ ị trường thiết bị

đầu cu i [ ] Vì vố 3 ậy, vi c đưa ra m t l trình v i các chiệ ộ ộ ớ ến lược phù h p trong quá ợtrình tr n khai 4G là bài toán chung cho các doanh nghi p vi n thông Vi t Namiể ệ ễ ệ nói chung và Công ty Mobifone nói riêng Luận văn nghiên cứu về ấn đề v “Nghiên cứu

tổng quan công nghệ 4G - LTE Ứng dụng thực tế ển khai tại Mobifone ” Luận văn tri

gồm chương:3

Chương 1: T ng quan v h thổ ề ệ ống thông tin di động 4G LTE

Chương 2: Dịch v và chụ ất lượng d ch v trong mị ụ ạng di động 4G LTE

Chương 3: Các gi i pháp và k t qu tri n khai th nghi m công ngh LTE trên ả ế ả ể ử ệ ệ

m ng Mobifone ạ

K t lu n và ki n ngh ế ậ ế ị

CHƯƠNG 1 T Ổ NG QUAN Ệ THỐNG THÔN H G TIN DI Đ Ộ NG 4G

LTE

Mặc dù các dịch vụ ạng 3G, 3,5G đang được sử ụng rộng rãi và ngày một phổ m d

biến Nhưng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng, việc phát triển thông tin di động lên 4G (ti n 4G) là xu th t t yề ế ấ ếu Trong đó LTE thu hút sự quan tâm r ng ộrãi bởi vì LTE được xem như hệ ố th ng ti n hóa cho các công nghế ệ di động d a trên ựnền tảng GSM (GSM, GPRS/EDGE, HSPA) Mục đích của LTE là cung cấp công ngh ệtruy nhập vô tuyến băng rộng di động (100Mb/giây) với độ trễ truyền tải th p, ấ

đồng th i h tr kh ờ ỗ ợ ả năng chuyển giao trong suốt cho lưu lượng d li u v i ữ ệ ớGPRS/HSPA nhằm giải quy t các vấn đề ồế t n tại trong hệ ống di độ th ng thế ệ ứ h th 3 (3G) giúp hỗ ợ tr các dịch vụ ngày càng đa dạng hơn từ tín hi u tho i chệ ạ ất lượng cao

đến tín hiệu video độ phân gi i cao, các kênh vô tuy n có tả ế ốc độ ữ ệ d li u cao

1.1 Gi ớ i thiệu về ệ ống thông tin di động 4G LTE h th

giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối LTE bắt đầu được tiêu chuẩn hóa kể ừ phiên bản 3GPP Release 8, t cho đến hi n t i 3GPP đã ban hành đếệ ạ n phiên b n 3GPP Release 11 K t Release 10, ả ể ừLTE được g i là LTE Advanced ọ

B ng 1-1ả : Các đặc điểm chính c a công ngh ủ ệ LTE

Băng tần 1.25-20 MHz

Song công FDD, TDD, bán song công FDD

Đa truy nhập Đường xu ng OFDMA ố

Đường lên SC-FDMA

Đường lên 86Mb/s v i c u hình 1*2 anten ớ ấĐiều ch ế QPSK ; 16 QAM và 64 QAM

Mã hóa kênh Mã tubo

Các công ngh khác ệ Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứ ; điều ng

khi ncông su t ; ICIC và ARQ h n h p ể ấ ỗ ợ

Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ ữ ệu tố ộ d li c đ cao, độ ễ ấ , các gói dữ tr th p

liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triể n khai Đồng th i ki n trúc m ng mờ ế ạ ới được thi t k v i m c tiêu h tr ế ế ớ ụ ỗ ợ lưulượng chuy n ể

mạch gói cùng với tính di động linh hoạt , chất lượng của dịch vụ , thời gian trễ ối tthi u ể

Tăng tố c đ ộ truy n d li u: Trong điề ề ữ ệ u ki n lý t ng h th ng h tr t c đ d ệ ưở ệ ố ỗ ợ ố ộ ữliệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO ( multiple input multiple output ) trong vòng 20MHZ băng thông MIMO cho đường lên là không được

s dử ụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE Tố ộc đ d liữ ệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s trong 20MHZ băng thông Ngoài viêc c i thi n t c đ d liả ệ ố ộ ữ ệu đỉnh h th ng ệ ốLTE còn cung c p hi u su t phấ ệ ấ ổ cao hơn từ 2 đến 4 l n cầ ủa hệ ố th ng HSPA phiên bản

6

Dải tần co giãn được: Dải tần vô tuyến của hệ ống LTE có khả năng mở ộng từ th r1.4 MHz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Điều này dẫn đến sự linh ho t s dạ ử ụng được hiệu quả băng thông Mức thông su t cao hơn ấkhi hoạ ột đ ng ở băng tần cao và đố ới v i mộ ố ứt s ng d ng không cụ ần đến băng tần rộng chỉ ầ c n một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng

Đả m b o hi u su t khi di chuy n: ả ệ ấ ể LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối

di chuyển từ 0 đến 15km/h, v n hẫ ỗ ợ ớ tr v i hiệu su t cao (chấ ỉ giảm đi một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ ống vẫn duy trì thđược k t n i trên toàn m ng t bào ,chế ố ạ ế ức năng hỗ ợ ừ 120 đế tr t n 350km/h ho c th m ặ ậchí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần

Gi ả m đ ộ tr ễ trên mặt phẳ ng ngư ờ i sử ụng và mặt phẳ d ng đi ề u khiể Gi m n: ả

thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển : Giảm thời gian để ột thiết m

b ị đầu cuối ( UE User Equipment) chuyển từ ạng thái nghỉ sang nối kết với mạ- tr ng,

và bắt đầu truy n thông tin trên m t kênh truy n.Th i gian này ph i nh ề ộ ề ờ ả ỏ hơn 100ms

Giảm độ tr mễ ở ặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (ô) hiện nay là độ ễ tr truyền cao hơn nhiều so v i các mớ ạng đường dây c ố định Điều này nh ảhưởng lớn đến các ng dứ ụng như thoại và chơi game …,vì cần th i gian th c Giao ờ ự

diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ ễ dưới 10ms cho việc tr truy n t i 1 gói tin t m ng tề ả ừ ạ ới UE

S ẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả ẽ ựa trên IP Một trong những tính s dnăng đáng kể nh t c a LTE là s chuy n d ch đ n m ng lõi hoàn toàn d a trên IP v i ấ ủ ự ể ị ế ạ ự ớgiao diện m và kiở ến trúc đơn giản hóa Sâu xa hơn, phầ ớn l n công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi ki n trúc mế ạng lõi đang tồ ạn t i sang hệ ố th ng toàn IP Trong 3GPP Chúng cho phép cung cấp các dịch v linh hoụ ạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản v i các mớ ạng di động phi 3GPP và các m ng c nh EPC d a trên các giao ạ ố đị ự

thức TCP/IP – giống như phần lớn các mạng số ệu cố định ngày nay vì vậy cung cấ li - p các dịch v giụ ống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch v ụ đa phương tiện S ựchuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truy n thông không dây và c nh khác.VoIP s dùng cho d ch v tho i ề ố đị ẽ ị ụ ạ

Độ ph sóng t 5-100km: ủ ừ Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng, hi u su t ph và đ ệ ấ ổ ộ di động Phạm vi lên đến 30km thì có m t s ộ ự

giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có th ch p nhể ấ ận được, tuy nhiên yêu c u v ầ ề độ di động v n ẫđược đáp ứng dung lượng hơn 200 người/ô (băng thông 5MHz)

Ki ến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thờ Tuy nhiên mạng i:

LTE v n có th tích hẫ ể ợp một cách dễ dàng v i mớ ạng 3G và 2G hi n tệ ại Điều này hết

sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ

cơ sở ạ ầ h t ng mạng đã có

OFDMA ,SC - FDMA và MIMO được sử ụ d ng trong LTE: H thệ ống này hỗ ợtr băng thông linh hoạt nh các sơ đ truy nh p OFDMA & SC FDMA Ngoài ra còn có ờ ồ ậ -

song công phân chia t n s FDD và song công phân chia th i gian TDD Bán song ầ ố ờcông FDD được cho phép để ỗ ợ cho các ngườ ử ụ h tr i s d ng v i chi phí th p không ớ ấ

giống như FDD, trong hoạt động bán song công FDD thì một UE không cần thiết truyền & nhận đồng thời Điều này tránh việc phải đầu tư một bộ song công đắt tiền trong UE Truy nhập đường lên về cơ b n dựa trên đa truy nhậả p phân chia t n sầ ố đơn sóng mang SC-FDMA hứ ẹ ẽ gia tăng vùng phủ sóng đườa h n s ng lên do tỉ ố s công suất

đỉnh-trung bình th p ( PARR) liên quan t i OFDMA ấ ớ

Giảm chi phí: Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là gi m thiả ểu được chi phí trong khi vẫn duy trì được hiệu su t nhấ ằm đáp ứng được cho t t cấ ả các dịch v Các vụ ấn đề đường truy n,hoề ạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến y u t chi phí,chính vì v y ế ố ậkhông ch giao ti p mà vi c truy n tỉ ế ệ ề ải đến các trạm gốc và hệ ố th ng quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra m t s vộ ố ấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp th p,các ấthi t b ế ị đầu cuối tiêu th ụ ít năng lượng

Cùng t n t ồ ạ ớ i v i các chu n và h th ẩ ệ ống trướ c: H thệ ống LTE phải cùng tồn tại

và có thể phối h p hoợ ạt động với các hệ ố th ng 3GPP khác.Ngườ ử ụi s d ng LTE sẽ có

th thể ực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng ph sóng củ ủa LTE Do đó, cho phép chuyển giao các d ch v xuyên suị ụ ốt, trôi ch y trong khu v c ph sóng cả ự ủ ủa HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE Hơn

th nế ữa, LTE hỗ ợ không chỉ tr chuyển giao trong hệ ống, liên ệ ống mà còn th h thchuy n giao liên miể ền giữa mi n chuyề ển mạch gói và mi n chuyề ển mạch kênh

1.2 C ấ u trúc mạng 4G LTE

1.2.1 C u trúc các ph ấ ần tử ạ m ng 4G LTE

Cấu trúc mạng LTE được thiết kế để ỗ ợ lưu lượng chuyển mạch gói với khả h tr năng di động trong su t, qu n lý chố ả ất lượng d ch v và th i gian tr truy n t i thi u ị ụ ờ ễ ề ố ểCách ti p c n này cho phép hế ậ ỗ ợ ấ tr t t cả các loại d ch v bao gị ụ ồm cả thoại qua k t nế ối truy n t i gói d li u ề ả ữ ệ

Kết quả ẫn đến cấu trúc mạng được đơn giản hóa chỉ bao gồm hai node mạng là deNodeB và cổng/ph n tửầ quản lý mạng MME/GW Điều này tương phản v i c u trúc ớ ấ

g m nhiồ ều loại node m ng trong c u trúc m ng phân l p cạ ấ ạ ớ ủa hệ thống 3G

Cấu trúc cơ bản SAE c a LTE ủ

Hình 1-1 S chuy: ự ển đổi trong c u trúc m ng t UTRAN sang E-ấ ạ ừ UTRAN

Hình 1 cho ta th-1 ấy sự khác nhau về ấ c u trúc c a UTMS và LTE Song song vủ ới truy nh p vô tuyậ ến LTE, mạng gói lõi cũng đang cả ếi ti n lên c u trúc t ng SAE ấ ầ Mục tiêu chính c a LTE là t i thi u hóa s Node Vì vủ ố ể ố ậy, người ta đã quyết định rằng các RNC nên được g b và chỡ ỏ ức năng của chúng được chuy n m t ph n sang các tr m cơ ể ộ ầ ạ

s ở và một phần sang nút Gateway của mạng lõi Để phân biệt với các trạm cơ sở UMTS, các trạm cơ sở ủa LTE đượ c c gọi là Enhanced NodeB (eNodeB) B i vì không ởcòn ph n tầ ử ề đi u khiển ở trung tâm trong mạng vô tuyến nữa nên giờ đây các trạm cơ

s thở ực hiện chức năng quản lý dữ ệu truyền tải mộ li t cách độc lập và đảm bảo chất lượng d ch v Tuy nhiên các RNC vị ụ ẫn điều khi n các kênh truy n t i dành cho d ch ể ề ả ị

v tho i chuy n kênh ụ ạ ể

Hình 1-2: Cấu trúc EPS

Hình trên mô tả ấ c u trúc EPS EPS dùng khái niệm “EPS bearers” tạm dịch là thông báo EPS để đị nh tuy n IP t ế ừ Gateway trong PDN đến UE M t thông báo là m t ộ ộgói IP được g i là QoS (Quality of Service) gi a Gateway và UE ọ ữ

s ẽthích hợp cho duyệt Web hoặc phiên FTP Hình 1 3 mô tả ột cấu trúc ạng EPS - m mbao g m nhi u thành phồ ề ần mạng và các giao di n chuệ ẩn t ng cao, mạỞ ầ ng g m có ồCore Network CN (EPC) và m ng truy cạ ập E-UTRAN Trong khi CN bao gồm những nút v t lí thì m ng truy c p chậ ạ ậ ỉ có một nút duy nhất đó là eNodeB(evolved NodeB

phần tử ết nối đến các UE Mỗi phần tử ẽ ết nối với các phần tử khác thông qua k s k

nh ng giao di n chuữ ệ ẩn cho phép tương kết

1.2.2 M ng lõi ạ

Mạng lõi CN(được gọi là EPC trong SAE) đáp ứng cho việc điều khiển UE và thi t l p các thông báo Các Node chính c m ng lõi LTE: ế ậ ủa ạ

