Luận văn thạc sĩ kiến trúc giao diện vô tuyến trong lte

Để có thể chấm dứt tình trạng đó đòi hỏi sự nỗ lực nhằm phát triển những mạng thông di động mới.Thông tin di động từ khi ra đời đã trải qua nhiều thể hệ và hiện nay mạng thông tin di độn

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, chúng ta ai cũng thấy được tầm quan trọng của thông tin di động với khả năng kết nối mọi lúc mọi nơi nó luôn thể hiện những tiện ích và ngày càng không thể thiếu đối với người sử dụng Cùng với sự phát triển mọi mặt của đời sống xã hội, các ngành khoa học kĩ thuật có những bước tiến mạnh mẽ mang tính đột phá thì ngành công nghiệp viễn thông cũng không nằm ngoài xu hướng đó Nhụ cầu sử dụng của con người ngày càng khắt khe hơn về cả số lượng lẫn chất lượng: Chất lượng dịch vụ của người sử dụng ngày càng cao, các ứng dụng yêu cầu băng thông lớn, thời gian tương tác nhanh hơn

Từ những yếu tố như vậy sẽ làm cho tài nguyền mạng bị cạn kiệt điều đó dẫn đến các sự cố như là tốc độ mạng chậm, tắc nghẽn hoặc không đáp ứng được các dịch vụ cho người sử dụng Để có thể chấm dứt tình trạng đó đòi hỏi sự nỗ lực nhằm phát triển những mạng thông di động mới.Thông tin di động từ khi ra đời đã trải qua nhiều thể hệ và hiện nay mạng thông tin di động 3G đang được sử dụng rộng rãi với các giải pháp kĩ thuật công nghệ được sử dụng để có thể khai thác tài nguyên vô tuyến như là TDMA, FDMA, SDMA và CDMA nhưng thực tế cho thấy chưa tìm thấy ở các hệ thống thông tin di động trước đây một phương pháp nào có thể tối ưu hóa phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến Mạng thông tin di động 3G đang được ửng dụng hiện nay đã có thể giải quyết một phần nào đó nhu cầu của người sử dụng về băng thông cũng như chất lượng dịch

vụ Song trong tương lai không xa với sự phát triển không ngừng của công nghệ như hiện nay thì mạng 3G cũng không thể đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng với những yếu điểm đang còn tồn tại trong mạng 3G

Để giải quyết vấn đề này thì bên cạnh việc nâng cấp cơ sở hạ tầng của các mạng

cũ thì các nhà cung cấp mạng cũng đã và đang nghiên cứu tiến hành và xây dựng một mô hình mạng mới để có thể phục vụ cho tương lai không xa và mạng thông tin di động được nhắc đến ở đây là mạng thông tin di động tiền 4G (LTE) của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hom, sử dụng linh hoạt các băng

tần hiện có và bằng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối LTE được xây dựng dựa trên nền tảng IP và sử dụng kĩ thuật OFDM đây là giải pháp công nghệ tiên tiến có thể khắc phục được nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây Chu kỳ kí hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến và nó sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu vì thể có thể tối ưu băng tần sử dụng Mục tiêu thiết kế của LTE nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn đường xuống tối đa là 100 Mbps và tốc độ đường lên là 50 Mbps Người sử dụng sẽ cảm thấy điện thoại của họ được kết nổi mọi lúc Chính vì những ưu điểm mang tính thực tế rất cao và rất cần thiết đối với mỗi sinh

viên như vậy nên em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là: “Kiến trúc giao diện vô tuyến trong LTE”

Nội dung đồ án gồm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về sự phát triển của 3G và lộ trình phát triển lên 4G

Chương II: Các công nghệ then chốt của mạng di động thế hệ sau

Chương III: Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE

Do thời gian và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế, bản đồ án khó có thể tránh khỏi những thiếu sót Em mong sẽ nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn

để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS Nguyễn Vũ Sơn, người đã tận

tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông đã giúp

đỡ em trong thời gian qua

Và xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người thân - những người đã giúp

đỡ động viên em trong quá trình học tập

Hà Nội, tháng 9 năm 2012

Học viên

Nguyễn Ngọc Khánh

TÓM TẤT ĐỒ ÁN CHƯƠNG I: TÔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G

Chương này ta sẽ trình bày các hoạt động nghiên cứu phát triển 3G và lộ trình phát triển lên 4G đang được tiến hành trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách nhiệm cho việc phát triển các tiêu chuẩn được phát hành của UMTIS UTRA (WCDMA và TD-SDMA) Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G và tiến dần lên 4G là việc đưa ra công nghệ HSPA và LTE ch(%phần vô tuyến và SAE cho phần mạng

CHƯƠNG II : CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT CỦA MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU

Chương này sẽ xét nguyên lý của DFTS-OFDM và SC-FDMA ứng dụng trong LTE

CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE

Chương này nghiên cứu kiến trúc phân lớp tổng quát của giao diện vô tuyến Sau đó xét cụ thể cấu trúc của các lớp của kiến trúc này như: cấu trúc và xử lý lớp điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), cấu trúc và xử lý lớp điều khiển truy nhập môi trường, cấu trúc và xử lý lớp vật lý Ngoài ra chương này cũng xét một số vấn đề đặc thù của giao diện vô tuyến như: HARQ, các trạng thái LTE và cấu trúc luồng số liệu của LTE

ABSTRACTS CHAPTER I: OVERVIEW OF DEVELOPMENT OF 3G AND UP 4G roadmap

This chapter will present the research roadmap for developing 3G and 4G is being developed in 3GPP is conducting intemational organizations responsible for developing standards issued by the UMTS UTRA (WCDMA and TD-SDMA) Process research and development of advanced 3G UMTS up gradually into a4G technology is making HSPA and LTE and SAE for the wireless networkshare

CHAPTER II: THE TECHNOLOGY CRITICAL NEXT-GENERATION MOBILE NETWORK

This chapter will review the principles of the DFTS-OFDM and SC-FDMA ỉn LTE applications

CHAPTER III: ARCHITECTURE LTE RADIO INTEFACE

This chapter studies the general layered architecture of the radio interface Then consider the specilic structure of the layers of this architecture, such as class structure and handling the radio link control (RLC) layer structure and handle access controsl environment, structure and handling physical layer In additiọn, this chapter also reviews a number of specific issues of radio interface such as HARQ, LTE status and data flow structure of LTE

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

TÓM TẤT ĐỒ ÁN

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ

TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G 1

1.1 Mở đầu 1

1.2 Quá trình tiêu chuẩn hoá WCDMA/ HSPA trong 3GPP 1

1.2.1 3GPP 1

1.2.2.Chuẩn hoá HSDPA trong 3GPP 3

1.2.3.Chuẩn hoá HSUPA trong 3GPP 5

1.3.Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE 7

1.4 IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G 8

1.5.Tổng quan LTE 11

1.5.1 Tốc độ Số liệu đỉnh 11

1.5.2.Trễ mặt phẳng C và mặt phẳng U 12

1.5.3 Thông lượng số liệu 13

1.5.5 Hỗ trợ di động 15

1.5.6 Vùng phủ 15

l.5.7 MBMS tăng cường 16

1.5.8 Triển khai phổ tần 16

1.5.9 Đồng tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT 17

1.5.10 Các vấn đề về mức độ phức tạp 18

1.6 Kiến trúc mô hình LTE 18

1.7 Tổng kết 21

CHƯƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHÓT CỦA MẠNG DI

ĐỘNG THẾ HỆ SÁU 22

2.1 Mở đầu 22

2.2 Tóm tắt nguyên lý OFDM 22

2.2.1 Máy phát 24

2.2.2 Máy thu 28

2.4 Mã hoá kênh và phân tập tần số bằng OFDM 33

2.5 Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở 35

2.5.1 Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM 35

2.5.2 Số lượng các sóng mang con 36

2.5.3 Độ dài CP 36

2.6 Ảnh hưởng của thay đổi mức công suất tức thời 37

2.7 Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập 38

2.8 Phát quảng bá và đa phương trong nhiều ô và OFDM 40

2.9 Tổng quan SC-FDMA 43

CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE 46

3.1 Các mục tiêu thiết kế LTE 46

3.1.1 Các khả năng 46

3.1.2 Hiệu năng hệ thống 47

3.1.3 Các khía cạnh liên quan đến triển khai 48

3.1.4 Kiến trúc và chuyển dịch 51

3.1.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến 52

3.1.6 Mức độ phức tạp 52

3.1.7 Các khía cạnh chung 52

3.2 Truy nhập vô tuyến LTE 53

3.2.1 Các sơ đồ truyền dẫn 53

3.2.2 Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ 54

3.2.3 HARQ với kết hợp mềm 58

3.2.4 Hỗ trợ đa anten 58

3.2.5 Hỗ trợ quảng bá và đa phương 59

3.2.6 Linh hoạt phổ 60

3.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến 62

3.3.1 Kiến trúc giao thức LTE 62

3.3.3 Điều khiển truy nhập môi trường, MAC 66

3.3.4 Lớp vật lý 76

3.3.5 Các trạng thái của LTE 79

3.3.6 Luồng số liệu 80

KẾT LUẬN CHUNG 82

TÀI LIÊU THAM KHẢO 83

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Mục tiêu của 4G 9Bảng 1.2 So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phể tần giữa LTE trên

đường xuống và HSDPA 14Bảng 1.3 So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE

trên đường lên và HSUPA 15Bảng 3.1 Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất

sử dụng phổ tần 47 Bảng 3.2 Các yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA 49

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Lộ trình đưa ra các phát hành trong 3GPP 1

Hình 1.2 Cấu trúc 3GPP 2

Hình 1.3 Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA 5

Hình 1.4 Các kĩ thuật được lựa chọn chọ danh mục nghiên cứu HSUPA 6

Hình 1.5 Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN 7

Hình 1.6 Tổ chức của nhóm điều phối đề án 3GPP 8

Hình 1.7 Quá trình phát triển các công nghệ thống tin di động 4G 11

Hình 1.8 Thí dụ về chuyển đỗi trạng thái trong kiến trúc E-UTRAN 12

Hình 1.9 Trễ mặt phẳng U 13

Hình 1.10 Kiến trúc mô hình BI của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng 18

Hình 1.11 Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt 19

Hình 1.12 Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822 20

Hình 2.1 Kí hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM 23

Hình 2.2 Sơ đồ khối phát thu của hệ thống OFDM 24

Hình 2.3 Giải thích ý nghĩa chèn CP 27

Hình 2.4 Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM trong không gian hai chiều (tần số - thời gian) 31

Hình 2.5 Mô hình OFDM trong miền tần số 31

Hình 2.6: Mộ hình kênh phát thu OFDM miền tần số với bộ cân bằng một nhánh 32

Hình 2.7 Các ký hiệu tham khảo trên trục thời gian tần số 33

Hình 2.8 Giải thích vai trò của mã hoá kênh trong OFDM 34

Hình 2.9 Phổ của tín hiệu OFDM cơ sở 5MHz 36

Hình 2.10 OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập: a) đường

xuống, b) đường lên 38

Hình 2.11 Ghép kênh người sử dụng/OFDMA phân bố 39

Hình 2.12 Điều khiển định thời phát đường lên 40

Hình 2.13 Phát quảng bá đa ô, đơn ô và phát đơn phương 41

Hình 2.14 Tương đương giữa phát quảng bá đa ô được đồng bộ và truyền dẫn đa đường 42

Hình 2.15 SC-FDMA trên cơ sở DFTS-OFDM 44

Hình 2.16 Các phương pháp ấn định sóng mang con cho nhiều người sử dụng 45

Hình 2.17 Sơ đồ sắp xếp 45

Hình 3.1 Cấp phát phổ băng “lõi” IMT-2000 tại 2Ghz 50

Hình 3.2 Thí dụ về quá trình dịch chuyển từng bước của LTE vào vụng phể của GSM hiện đã triển khai 50