• PDN Gateway (P-GW): Là node kết thúc giao diện SGi về phía PDN Nếu có

1 UE truy c p vào nhi u PDN, nó có th cung c p 1 hay nhiậ ề ể ấ ều hơn PDN phục

v UE ụ PDN bao gồm các chức năng: thực thi chính sách, tính phí hỗ ợ, vậ tr n chuyển các gói trên downlink hay uplink, cho phép những thiết bị ợp pháp htruy nh p, cung c p cho m i UE mậ ấ ỗ ột địa chỉ IP, Phân lo i các gói, có chạ ức năng như DHCP (giao thức cấu hình động máy ch )trong 3G ủ

• Serving Gateway (S-GW): Là node kết thúc s truy nh p t m ng truy nh p ự ậ ừ ạ ậ

vô tuy n EUTRAN Serving Gateway có nh ng chế ữ ức năng bao gồm: H tr ỗ ợchuyển giao từ eNodeB sang eNodeB khác trong quá trình thiết bị di động di chuyển, kết thúc sự ruy nhập từ ạng truy nhập vô tuyến 3GPP (chấm dứt sự t mtruy nhập vô tuy n b i giao di n S4 và ti p nh n kênh truy n t i tế ở ệ ế ậ ề ả ừ ạ m ng 2G, 3G và PDN Gateway), cung c p chấ ức năng cho mạng truy nh p vô tuy n khi ậ ế ở chế độ nhàn r i là đệỗ m các gói ở đường downlink và kích ho t các th t c yêu ạ ủ ụ

c u dầ ịch vụ, đánh s th t ố ứ ự các gói trên đường downlink và uplink ính toán chi , tphí của người dùng ho phép c p quy, c ấ ền truy nhập, định tuy n gói tin và ếchuy n ti p các góiể ế , hỗ ợ ệc tính cước tr vi

• Mobility Management Entity (MME): Chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặ ằng điềt b u khiển, liên quan đến qu n lý thuê bao và qu n lý phiên ả ả

• eNodeB: có cùng chức năng như NodeB và có hầu h t chế ức năng RNC của WCDMA/HSPA Với những chức năng như: Thực hi n quyệ ết định l p bi u cho ậ ể

c ả đường lên và đường xuống, quyết định chuyển giao, chịu trách nhiệm về tài nguyên vô tuy n trong các ô c a mình, th c hi n cế ủ ự ệ ác chức năng lớp vật lý thông thường như mã hóa giải điều chế, điều chế, đan xen, giải đan xen và thực hi n ệ

cơ chế phát l i HARQ ạ

• ePDG: chức năng bao gồm điều khi n phân b IP trong ePDG, vân chuyể ố ển địa

chỉ IP t ừ xa như một địa chỉ IP c thụ ể, định tuyến các gói dữ ệ ừ/đế li u t n PDN và

thực thi các chính sách QoS dựa trên thông tin nhận được thông qua cơ sở ạ h

t ng AAA.ầ

1.3 Các kỹ thu t chính đư c s d ng trong mạng LTE ậ ợ ử ụ

Để đạt được các m c tiêu v thông s k thu t m ng, có r t nhiụ ề ố ỹ ậ ạ ấ ều kĩ thuật mới được áp d ng trong LTE LTE s d ng k thu t OFDMA cho truy cụ ử ụ ỹ ậ ập đường xu ng ố

và SC-FDMA cho truy cập đường lên Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về

l p bi u, thích ậ ể ứng đường truy n và yêu cề ầu tự độ ng phát l i lai ghép ạ

1.3.1 K ỹ thuật truy nh p vô tuy n trong LTE ậ ế

a) K ỹ thuật ghép kênh phân chia theo t n s ầ ố ự tr c giao OFDM

K thuỹ ật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều ch FDM, chia lu ng d li u thành nhiế ồ ữ ệ ều đường truyền băng hẹp trong vùng t n ầ

s s dố ử ụng, trong đó các sóng mang con (sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổtín hi u c a các sóng mang phệ ủ ụ này được phép ch ng lồ ấn lên nhau mà phía đầu thu

vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ

thống OFDM có hiệu suất sử ụng phổ ớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế d lthông thường So sánh ph t n c a OFDM vổ ầ ủ ới FDM được miêu t dư i hình sau ả ở ớ

Hình 1-4: So sánh ph t n cổ ầ ủa OFDM với FDM

Các đặc điểm c a truy n d n OFDM: ủ ề ẫ

• S dử ụng nhiều sóng mang Chẳng hạn nếu một hệ thống MC-WCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20MHz sử ụ d ng 4 sóng mang v i m i ớ ỗsóng mang có băng tần là 5MHz, thì với băng thông như vậy OFDM có th s ể ử

d ng 2048 sóng mang vụ ới băng thông sóng mang con 15MHz

• Các sóng mang con trực giao v i nhau và kho ng cách gi a 2 sóng mang con ớ ả ữ

liền kề ằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang b

con Vì th ế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDMA (Hình 1-5)

Hình 1-5: Các sóng mang tr c giao v i nhau ự ớ

LTE sử ụ d ng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các ưu điểm sau:

• OFDM có thể lo i b hiạ ỏ ện tượng nhi u xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol ễInterference) nếu độdài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ ễ tr truyền dẫn

l n nh t c a kênh truy n ớ ấ ủ ề

• Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ ệu từ ối tiếp sang song song nên li n

thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ

do truy n dề ẫn đa đường giảmxuống

• Tối ưu hiệu quả phổ ần do cho phép chồng phổ ữa các sóng mang con Hạn t gi

chế được ảnh hưởng c a fading b ng cách chia kênh fading ch n l c tầủ ằ ọ ọ n s ốthành các kênh con phẳng tương ứng với các tầ ố n s sóng mang OFDM khác nhau

• OFDM phù hợp cho vi c thi t k h th ng truy n dệ ế ế ệ ố ề ẫn băng rộng (h th ng có ệ ố

tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về ần số t (frequency selectivity) đố ới v i chất lượng h thệ ống được gi m thi u nhi u so v i h th ng ả ể ề ớ ệ ốtruy n dề ẫn đơn sóng mang

• Cấu trúc máy thu đơn giản

• Thích ứng đường truy n và l p bi u trong mi n t n s ề ậ ể ề ầ ố

• Tương thích với các b thu và các anten tiên ti n ộ ế

Khoả ng cách gi a các sóng mang con c a OFDM ữ ủ

Có 2 tiêu chí trong việc chọn sóng mang con:

• Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớn càng

tốt) để ả gi m thi u t l chi phí cho CP: Tể ỉ ệ CP/(TFFT + TCP)

• Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ ẽ tăng sự s nhạy cảm của truyền

d n OFDM v i tr i Doppler ẫ ớ ả

• Khi truyền qua kênh phadinh vô tuyến, do trải Doppler lớn, kênh có thể thay đổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến tr c giao hóa gi a các ự ữsóng mang b m t và nhi u giị ấ ễ ữa các sóng mang

Trong thực tế, đại lượng nhi u gi a các sóng mang có thễ ữ ể chấp n n r t l n tùy hậ ấ ớthuộc vào dịch vụ ần cung cấp và mứ ộ c c đ tín hiệu thu chịu được tạp âm và các nhân

t ốgây giảm cấp khác Chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỉ ố tín hiệu trên tạp âm cộ s ng nhiễu có thể khá thấp khi tố ộc đ s liố ệu thấp Vì thế ột lượng nhỏ nh ễu bổ xung giữa m icác sóng mang con do tr i Doppler có thả ể ỏ qua Tuy nhiên trong trườ b ng h p tợ ỷ l t p ệ ạ

âm c ng nhiộ ễu cao (chẳng h n trong các ô nhạ ỏ hay tại vị trí gần BS), khi c n cung cầ ấp

tốc độ s liố ệu cao, cùng một lượng nhiễu giữa các sóng mang con như trên cũng có thểgây ảnh hưởng xấu hơn nhiều

S ố lượ ng các sóng mang con

S ố lượng các sóng mang con được xác định dựa trên băng thông khả ụng và phát d

x ạ ngoài băng.Độ ộng băng tần cơ sở ủ r c a tín hi u OFDM bệ ằng P.∆f, nghĩa là số sóng mang con nhân v i kho ng cách gi a các sóng mang con Tuy nhiên phớ ả ữ ổ ủ c a tín hiệu OFDM cơ sở ả gi m r t chấ ậm bên ngoài độ ộng băng tầ r n OFDM cơ sở Lý do gây ra phát xạ ngoài băng lớn là do việc sử ụ d ng t o d ng xung chạ ạ ữ nhật dẫn đến các búp sóng bên giảm tương đối ch m Tuy nhiên trong thậ ực tế ọ l c hoặc tạo cửa sổ miền thời gian được s dử ụng để ạ ỏ lo i b ph n l n các phát x ầ ớ ạ ngoài băng của OFDM Trong th c ự

t cế ần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đối với tín ệu OFDM (chẳng hạn nếhi u băng thông khả ụng là 5MHz thì độ ộng băng tầ d r n OFDM (P.∆f) chỉ có th vào ể

khoảng 4,5MHz) Giả ử LTE sử ụng khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, thì s dđiều này tương đương với vào kho ng 300 sóng mang con trong 5MHz [10] ả

S d ử ụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhậ p

Trên đường xuống, OFDM đượ ử ục s d ng làm sơ đồ ghép kênh cho những ngườ ửi s

dụng Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM, toàn bộ các sóng mang con khả

dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho những người sử ụ d ng khác nhau để truyền đến các đầu cu i khác nhau ố

Trên đường lên cũng tương tự, OFDM được s dử ụng làm sơ đồ đa truy nhập Trong kho ng th i gian m t ký hi u OFDM toàn b các sóng mang con khả ờ ộ ệ ộ ả ụ d ng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho các ngườ ử ụi s d ng khác nhau

để truy n t các đ u cuề ừ ầ ối khác nhau đến tr m g c ạ ố

Trong trường hợp OFDMA được s dử ụng cho đường lên, tín hiệu OFDM được phát đi từ các máy đ u cuầ ối khác nhau được ghép kênh theo t n sầ ố, điều quan tr ng là ọkhi truyền dẫ ừ các đần t u cu i ố ởcác vị trí khác nhau so v i trớ ạm gốc phải đến trạm gốc

m t ộ cách đồng bộ theo thời gian Đặc biệt là sự ấ ồ m t đ ng bộ ữa các truyền dẫn từ gicác đầu cuối di động khác nhau t i tr m g c ph i nh ạ ạ ố ả ỏ hơn độ dài CP để đả m b o tính ả

trực giao giữa các sóng mang con thu được từ các đầu cuối di đ ng khác nhau để tránh ộnhiễu giữa những người sử ụng Do khác nhau về d khoảng cách từ các máy đầu cuối

di động đến tr m g c và vì th dạ ố ế ẫn đến khác nhau v th i gian truy n lan, nên ph i ề ờ ề ảđiều khiển định th i phát c a tờ ủ ừng đầu cuối Điều khiển định th i phát nh m đi u ờ ằ ềchỉnh định th i phát c a từng đầờ ủ u cuối di động để đả m bả ằo r ng các truy n dề ẫn đường lên được đồng b t i tr m g c Do th i gian truyộ ạ ạ ố ờ ền lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong ô, điều khiển định thời phát phải là một quá trình tích cực liên tục điều chỉnh định th i phát cho tờ ừng đầu cuối di động

Ngay cả khi điều khiển định th i phát hoàn h o, v n luôn có mờ ả ẫ ột lượng nhiễu giữa các sóng mang con do sai số ầ t n số Trong trường h p sai sợ ố ầ t n số ợ h p lý và trải Doppler nh thì nhiỏ ễu này thường tương đối nhỏ Tuy nhiên điều này chỉ ả x y ra khi coi rằng các sóng mang con khác nhau được thu t i trạ ạm gốc với công su t gấ ần như nhau trên đường lên do kho ng cách t các máy đầả ừ u cuối đến tr m g c là khác nhau, ạ ố

vì thế suy hao đường truyền c a các đư ng truyủ ờ ền này cũng có thể ấ r t khác nhau N u ế