Hình 3.3 Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và miền tần số 56

Hình 3.4 Thí dụ về điều phổi nhiễu giữa các ô, trong đó một số phần phổ bị hạn chế công suất 57

Hình 3.5 FDD và TDD 60

Hình 3.6 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 63

Hình 3.7 Phân đoạn và móc nối RLC 65

Hình 3.8 Thí dụ về sắp xếp các kềnh logic lên các kênh truyền tải 68

Hình 3.9 Chọn khuôn dạng truyền tải trên đường xuống (trái), trên đường lên (phải) 72

Hình 3.10 Giao thức HARQ đồng bộ và khồng đồng bộ 74

Hình 3.11 Nhiều xử lý HARQ 75

Hình 3.12 Mô tả đơn giản cấu trúc và xử lý lớp vật lý cho DL-SCH 77

Hình 3.13 Xử lý lóp vật lý ở dạng được đơn giản hóa cho UL-SCH 78

Hình 3.14 Các trạng thái của LTE 79

Hình 3.15 Thí dụ về luồng số liệu 81

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng

AMC Adaptive Modulation and

ARQ Automatic Repeat- reQuest Yêu cầu phát lại tự động

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gôc

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

CPC Continuous Packet Connectivity Kết nối gói liên tục

CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DCH Dedicated Channel Kênh riêng

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DPCCH Dedicated Physical Control

DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data

DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuông

DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục

EDGE Enhanced Data for GSM

Evolution

Phát triển tăng cường số liệu cho GSM

E-DCH Enhanced Dedicate Channel Kênh riêng tăng cường

E-DCCH Enhanced Dedicate Control

E-DDCH Enhanced Dedicate Data

UMTS phát triển ErtPS Extended Real Time Packet

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Biên đôi Fourier nhanh

GERAN GSM EDGE Radio Access

Network

Mạng truy nhập vô tuyên GSMEDGE

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyên nói chung GPS Global Positionning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System For Mobile

Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu HARQ Hybrid Automatic Repeat

request

Yêu cầu phát lại tự độíig linh hoạt

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường ọhú HSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy nhập gói đường xuông tốc

độ cao HSPA High-Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Server thuê bao nhà

HSUPA High-Speed ưplink Packet

Access

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

IDFT Ịnverse Discrete Fourier

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP IMT-2000 International Mobile

Telecommunications 2000 Thông tin di động quốc tế 2000

IRC Interferrence Rejection Combining Kêt hợp loại nhiêu

ISDN Intergrated Services Digital

Liên đoàn viên thông quôc tê bộ phận vô tuyến

Iu Giao diện để thông tin giữa

RNC và mạng lõi Iub Giao diện được sử dụng để

thông tin giữa nút B và RNC Iur Giao diện được sử dụng để

thông tin giữa các RNC

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MAC Mediụm Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MBMS Multimedia Broadcast Multicast

MCE MBMS Coordination Entity Thực thể điều phối MBMS MCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển đa phương MICH MBMS Indicator Channel Kênh chỉ thị MBMS

MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu váo nhiều đẩu ra MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhãn tin đa phương tiện MMSE Minimum Mean Square Error Sai sô bình phương trung bình

cực tiểu MRC Maximum Ratio Combining Kêt hợp tỉ lệ cực đại

MSC Mobile Services Switching

Center

Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động MSCH MBMS Scheduling Channel Kênh lập biểu MBMS

nrTPS Non-Real-Time Polling Service Dịch vụ thăm dò phi thời gian

thực OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Access số trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ sô công suât đỉnh trên công

suất trung bình PAR Peak to Average Ratio Tỷ số đỉnh trên trung bình

PDCCH Physical Dedicate Control

PDCP Packet-Data Convergence

PDSCH Physical Dovralink Shared

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

QAM Quadrature Amplitude

RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyên

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Địều khiển kết nối vô ttiyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyển RRC Rádio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyển RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyên

RSN Retransmission Sequence

RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực

rtPS Real Time Polling Service Dịch vụ thăm dò thời gian thực

RV Redundancy Version Phiên bản dư

SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc mạng

SC-FDMA Single Carrier- Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số đơn sóng mang SCH Synchronization Channel Kênh đông bộ

SDMA Spatial Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo không gian

SFBC Space Frequency Block Code Mã khối không gian tần số SFN Single Frequency Network Mạng tần số đon

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hô trợ GPRS phục vụ

SIC Sucessive Interference

SIM Subscriber Identiíy Module Modun nhận dạng thuê bao SINR Signal to Interference plus

Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp

âm SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngán

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SRNS Serving Radio Network

STBC Space Time Block Code Mã khôi không gian thời gian

STTD Space Time Transmit Diversity Phân tập phát không gian thời

gian TCP Transmission Control Protocol Giao thức điểu khiển truyền dẫn TD-CDMA Time Division-Code Division

gian

TD-

SCDMA

Time Division-Synhcronous Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng bộ-Phân chia theo thời gian

TFC Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tải

TS Technical Specication Đặc tả kĩ thuật

TSG Technical Specication Group Nhóm đặc tả kĩ thuật

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát

UMTS Universal Mobile

UMTS

ưu Giao diện được sử dụng để

thông tin giữa nút B và UE WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội vùng không dây

X2 Giao diện giữa các eNodeB

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G

VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G 1.1 Mở đầu

Trong chương này ta sê trình bày các hoạt động nghiên cứu phát triển 3G và lộ trình phát triển lên 4G đang được tiến hành trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách nhiệm cho việc phát triển các tiêu chuẩn được phát hạnh của UMTS UTRA (WCDMA và TD-SDMA) Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G và tiến dần lên 4G là việc đưa ra công nghệ HSPA và LTE cho phàn vô tuyến và SAE cho phần mạng

Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới 3GPP đã tiến hành nghiên cứu để cải thiện hiệu năng của UMTS bằng việc đưa ra các phát hành R5, R6 và R7 với các tính năng như HSDPA, HSUPA và MBMS 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 nhàm giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận cao và cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ Để đạt được mục tiêu nậy cần đưa ra một công nghệ vô tuyến tiềm năng mới cho phép nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trệ Ngoài ra cũng cần nghiên cứu để giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lí tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ dàng triển khai và khai thác hệ thống