2 đầu cu i phát cùng m t công su t thì do kho ng cách khác nhau nên công su t tín ố ộ ấ ả ấ

hiệu thu tại tram gốc từ 2 đầu cuối này có thể ất khác nhau và vì thế tín hiệu thu từ r

trạm đầu cuối mạnh hơn sẽ gây nhiễu đối với tín hiệu thu yếu hơn cho dù vẫn duy trì được tr c giao hoàn h o giự ả ữa các sóng mang con Để tránh điều này c n ph i th c hi n ầ ả ự ệđiều khi n công su t phát c a các đ u cu i m t m c đ nhể ấ ủ ầ ố ở ộ ứ ộ ất định Đố ới v i OFDMA đường lên b ng cách gi m công su t c a đ u cu i g n tr m g c đ m b o công ằ ả ấ ủ ầ ố ở ầ ạ ố ể đả ả

su t cấ ủa các tín hiệu thu gần như nhau

Thu phát tín hi u OFDM ệ

Hình 1-6: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu băng gốc OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động và nh ng máy thu khóa pha trong miữ ền tương tự Hình 1 7 là- là sơ đồ

khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu Phần máy phát biến đổi dữ ệu số ần li ctruyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ

của dữ ệu vào trong miền thời gian nhờ ử ụng biế li s d n đổiFourier rời rạ ảc đ o (Inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast Fourier Transform) th c hi n cùng m t thuự ệ ộ ật toán như IDTF, ngoại trừ ằ r ng nó tính hi u quệ ảhơn nhiều và do vậy nó được s d ng trong t t c các h th ng th c tử ụ ấ ả ệ ố ự ế Để truy n ềOFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán phát lên t n sầ ố ầ c n thi t Máy thu thế ực

hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để ử x

lý, sau đó sử ụ d ng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hi u trong mi n t n ệ ề ầ

số Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được chọn ra và được biến đổi ngược lại

là hàm b sung và thu t ng thích h p nhổ ậ ữ ợ ấ đượt c dùng phụ thu c vào dữ ệộ li u tín hiệu đang được thu hoặc đang được phát Trong nhiều trường h p tín hiợ ệu là độ ậc l p v i s ớ ựphân bi t này nên thu t ng ệ ậ ữFFT và IFFT có thể được sử ụ d ng thay th cho nhau ế

Hình 1-7: Sơ đồ ến đổ bi i thu phát OFDM

Điề u ch tín hi u OFDM ế ệ

Để điề u ch tín hi u OFDM s d ng biế ệ ử ụ ến đổi FFT và IFFT cho biến đổi gi a mi n ữ ề

thời gian và miền tầ ố.n s Hình 1-8 miêu t biả ến đổi FFT

Hình 1-8: Biến đổi FFT

Chiều dài biến đổi FFT là 2n với n là số nguyên Với LTE chiều dài có thể là 512

hoặc 1024 Ta sử ụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ ệu sau khi điều chế được d lichuyển đổi từ ối tiếp sang song song Sau đó đượ n c đưa đến bộ ến đổi IFFT Mỗi bingõ vào của IFFT tương ứng v i t ng sóng mang con riêng bi t (thành ph n t n sớ ừ ệ ầ ầ ố riêng bi t c a tín hiệ ủ ệu miền th i gian) và mờ ỗi sóng mang được điều chế độ c lập với các sóng mang khác Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu được chèn thêm ti n t ề ốvòng (CP) và phát đi Ở ộ thu ta làm ngượ ạ b c l i

Khoảng bả ệ o v (Guard Interval)

Đố ới v i một băng thông hệ ống đã cho, tố th c độ symbol c a tín hi u OFDM th p ủ ệ ấhơn nhiề ốu t c đ symbol c a sơ đ truyộ ủ ồ ền sóng mang đơn Ví dụ đố ới điề i v u ch ế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng vớ ối t c độ bit Tuy nhiên, với OFDM, băng thông hệ thống được chia cho Nc t i ph , t o thành t c đ symbol nh ả ụ ạ ố ộ ỏ hơn Nc

lần so với truyền sóng mang đơn Tố ộc đ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng đượ ốc t t v i nhi u liên ký t ớ ễ ự ISI (Inter Symbol Interference) gây ra b i truy n lan - ở ềnhiều đường Có thể ảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng các thêm vào gikho ng b o v ả ả ệ ở trước của mỗi symbol Kho ng b o v này là b n copy tu n hoàn theo ả ả ệ ả ầchu k , làm mỳ ở ộ r ng ch u dài ciề ủa dạng sóng symbol M i t i ph trong ph n dỗ ả ụ ầ ữ ệ li u

của mỗi symbol, có nghĩa là symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử ụng để ạ d t o tín hi u) có m t s nguyên lệ ộ ố ần các chu

kỳ Do vậy, vi c đưa vào các b n copy c a symbol nệ ả ủ ối đuôi nhau tạo thành m t tín ộ

hiệu liên tục, không có sự gián đoạ ở chỗ ối Như vậy, việc sao chép đầu cuối của n nsymbol và đặt nó đế đầu vào đã tạo ra m t kho ng thộ ả ời gian symbol dài hơn.

Hình 1-9: Khoảng b o v tín hiả ệ ệu OFDM

b) K ỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tầ n s tr c giao OFDMA ố ự

LTE sử ụ d ng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho tuyến lên OFDMA được gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số ực giao, là công trngh ệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng của mô hình điều ch s OFDM.K thuế ố ỹ ật đa truy nhập c a OFDMA cho ủphép nhiều người dùng cùng truy c p vào m t kênh truy n b ng cách phân chia mậ ộ ề ằ ột nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại m t thộ ời điểm Ở các thời điểm khác nhau,nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau Điều này cho phép truy n dề ữ ệ li u tốc độ ấ th p từ nhiều người sử ụ d ng Hình 1-10 dưới đây

so sánh v OFDM và OFDMA ề

Hình 1-10 :OFDM và OFDMA

Tài nguyên th i gian ờ - tầ ố đượn s c chia nh theo c u trúc sau: 1 radio frame có ỏ ấchiều dài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chiều dài là 1ms, và mỗi subframe nhỏ ại đượ l c chia thành 2 slot v i chi u dài cớ ề ủa mỗi slot là 0 5ms M i slot - ỗ

s ẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 6 ký tựOFDM trong trường h p CP m r ng ợ ở ộ

Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không d a vào ự

từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource Block) Mỗi

khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot và khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz d n đ n k t qu ẫ ế ế ả băng thông tối thi u của nó là ể

180 KHz Đơn vị nh nh t c a tài nguyên là thành ph n tài nguyên (RE), nó bao g m ỏ ấ ủ ầ ồ

một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký tự OFDM Một RB bao gồm

84 RE (tức 7 x 12) trong trường h p chiợ ều dài CP thông thường và 72 RE (6 x 12) trong trường h p chi u dài CP m rợ ề ở ộng, như trong b ng 1-2 ả

B ng 1-2ả : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền

Băng thông kênh truyền (MHz) 1.4 3 5 10 15 20

S kh i tài nguyên ố ố 6 15 25 50 75 100

c) K ỹ thuật đa truy nhâp cho đường lên SC- FDMA

Đố ới v i vi c truy n d li u ệ ề ữ ệ ở đường lên, 3GPP đã chọn một phương thức điều ch ếhơi khác một chút Vi c truy n OFDMA ph i ch u m t PAPR (Peak to Average Power ệ ề ả ị ộRatio - t l ỷ ệ công suất đỉnh so với trung bình) cao, điều này có thể ẫn đến những hệ d

qu ả tiêu cực đối vớ việc thiết kế ột bộ phát sóng nhúng trong UE Nghĩa là khi i mtruyền dữ ệu từ UE đến mạng, cần có một bộ li khuếch đại công suất để nâng tín hi u ệ

đến lên m t m c đ ộ ứ ủ cao để ạ m ng bắt được (pick up) B khuộ ếch đại công su t là m t ấ ộtrong nh ng thành ph n tiêu tữ ầ h ụ năng lượng lớn nh t trong m t thi t b , và vì thấ ộ ế ị ế nên

có hi u qu công su t cao (càng cao càng tệ ả ấ ốt) để làm tăng tuổi th pin c a máy Tính ọ ủ

hi u qu cệ ả ủa bộ khuếch đại công su t ph thu c vào hai y u t : ấ ụ ộ ế ố

• B khuộ ếch đại đó phải có khả năng khuếch đại giá t ị đỉnh cao nhất của sóng r

Do nh ng ràng bu c trong ch t bán d n, giá trữ ộ ấ ẫ ị đỉnh này quyết định m c tiêu ứ

th ụ năng lượng của bộ khuếch đại

• Tuy nhiên, các giá trị đỉ nh c a sóng không mang nhiủ ều thông tin hơn chút nào

so v i công su t trung bình c a tín hi u trong th i gian truy n nh n Vì th , tớ ấ ủ ệ ờ ề ậ ế ốc

độ truy n không ph thu c vào m c công su t ngõ ra c n thi t cho các giá tr ề ụ ộ ứ ấ ầ ế ị

đỉnh mà ph thu c vào m c công su t trung bình c a sóng ụ ộ ứ ấ ủ

B i vì c m c tiêu th ở ả ứ ụ năng lượng l n tẫ ốc độtruyền đều quan trọng đố ới v i các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt Như vậy, UE nào s dử ụng phương thức điều ch có t l PAPR càng th p thì th i gian ế ỉ ệ ấ ờ

hoạt động c a nó mủ ở ột tốc độ truy n nhề ất định càng dài

Một phương thức điều chế tương tự ới OFDMA cơ bản, nhưng có một PAPR tốt v(thấp) hơn là SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access Đa - - truy nh p phân chia theo tậ ần số đơn sóng mang) Do PAPR của nó tốt hơn, nó được 3GPP chọn để truy n d li u ề ữ ệ ở hướng lên Tuy mang cái tên như vậy song SC-FDMA cũng truyền d li u qua giao ti p vô tuy n trong nhiữ ệ ế ế ều kênh con, nhưng bổ sung thêm

một bước xử lý nữa, như được minh họa trong hình 1-11 Thay vì đặt 2, 4 hoặc 6 bit

với nhau như trong ví dụ OFDM để ạo thành tín hiệu cho một kênh con, khối xử lý bổ tsung trong SC-FDMA trải thông tin của mỗi bit ra trên t t cấ ả các kênh con Điều này được th c hiự ện như sau: Cũng mộ ốt s bit (ví d ụ như 4 đố ới điềi v u ch 16-ế QAM) được nhóm lại với nhau, nhưng trong OFDM, các nhóm bit này là dữ ệ li u nh p cho hàm ậ

IFFT, còn trong SC-FDMA, các bit này được đưa vào một hàm FFT (Fast Fourier Transformation) trước đã Dữ ệ li u xu t c a quá trấ ủ ình này là cơ sở cho vi c t o ra các ệ ạkênh truy n con cho hàm IFFT theo sau B i vì không ph i t t cề ở ả ấ ả các kênh con đều được dùng b i UE, nên nhiở ều kênh được đặ ởt mức không (0) trong đồ th Nh ng ị ữkênh này có th ể được dùng b i các UE khác ho c không (hình 1-11) ở ặ

Hình 1-11: Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền đường lên

Ở phía máy thu, tín hiệu được giải điều chế, được khuếch đại và được xử lý bởi hàm FFT theo cách giống như trong OFDMA Nhưng biểu đồ biên độ ế k t qu không ảđược phân tích thẳng ra để có được dòng d liữ ệu ban đầu, mà được n p vào m t hàm ạ ộIFFT để ỡ ỏ g b tác d ng c a quá trình x lý tín hi u b ụ ủ ử ệ ổ sung đã được th c hi n phía ự ệ ởmáy phát Ra kh i hàm IFFT này, tín hi u l i tr thành tín hiỏ ệ ạ ở ệu miền thời gian Tiếp

đến, tín hi u mi n thệ ề ời gian này được cung c p cho m t kh i phát hi n (detector), kh i ấ ộ ố ệ ốnày tái t o l i các bit dạ ạ ữ ệu ban đầu Như vậ li y, thay vì phát hi n các bit trên nhiệ ều kênh con khác nhau, người ta ch dùng m t hàm phát hi n duy nh t trên m t kênh ỉ ộ ệ ấ ộtruy n duy nh t ề ấ

1.3.2 K ỹ thuật đa anten MIMO

MIMO là m t ph n tộ ầ ất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu cao về thông lượng

và hi u quệ ả ử ụ s d ng ph MIMO cho phép sổ ử ụ d ng nhi u anten máy phát và máy ề ở

thu Với đường xu ng, MIMO 2x2 (2 anten ố ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng đượ ề ập và đưa vào bảng đặc đ c c tả ỹ k thuật chi tiết Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử ụng MIMO Trong đó, kỹ dthuật ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing) và phát phân tập (Transmit Diversity) là các đặc tính n i b t c a MIMO trong công ngh LTE ổ ậ ủ ệ