1.2 Quá trình tiêu chuẩn hoá WCDMA/ HSPA trong 3GPP

1.2.1 3GPP

3GPP được giao trách nhiệm tiến hành công tác chuẩn hoá HSPA Trước đó tổ chức quốc tế này đã được giao nhiệm vụ tiêu chuẩn hoá WCDMA Hoạt động tiêu chuẩn hoá cho WCDMA/HSPA của tổ chức này từ năm 1999 đến năm 2006 được tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình 1.1

Phát hành

5 (R5), 03/02

B Phát hành 6

(R6), 12/04

Phát hành

7 (R7), 09/06

Hình 1.1 Lộ trình đưa ra các phát hành trong 3GPP

Mốc phát triển đầu tiên cho WCDMA đã đạt được vào cuối năm 1999 khi phát hành R3 được công bố chứa đựng toàn bộ các đặc tả WCDMA Phát hành R4 được đưa ra sau đó vào năm 2001 Tiếp theo là R5 được đưa ra vào năm 2002 và R6 vào năm 2004 Phát hành R7 được đưa ra vào nửa cuối năm 2007 3GPP lúc đầu có bốn nhóm đặc tả kĩ thuật(TSG) khác nhau và sau đó là năm nhóm chuyển từ các hoạt động GSM/EDGE vào 3GPP Sau khi cơ cấu lại vào năm 2005, quay lại còn 4 nhóm TSG (hình 1.2) sau đây:

TSG RAN (Radio Access Network : mạng truy nhập vô tuyến) TSG RAN tập trung lên giao diện vô tuyến và các giao diện bên trong giữa các trạm thu phát gốc (BTS)/các bộ điều khiển trạm gốc (RNC) cũng như giao diện giữa RNC và mạng lõi TSG RAN chịu trách nhiệm cho các tiêu chuẩn HSDPA và HSUPA

TSG CT (lõi và các đầu cuối) TSG CT tập chung lên các vấn đề mạng lõi cũng như báo hiệu giữa mạng lõi và các đầu cuối

TSG SA (dịch vụ và kiến trúc hệ thống) TSG SA tập chung lên các dịch vụ

TSG RAN WG1: Chịu trách nhiệm cho các khía cạnh về lớp vật lý

TSG RAN WG2: Chịu trách nhiệm cho các khía cạnh lớp 2 và lớp 3

TSG WG3: Chịu trách nhiệm cho các giao diện bên trong RAN

TSG RAN WG4: Chịu trách cho các yêu cầu về hiệu năng và vô tuyến

TSG RAN WG5: Chịu trách nhiệm cho kiểm tra đầu cuối

Các thành viên của 3GPP gồm các đối tác có tổ chức Các hãng cá nhân phải là thành viên của một trong các đối tác có tổ chức và dựa trên tổ chức này họ có quyền tham ra vào hoạt động của 3GPP Dưới đây là các đối tác có tổ chức hiện nay:

Liên minh các giải pháp công nghệ viễn thông (ATIS) từ Mỹ

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI)

Liên hiệp các tiêu chuẩn thông tin Trung Quốc (CCSA)

Liên hiệp giới công nghiệp và kinh doanh vô tuyến (ARIB)

Uỷ ban cộng nghệ viễn thông (TTC)

Liên hiệp công nghệ viễn thông (TTA)

3GPP tạo lập nội dung kĩ thuật của các đặc tả, nhưng chính các đối tác có tổ chức sẽ công bố công việc này Điều này cho phép có được các tập đặc tả giống nhau tại tất cả các vùng trên thế giới và vì thế đảm bảo phổ biến trên tất cả các lục địa Ngoài các đối tác có tổ chức, còn có các đối tác được gọi là đại diện thị trường như UMTS Forum, là bộ phận của 3GPP

1.2.2 Chuẩn hoá HSDPA trong 3GPP

Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được đưa vào kế hoạch nghiên cứu Trong năm 2000, khi thực hiện hiệu chỉnh WCDMA và nghiên cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần có một số cải thiện cho truy nhập gói Để cho phép phát triển này, nghiên cứu khả thi cho HSDPA được khởi đầu vào tháng 3 năm 2000 Nghiên cứu này được bắt đầu theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất bốn hãng ủng hộ) Các hãng đầu tiên ủng hộ nghiên cứu HSDPA gồm Motorola và Nokia thuộc phía các nhà bán máy và BT/Cellnet, T- Mobile và NTTDoCoMo thuộc phía các nhà khai thác

Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên hợp đoàn thể TSG RAN và kết luận rằng các giải pháp được nghiên cứu cho thấy có lợi Trong danh mục nghiên cứu

HSDPA này có các vấn đề được nghiên cứu để cải thiện truyền dẫn số liệu gói đường xuống so với các đặc tả R3 Các chuyên đề như phát lại lớp vật lý và lập biểu dựa trên BTS đã được nghiên cứu cùng với mã hoá và điều chế thích ứng Nghiên cứu cũng bao hàm cả một số nghiên cứu về công nghệ phát thu nhiều anten dưới tiêu đề “Nhiều đầu vào nhiều đầu ra” (MIMO) cùng với chọn ô nhanh (FCS)