Giới hạn chính của kênh truyền thông tin là can nhiễu đa đường giới hạn về dung lượng theo quy lu t Shannon MIMO l i d ng tín hiậ ợ ụ ệu đa đường gi a máy phát và ữmáy thu để ả c i thi n ệ dung lượng có s n cho b i kênh truy n B ng cách s d ng nhi u ẵ ở ề ằ ử ụ ềanten ở bên phát và thu với việc xử lý tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể ạo ra các tdòng d li u trên cùng m t kênh truy n, t ữ ệ ộ ề ừ đó làm tăng dung lượng kênh truy n.ề

Hình 1-12: Mô hình SU- MIMO và MU MIMO

-Hình 1-12 trên là ví dụ ề v SU-MIMO 2x2 và MU MIMO 2x2 - Ở SU- MIMO hai dòng dữ ệ li u trộn với nhau (mã hóa) để phù h p v i kênh truy n nh t 2x2 SUợ ớ ề ấ -MIMO thường dùng cho đường xuống Trong trường h p ợ này dung lượng cell tăng và tốc độ

d liữ ệu tăng Ở MU-MIMO 2x2 dòng dữ ệu MIMO đa người dùng đến từ các UE likhác nhau Dung lượng cell tăng nhưng tốc độ ữ ệu không tăng Ưu điể d li m chính c a ủMU-MIMO so với SU MIMO là dung lượng cell tăng mà không tăng giá thành và pin -của hai máy phát UE MU-MIMO phức tạp hơn SU- MIMO

Trong hệ ố th ng MIMO, b phát g i các dòng dộ ử ữ ệ li u qua các anten phát Các dòng

d liữ ệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đường truyền giữa các anten phát và các anten thu Sau đó bộ thu nhân các vector tín hiệu từ các anten thu,

giải mã thành thông tin gốc Đối với đường xuống, cấu hình hai anten ở ạm phát và trhai anten thu ở thi t b ế ị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và sử ụ d ng kỹ thuật ghép kênh không gian Kỹ thu t này có lợậ i thế hơn các k ỹthuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử ụng và thuật điều chế tín hiệ d u,

SU cho phép tăng tốc độ ữ ệ d li u (data rate) b ng s ằ ố lượng anten phát, đường xu ng ố

Những dòng dữ ệu này có thể là mộ người dùng (SU MIMO) hoặc những người li t dùng khác nhau (MU MIMO) Trong khi SU- -MIMO tăng tốc độ d liữ ệu cho một người dùng, MU-MIMO cho phép tăng dung lượng D a vào hình 1-13 ự dưới đây, ghép kênh không gian lợi dụng các hướng không gian c a kênh truy n vô tủ ề uyến cho phép phát các dữ ệ li u khác nhau trên hai anten

-Hình 1-13:Ghép kênh không gian

K thu t phân tỹ ậ ập đã được biết đến từ WCDMA Release 99 và cũng sẽ là một phần

của LTE Thông thường, tín hiệu trước khi phát được mã hóa đ tăng hiệ ứng phân ể u

tập MIMO được sử ụng để khai thác việc phân tập và mục tiêu là làm tăng tố d c độ

Việc chuyển đổi giữa MIMO truyền phân tập và ghép kênh không gian có thể tùy thuộc vào việc sử ụng kênh tần số Đối với đường lên, từ d thiết bị đầu cuối di động đến BS, người ta s d ng mô hình MU MIMO (Multi User MIMO) ử ụ - - S d ng mô ử ụhình này ở BS yêu c u sử ụầ d ng nhi u anten, còn ề ở thiết bị di động ch dùng mỉ ột anten

để gi m chi phí cho thi t b ả ế ị di động V hoề ạt động, nhi u thi t b u cu i di động ề ế ị đầ ố

có th phát liên t c trên cùng m t kênh truy n, nhi u kênh truyể ụ ộ ề ề ền, nhưng không gây ra can nhi u v i nhau b i vì các tín hi u hoa tiêu (pilot) tr c giao l n nhau Kễ ớ ở ệ ự ẫ ỹ thu t ậ

được đề ập đế c n là k thuỹ ật đa truy nhập mi n không gian (SDMA) hay còn g i là ề ọMIMO o ả

1.3.3 Mã hóa Turbo

Để ử s a nh ng bit b l i do s ữ ị ỗ ự thay đổi kênh và nhiễu, mã hóa kênh được s d ng ử ụ

Với kênh chia sẻ đường xuống của LTE, sử ụng một bộ mã hóa Turbo với tố ộ d c đ 1/3, theo sau là một b so khộ ớ ốp t c độ để thích ứng v i tớ ốc độ mã Trong m i khung con ỗchi u dài 1ms, m t ho c hai t ề ộ ặ ừmã có thể được mã hóa và truyền đi

thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền Đặc điểm này cho phép hệ ố th ng kh c ph c hiắ ụ ệ ứu ng fading lựa chọn thời gian Đặc điểm quan tr ng cọ ủa điều ch thích nghi là kh ế ả năng tăng dả ử ụi s d ng của nguyên lý điều ch m c đ cao ế ở ứ ộhơn, do đó hệ ố th ng có tính m m d o đ i v i tình tr ng fading th c t K thuề ẻ ố ớ ạ ự ế ỹ ật điều chế và mã hoá thích nghi là m t trong nhộ ững ưu việ ủt c a OFDM vì nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hi u (tệ ỷ ệ l SNR) và chất lượng kênh truy n d n (Hình 1- ) ề ẫ 14

Hình 1-14: Điều chế thích nghi

1.3.5 L p bi ậ ểu hay lập lịch (Scheduling) phụ thuộc kênh

Lập biểu phụ thuộc kênh giải quyết vấn đề cách thức chia sẻ các tài nguyên vô tuyến giữa những người sử ụng (các đầu cuối di động) khác nhau trong hệ ống để d thđạt được hi u su t s d ng tài nguyên t t nh t L p bi u ph thu c kênh cho phép ệ ấ ử ụ ố ấ ậ ể ụ ộ

giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử ụng, vì thế cho phép nhiề d u người s dử ụng hơn trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu chất lượng d ch v ị ụNguyên lý l p biậ ểu cũng như việc chia s các tài nguyên giẻ ữa những ngườ ử ụng, vềi s d

mặt lý thuyết, phụ thuộc vào các đặc tính của giao diện vô tuyến, vào việc đường truyền là đường truyền lên hay truyền xuống và vào việc truyền dẫn của những người

s dử ụng với nhau có trực giao hay không Thích ứng đường truyền và lập biểu phụthuộc kênh liên quan mật thiết với nhau và thường thì chúng được coi như là một chức năng liên kết

phép đầu cuối di động yêu c u truy n l i nhanh chóng nh ng kh i v n chuy n b l i, ầ ề ạ ữ ố ậ ể ị ỗ