Vì nghiên cứu khả thi cho thấy có thể đạt được cải thiện đáng kể với mức độ phức tạp hợp lý, nên rõ dàng là cần tiếp tục danh mục nghiên cứu thực tế để phát triển các đặc tả Sau khi danh mục công tác này đã được thiết lập, phạm vi công tác này vẫn tuân theo danh mục nghiên cứu nhưng MIMQ được lấy ra thành một danh mục nghiên cứu riêng và nghiên cứu khả thi FCS cũng được bắt đầu độc lập Danh mục nghiên cứu HSDPA được nhiều nhà bán máy ủng hộ hơn và danh mục nghiên cứu thực tế này đã nhận được sự ủng hộ từ các nhà bán máy lớn như Motorola, Nokia và Ericsson Trong quá trình nghiên cứu, tất nhiên con số các hãng đóng góp kĩ thuật cho quá trình này còn lớn hơn nhiều Một năm sau, đặc tả HSDPA R5 được phát hành Tất nhiên vẫn còn có các hiệu chỉnh cho HSDPA, những chức năng lối đã có trong các đặc tả vật lí Nghiên cứu một phần bị chậm lại

do các hoạt động hiệu chỉnh song cần thiết cho các đầu cuối và mạng R3 đang được triển khai Nhất là đối với các khía cạnh giao thức, các kiểm tra kĩ lưỡng được thực hiện để phát hiện các chi tiết cần hiệu chỉnh và làm rõ nghĩa các đặc tả và đây là trường hợp đối với các thiết bị R3 trước khi bắt đầu các hoạt động thương mại tại Châu Âu vào nửa cuối năm 2002 Nghiên cứu các bộ phận của giao thức HSDPA chiếm nhiều thời gian nhất, trong đó nghiên cứu tương thích ngược được bắt đầu vào tháng 3 năm 2004

Trong sổ các chuyên đề khác liên quan đến HSDPA, danh mục nghiên cứu MIMO không hoàn thành trong trương trình khung thời gian của R5 và R6 Người

ta vẫn tranh luận xem có xứng đáng đưa nó vào hệ thống hay không và đây là chuyên đề nằm trong danh sách các chuyên đề của R7 Nghiên cứu khả thi đối với FCS đã kết luận rằng lợi ích nhận được từ nó không đặng kể so với sự tăng thêm độ phức tạp vì thệ sau khi nghiên cứu này khép lại không có danh mục nghiên cứu nào được đưa ra cho FCS Trong khi tập trung lên FDD (Ghép song công phân chia theo

tần số), TDD (Ghép song công phân chia theo thời gian) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA kể cả các giải pháp tương tự trong cả hai chế độ TDD băng hẹp và băng rộng

1.2.3. Chuẩn hoá HSUPA trong 3GPP

Mặc dù HSUPA là thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trên thị trường, trong quá trình chuẩn hoá HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới cái tên “kênh riêng đường lên tăng cường” (E-DCH : Enhanced Ưplink Dedicated Channel) Nghiên cứu được tiến hành trong giai đoạn hiệu chỉnh HSDPA và được bắt đầu bằng danh mục nghiên cửu về “ tăng cường đường lên cho các kênh truyền tải” vào tháng 9 năm 2002 Từ phía các nhà bán máy, Motorola, Nokia, và Ericsson là các hãng ủng

hộ khởi xướng nghiên cứu cho vấn đề này trong 3GPP

Các kỹ thuật được nghiên cứu cho HSUPA (E-DCH) bao gồm (xem hình 1.3):

HARQ lớp vật lý nhanh cho đường lên

Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B

Độ dài thời gian truyền dẫn (TTI) đường lên ngắn hơn

Thiết lập TTI nhanh

Hình 1.3 Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA

Sau một thời gian nghiên cứu dài và chi tiết báo cáo kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ các lợi ích của các kĩ thuật được nghiên cửu Báo cáo cho thấy rằng không

có lợi ích tiềm năng khi sử dụng điều chế bậc cao cho đường lên vì thế điều chế thích ứng đã không được đưa vào danh mục nghiên cứu thực tế

Danh mục nghiên cứu này được kết thúc vào tháng 3 năm 2004 với khuyến nghị việc bắt đầu danh mục nghiên cứu trong 3GPP để đặc tả HARQ lớp vật lý nhanh và cơ chế lập biểu dựa trên nút B cho đường lên cũng như độ dài TTI ngắn hơn Ngoài ra cơ chế thiết lập các kênh DCH nhanh hơn không được đưa vào khuyến nghị, nhưng các vẩn đề này đã được đề cập trong các danh mục nghiên cứu khác đối với phát hành 3GPP R6 dựa trên các kết quả nhận được trong giai đoạn danh mục nghiên cứu này Hình 1.4 cho thấy các kĩ thuật được chọn cho danh mục nghiên cửu HSUPA

Hình 1.4 Các kĩ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA

3GPP bắt đầu danh mục nghiên cứu “đường lên tăng cường FDD” để đặc tả các

tính năng của HSUPA theo khuyến nghị của báo cáo Trong thời gian này nghiên cứu TDD chưa được tiến hành, nhưng nó sẽ được nghiên cứu trong kế hoạch R7

Do nghiên cứu nền tảng chi tiết và tốt đã được thực hiện trong thời gian nghiên cứu 18 tháng, cũng như không còn bận với công tác hiệu chỉnh các phát hành trước, các đặc tả được tiến triển nhanh và phiên bản tính năng đầu tiên đã được đưa ra cho các đặc tả lõi vào tháng 12 năm 2004 Phiên bản này vẫn chưa phải

là phiên bản hoàn thiện cuối cùng, nhưng nó chứa các chức năng then chốt và trên

cơ sở các chức năng này có thể tiếp tục tiến hành nghiên cứu hiệu chỉnh và hoàn thiện chi tiết

Tháng 3 năm 2005, danh mục nghiên cứu này đã chính thức được hoàn thiện cho các đặc tả chức năng, nghĩa là đã có thể chuyển sang hiệu chỉnh tính năng này Trong các tháng còn lại của năm 2005 các vấn đề để mở cũng như các yêu cầu hiệu năng đã được hoàn thiện

1.3 Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE

Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các E-UTRAN TSG Trong các cuộc hợp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kĩ thuật là được tán thành Thậm chí trong các cuộc hợp sau các vấn đề này vẫn được xem xét lại 3GPP

đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhóm nghiên cứu TSG RAN Lộ trình phát triển của LTE gắn liền với lộ trình phát triển của 3GPP

Các vấn đề nghiên cứu được thực hiện trong hai TSG :

1 TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến

2 TSG SA: Nghiên cứu kiến trúc mạng

Kế hoạch nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được cho trên hình 1.5

Hình 1.5 Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN

Quá trình nghiên cứu được tiến hành trong các nhóm TSG 3GPP LTE/SAE dưới sự điều hành của PCG (Project Coordination Group: nhóm điều phổi đề án 3GPP) được cho trên hình 1.6

Hình 1.6 Tổ chức của nhóm điều phối đề án 3GPP

Như trên hình 1.6 ta thấy PCG điều hành bốn nhóm TSG sau : (1) SA (dịch vụ

và hệ thống), (2) CT(mạng lõi và đầu cuối), (3) GERAN (mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE), (4) RAN (mạng truy nhập vô tuyến)

1.4 IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G

Trong ITƯ, nhóm công tác 8F(ITU-R WP 8F) đang tiến hành nghiên cứu các

hệ thống tiếp sau IMT-2000 Bảng 1.1 Cho thấy mục tiêu của 4G

Bảng 1.1 Mục tiêu của 4G

Tốc độ số liệu 100Mbps cho vùng rộng, 1Gbps cho vùng hẹp

Thông tin Rộng khắp, di động, liên tục

Trễ

Thấp hơn 3G

Giá thành trên một bit 1/10-1/100 thấp hơn 3G

Giá thành cơ sở hạ tầng Thấp hơn 3G (khoảng 1/10)

ITU-R WP 8F tuyên bổ rằng cần có các công nghệ vô tuyến di động mới cho các khả năng cao hơn IMT-2000, tuy nhiên vẫn chưa chỉ rõ công nghệ nào Thuật ngữ IMT-Adv cũng sẽ có các bước phát triển giống như IMT-2000 và chứa các khả năng của các hệ thống trước đó Quá trình định nghĩa IMT-Adv còn đang được khởi thảo trong WP8F và sẽ hoàn toàn giống như quá trình nghiên cứu các khuyến nghị cho IMT-2000 Nó sẽ dựa trên tập các yêu cầu kĩ thuật tối thiểu và các tiêu chí đánh giá và khởi đầu bằng việc mời tất cả các thành viên ITU và các tổ chức khác Các công nghệ được đề cử sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí đã thoả thuận Việc đánh giá sẽ được tiến hành cùng với sự cộng tác của các tổ chức bên ngoài ITU như các tổ chức nghiên cứu tiêu chuẩn Vì quá trình này cần sự đồng thuận nên một số công nghệ có thể áp dụng cho IMT-Adv không thể xác đỉnh trước Nó phải là sự cân đối giữa: tính kinh tế khi mở rộng, hỗ trợ các môi trường của người sử dụng khác nhau và khả năng của các công nghệ khác nhau Ngoài ra khả năng sử dụng máy đầu cuối trên toàn cầu cũng sẽ là một tiêu chí quan trọng

Một hoạt động chính trong ITU-R nữa liên quan đến IMT-2000 Adv là vấn đề xác định phổ tần sử dụng Điều này sẽ được tiến hành trong WRC’07(Hội nghị vô tuyến thế giới)

Trong giới nghiên cứu, một số đề án nghiên cứu đang được tiến hành trong IMT-2000 Avd và thế hệ sau của truy nhập vô tuyến Chẳng hạn đề án Winner

được hỗ trợ một phần kinh tế từ liên minh Châu Âu là đề án dành cho nghiên cứu

về vấn đề này Khái niệm Winner có rất nhiều các phần tử gần với LTE Tuy nhiên Winner đặt mục tiêu cho tốc độ số liệu cao hơn và vì thế được thiết kế cho băng thông rộng hơn 20 Mhz Một điểm khác nữa là Winner sẽ sử dụng các chế độ chuyển tiếp và đa chặng

Một đề án khác giống như đề án của Châu Âu nói trên là đề án “Tương lai” của Trung Quốc tập trung lên đề xuất giao diện vô tuyến cho IMT-Adv Tuy nhiên lựa chọn các đề xuất cuối cùng cho IMT-Adv sẽ là các tổ chức phát triển tiêu chuẩn như : ETSI, ARIB, CWTS, Cơ quan tiêu chuẩn toàn cầu như 3GPP tất nhiên sẽ có vai trò quan trọng trong vấn đề hài hoà các đề xuất từ các tổ chức tiêu chuẩn cũng như từ các vùng khác nhau

Mặc dù 3GPP hiện nay chưa tiến hành nghiên cứu trực tiếp IMT-2000 Adv, tuy nhiên 3GPP sẽ đề xuất lên ITU-R IEEE 802.16 (Wimax) cũng đang hoàn thiện khái niệm của mình và hướng đến đề xuất cho IMT-Adv trong 802.16m Tương tự 3GPP2 cũng đang tiến tới đề xuất cho IMT-Adv

LTE là một trong số các con đường tiến tới 4G LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT Adv LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu của 4G sau đó sang IMT Adv Chuyển đổi từ từ từ LTE sang IMT Adv là chìa khoá của thành công trên thị trường Ngoài LTE của 3GPP ta cũng cần nghiên cứu các hướng chuyển đổi khác sang 4G 3GPP2 cũng đã và đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đề xuất là UMB(Ultra Mobile Band) Chương trình khung của kế hoạch này bắt đầu từ năm

2000 và theo dự kiến thì các đặc tả tiêu chuẩn sẽ được công bố vào tháng 12 năm

2007 Ngoài ra Wimax cũng có kế hoạch tiến tới 4G

Hình 1.7 Quá trình phát triển các công nghệ thống tin di động 4G

1.5.Tổng quan LTE

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ nghiên cứu LTE và SAE như sau :

1 Về phần vô tuyến (LTE)

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

Đơn giản hoá mạng vô tuyến

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

2 Về phần mạng (SAE)

Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng

Đơn giản mạng lõi

Tối ưu hoá lưu lượng IP và các dịch vụ

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

Kết quả nghiện cứu của LTE là đưa ra được chuẩn mạng truy nhập vô tuyến với tên gọi là E-UTRAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn càu tăng cường),

để đơn giản trong tài liệu này ta sẽ gọi chung là LTE Trong các phần dưới đây ta sẽ xét tổng quan kiến trúc LTE và kế hoạch nghiên cứu nó trong 3GPP