và cung cấp một công cụ cho thích ứng tốc đồ ng m đầ ịnh Giao thức bên dưới là nhiều

x ử lý HARQ dừng và chờ (stop-and-wait) song song nhau Trong ARQ, đầu thu sửdụng một mã phát hiện lỗi để ể ki m tra gói dữ ệ li u có bị ỗi hay không Đầu phát đượ l c thông báo b ng NAK ho c ACK N u gói ằ ặ ế d liữ ệu bị ỗi và có thông báo NAK, gói đó l

s ẽ được truyền lại

Một sự ết hợp của FEC (Forward Error Correction) và ARQ được biết như là kHARQ HARQ trong thực tế ph n lớn được xây dựng xung quanh mã CRC để phát ầ

hi n lệ ỗi và mã Turbo để ửa lỗi, như trong trườ s ng hợp của LTE

Trong HARQ v i k t n i m m, nh ng gói nhớ ế ố ề ữ ận được bị sai, được lưu trong một bộ đệm và sau đó được k t h p v i truy n lế ợ ớ ề ại để đạt được một gói đáng tin cậy Trong LTE, sự dư thừa gia tang IR (Incremental Redundancy) được áp dụng, nghĩa là những gói được truy n l i không gi ng nhề ạ ố ững gói đã truyền đầu tiên, mà nó mang thông tin

b sung ổ

1.4 Công nghệ thông tin di động LTE Advanaced

1.4.1 T ổng quan về LTE Advanced

LTE Advanced ra đời vào tháng 3 năm 2011 trong Release 10 của 3GPP, là m t h ộ ệthống thông tin băng thông rộng được phát triển và chuẩn hóa trên nền tảng sẵn có của công ngh LTE M c tiêu chính c a LTE Advanced là t p trung vào việ ụ ủ ậ ệc nâng cao hơn

nữa tố ộc đ cũng như dung lượng phục vụ ủa toàn hệ ống, thông qua các tính năng, c thcông nghệ mới như ghép nhi u t n s sóng mang (Carrier Agrregation CA)), công ề ầ ố – ngh ệ đa anten bậc cao (High Order MIMO), các trạm phát lặp (Relay Node) và tính năng Coordinated Multi Point operation (CoMP) Các tiêu chuẩn được quy định cho LTE Advanced bao gồm:

• Tăng cường chất lượng d ch v t i các cell edges ị ụ ạ

1.4.2 Công ngh ệ ghép nhiều tần số sóng mang

Nhằm mở ộng thêm băng thông trong LTE Advanced được thực hiện bởi việc rghép nhiều sóng mang đã được chuẩn hóa theo R8 và R9 Các sóng mang ghép này có

th ể được sử ụng cho cả Công nghệ đa truy cập theo tần số (FDD) cũng như thời gian d(TDD)

Các sóng mang (Carrier) sử ụng để ghép đượ d c gọi là sóng mang thành ph n, vầ ới

độ ớ l n linh ho t, t 1,4 t i 20 Mhz Công ngh Carrier Aggregation c a LTE ạ ừ ớ ệ ủAdvanced cho phép ghép tối đa tới 5 sóng mang thành phầ ừn t các dải t n sầ ố khác nhau, để đạt băng thông lên tới 100 Mhz Ngoài ra, s ố lượng sóng mang thành ph n t i ầ ạđường truy n lên và xu ng có th khác nhau, về ố ể ới điều ki n s sóng mang t i ệ ố ạ đường

xuống luôn luôn lớn hơn hoặc bằng tại đường lên Công nghệ ghép nhiều tần số sóng mang được bi u di n ể ễ như hình sau:

Hình 1-15: Công ngh ệ ghép đa sóng mang Carrier Aggregation [4]

Hình 1-16 Carrier Aggregation v : ới các trường h p sóng mang khác nhau [ ợ 4]

Cách đơn giản nhất để ghép sóng mang là k t h p các sóng mang li n k cùng ế ợ ề ềbăng tần, hay còn g i là Intraọ -Band Contiguous CA Tuy nhiên, điều này thường không kh thi do vi c phân bả ệ ổ ầ t n số ạ t i t ng khu vừ ực địa lý Do vây, Công nghệ CA cũng cho phép ghép các sóng mang thuộc các d i t n s ả ầ ố khác nhau, như thể nhi n ệtrong hình

1.4.3 Công ngh MIMO b c cao ệ ậ

Công nghệ MIMO (Multiple Input Multiple Output) được sử ụng để tăng tố ộ d c đtruyền dữ ệu thông qua việc sử ụng nhiều anten ở đường thu và đường phát Với li dLTE Advanced, công ngh này có thệ ể đạt t i c u hình tớ ầ ối đa là 8x8 MIMO ở đường

xuống, và 4x4 MIMO cho đường lên

1.4.4 Tr m phát l p ạ ặ

Trong LTE Advance, khả năng phối hợp hoạt động giữa các phần từ ạ m ng khác nhau, ví dụ như giữa các trạm eNodeB và các Small Cell, được tăng cường đáng kể

nh ờ các trạm phát lặp (Relay Node) Relay Node là các trạm thu phát sóng công suất

thấp, được sử ụng để tăng cường vùng phủ và dung lượng tại những khu vực sóng d

yếu, hot spots hoặc các cell edges Các Relay Node này có thể được kết nối trực tiếp

tới eNodeB chủ (Donor eNB DeNB) thông qua giao diện vô tuyến hoặc truyền dẫn - quang Khi sử ụ d ng giao di n vô tuyệ ến, Relay Node sẽ ế k t nối tới DeNB thông qua giao di n Un Lúc này, các Relay Node có thệ ể ph c v giụ ụ ống như một eNodeB bình thường, tuy không được k t n i và xác nh n b i MME Các tr m phát lế ố ậ ở ạ ặp RN được

bi u di n hình ể ễ ở

Hình 1-17: Sơ đồ các trạm relay node trong LTE Advanced [8]

1.4.5. Tính năng phố ợi h p ho t ạ động đa điểm

Phố ợi h p hoạt động đa điểm, hay còn g i là Coordinated Multi Point operation ọ(CoMP), là tính năng được chu n hóa trong Release 11 c a 3GPP, v i mẩ ủ ớ ục đích tăng cường hơn nữa chất lượng d ch v t i các vùng rìa biên (cell edges) Mị ụ ạ ục đích của CoMP là:

• Tăng throughput

• Gi m nhi u ả ễ

• Tăng hiệu năng sử ụ d ng ph ổ

Hình dưới mô ta công ngh SISO, MIMO, CA, CoMP ệ

Hình 1-18: Tính năng Coordinated Multi Point operation trong LTE- A [7 ]