1.5.1 Tốc độ Số liệu đỉnh

LTE sẽ hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời tăng đáng kể Tốc độ này được định cỡ tuỳ theo kích thước của phổ được ấn định

LTE sẽ đảm bảo tốc độ số liệu đỉnh tức thời đường xuống lên đến 100 Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20Mhz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnh đường lên

50 Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20Mhz (2.5bps/Hz) Băng thông LTE được cấp phật linh hoạt từ 1.25Mhz lên đến 20Mhz (Gấp bốn lần băng thông 3G-UMTS)

Lưu ý rằng tốc độ đỉnh có thể phụ thuộc vào số lượng anten phát và anten thu tại UE 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 Trong trường hợp phổ được dùng chung cho cả đường lên và đường xuống, LTE không phải hỗ trợ tốc độ số liệu đình đường xuống và đường lên nói trên đồng thời

1.5.2 Trễ mặt phẳng C và mặt phẳng U

Cần giảm đáng kể trễ mặt phẳng điều khiển (mặt phẳng C) (chẳng hạn bao gồm trễ chuyển đổi từ trạng thái rỗi sang trạng thái trao đổi số liệu không kể trễ tìm gọi là 100ms), (hình 1.8)

Hình 1.8 Thí dụ về chuyển đỗi trạng thái trong kiến trúc E-UTRAN

LTE phải có thời gian chuyển đổi trạng thái nhỏ hơn lOOms (như trong chế

độ rỗi R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell DCH) Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms tò trạng thái ngủ (như trong R6 Celi PCH) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell DCH)

Cần đảm bảo trễ trong mặt phẳng u nhỏ hơn 10ms Trễ mặt phẳng u được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong UE (hoặc nút biên của UTRAN) đến lớp IP trong nút biên của UTRAN (hoặc UE) Nút biên của UTRAN là nút giao diện UTRAN với mạng lõi Chuẩn phải đảm bảo trễ mặt phẳng u của LTE nhỏ hơn 5ms (hình 1.9) trong điều kiện không tải (nghĩa là một người sử dụng với một luồng

số liệu) đổi với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề)ẽ Rõ ràng rằng các chế độ ấn định băng thông của LTE có thể ảnh hưởng đáng kể lên trễ

eNodeB: Nút B có thêm các tỉnh chức năng bổ xung so với nút B của WCDMA/HSPA

Hình 1.9 Trễ mặt phẳng U

1.5.3 Thông lượng số liệu

Thông lượng đường xuống trong LTE sẽ gấp ba đến bốn lần thông lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một Mhz Cần lưu ý rằng thông lượng HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại nút B với tính năng tăng cường và một máy thu trong UE; trong khi đó LTE sử dụng cực đại hai anten tại nút B và hai anten tại UE Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng khi băng thông cấp phát tăng , thông lượng cũng phải tăng

Mặt khác thông lượng đường lên trong LTE cũng gấp hai đến ba lần thông lượng đường lên trong R6 HSUPA tính trung bình trên một Mhz Trong đó giả thiết rằng R6 HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu tại nút B; còn đường lên trong LTE sử dụng cực đại hai anten phát tại UE và hai anten thu tại nút B

1.5.4 Hiệu suất phổ tần

LTE phải đảm bảo tăng đáng kể hiệu suất phổ tần và tăng tốc độ bit tại biên ô trong khi vẫn đảm bảo duy tri các vị trí đặt trạm hiện có của UTRAN và EDGE

Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của LTE phải gấp 3 đến 4 lần R6 HSDPA tính theo bits/Hz/trạm Trong đó giả thiết rằng R6 HSUPA sử dụng một anten tại nút B và một máy thu, còn LTE sử dụng 2 anten tại nút B và một anten tại UE

Hiệu suất phổ tần kênh đường lên trong E-UTRAN phải gấp ba đến bốn R6 HSUPA tính theo bit/s/Hz/trạm với giả thiết HSUPA sử dụng hai anten tại nút B và một anten tại UE còn LTE sử dụng hai anten tại nút B và hai anten tại UE

Cần lưu ý tằng sự khác biệt về hiệu suất phổ tần trên đường xuống và đường lên là do môi trường khai thác khác nhau giữa đường xuống và đường lên Thông thường đường lên rất nhạy cảm với giảm cấp kênh như nhiễu đa đường, vì thế giá thành để đảm bảo hiệu quả tách sóng trong đường lên cao hơn đường xuống

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

có thể cả 15 Mhz Cũng cần xem xét cả việc định cỡ băng thông 1,25 hay 2,5 Mhz

để triển khai trong các vùng băng thông được cấp phát hẹp

Bảng 1.2 và 1.3 cho thấy so sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE và HSPA trên đường xuống và đường lên

Bảng 1.2 So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE

trên đường xuống và HSDPA

Hiệu suất phổ tần

3-4 lân HSDPA/ đã đạt 2.5 Thông lượng người

2-3 lần H$DPA/ đạt

2.5

Bảng 1.3 So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa

LTE trên đường lên và HSUPA

HSUPA

Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) 0.26 0.67 2-3 lân HSUPA/ đạt 2.6

Thông lượng người sử dụng ô 0.006 0.015 2-3 lân HSUPA/ đạt 2.5

1.5.5 Hỗ trợ di động

Hiệu năng LTE cần được tối ưu hoá cho người sử dụng di động tại các tốc độ thấp từ 0 đến 15kmph Các người di động tại các tốc độ cao từ 15 đến 120 kmph cần được đảm bảo hiệu năng cao thoả mãn Cũng cần hỗ trợ di động tại các tốc độ từ 120 kmph đến 350 kmph (thậm chí đến 500 kmph phụ thuộc vào băng tần được cấp phát) Việc đảm bảo tốc độ 350kmh cần thiết để duy trì chất lượng dịch vụ chấp nhận được cho các người sử dụng cần được cung cấp dịch vụ trong các hệ thống xe lửa tốc độ cao Trong trường hợp này cần sử dụng các giải pháp và mô hình kênh đặc biệt Khi thiết lập các thông số lớp vật lý, LTE cần có khả năng duy trì kết nối tại tốc độ lên tới

350 kmph thậm chí lên đến 500kmph phụ thuộc băng tần được cấp phát

LTE cũng cần hỗ trợ các kĩ thuật cũng như các cơ chế để tối ưu hoá trễ và mất gói khi chuyển giao trong hệ thống Các dịch vụ thời gian thực như tiếng được hỗ trợ trong miền chuyển mạch kênh trước đây phải được E-UTRAN hỗ trợ trong miền chuyển mạch gói với chất lượng tối thiểu phải bằng với chất lượng được hỗ trợ bởi UTRAN (chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo) trên toàn bộ dải tốc độ Ảnh hưởng của chuyển giao trong hệ thống lên chất lượng (thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chất lượng được cung cấp trong miền chuyển mạch kênh của GERAN

1.5.6 Vùng phủ

LTE phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại các đài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có

Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phải đáp ứng các ô có bán kính 5km và với giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán kính 30km Như đã nói ở trên LTE phải hoạt động trong các băng thông 1.25 Mhz; 1.5 Mhz; 5Mhz; 10Mhz; và 20Mhz trên cả đường xuống lẫn đường lên cần đảm bảo làm việc cả chế độ đơn băng lẫn song băng

Hệ thống phải hỗ trợ truyền nội dung trên toàn thể các tài nguyên bao gồm cả các tài nguyên khả dụng đối với nhà khai thác (Radio Band Resources) trong cùng một băng tần hoặc trong các băng tần khác nhau trên cả đường lên lẫn đường xuống Hệ thống phải hỗ trợ lập biểu công suất, lập biểu thích ứng,

l.5.7 MBMS tăng cường

MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service: Dịch vụ đa phương quảng

bá đa phương tiện) được đưa vào các dịch vụ của LTE Các hệ thống LTE phải đảm bảo hỗ trợ tăng cường cho MBMS LTE phải hỗ trợ các chế độ MBMS tăng cường

so với hoạt động của UTRA Đối với trường hợp đơn phương, LTE phải có khả năng đạt được các mục tiêu chất lượng như hệ thống các hệ thống UTRA khi làm việc trên cùng một đài trạm

Hỗ trợ MBMS của LTE cần đảm bảo các yêu cầu sau : (1) tái sử dụng các phần tử vật lý : để giảm độ phức tạp đầu cuối, sử dụng các phương pháp đa truy nhập, mã hoá, điều chế cơ bản áp dụng cho đơn phương cho các dịch vụ MBMS và cũng sử dụng tập chế độ băng thông của UE cho các khai thác đơn phương cho MBMS, (2) thoại và MBMS : giải pháp LTE cho MBMS phải cho phép tích hợp đồng thời và cung cấp hiệu quả thoại dành riêng và các dịch vụ MBMS cho người

sử dụng: (3) Khai thác MBMS đơn băng : phải hỗ trợ triển khai các sóng mang LTE mang các dịch vụ MBMS trong phổ tần đơn băng

1.5.8 Triển khai phổ tần

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

1.Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm với GERAN/tJTRAN trên các kênh lân cận

2.Đồng tồn tại trên các kênh lân cận hoặc chồng lấn tại biên giới các nước

3.LTE phải có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mang khác)

4.Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyên tắc băng tần độc lập

Cần lưu ý rằng trong trường hợp các yêu cầu điều phối biên giới, các vấn đề khác như giải pháp lập biểu cần được xem xét cùng với các hoạt động khác của lớp vật lý

1.5.9 Đồng 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 thống không theo chuẩn 3GPP LTE phải đảm bảo khả năng đồng tòn tại giữa các nhà khai thác trong các băng liền kề và trên biên giới

Tất cả các đầu cuối LTE hỗ trợ khai thác UTRAN/GERAN phải 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 (công nghệ truy nhập vô tuyến) với ảnh hưởng chấp nhận được lên sự phức tạp đầu cuối và hiệu năng mạng, chẳng hạn bằng cách cung cấp cho các UE các cơ hội đo trên đường lên và đường xuống thông qua lập biểu

Vì thế vấn đề đặt ra ở đây không chỉ là việc tương thích ngược mà cả việc hỗ trợ cơ chế chuyển giao giữa các mạng 3GPP khác nhau Ngoài ra cũng cần nhạn mạnh rằng HSDPA vẫn là một giải pháp 3G từ 3GPP và nó hoàn toàn tương thích ngược với các mạng W-CDMA Tương thích ngược là hết sức cần thiết trong LTE, nhưng cũng cần xem xét cẩn thận trong mối tương quan với các tăng cường về hiệu năng và khả năng, vấn đề tương thích gặp phải ở đây cũng giống như các vấn đề tương thích đã được giải quyết giữa UTRAN và GERAN (dựa trên GSM)

Dưới đây là các yêu cầu cho tương tác mạng:

Thời gian ngắt để chuyển giao các dịch vụ thời gian thực giữa LTE và UTRAN/GERAN không được quá 300ms

Thời gian ngắt để chuyển giao các dịch vụ phi thời gian thực giữa LTE và UTRAN/GERAN không được quá 500ms

Các thiết bị đầu cuối không tích cực (chẳng hạn tại trạng thái R6 Cell PCH)

hỗ trợ UTRAN/GERAN có bổ sung thêm LTE không nhất thiết chỉ giám sát các bản tin tìm gọi từ một trong số UTRAN, GERAN và LTE

1.5.10 Các vấn đề về mức độ phức tạp

LTE phải thoả mãn hiệu năng yêu cầu Ngoài ra mức độ phức tạp cũng phải được giảm thiểu để ổn định hệ thống và tương tác với các giai đoạn trước Điều này cũng cho phép giảm giá thành thiết bị đầu cuối và UTRAN

Để giảm mức độ phức tạp trong quá trình thực hiện cả về phần cứng lẫn phần mềm, thiết kế LTE phải giảm thiểu số lượng các tuỳ chọn và đảm bảo loại bỏ các tính năng bắt buộc thừa Một vấn đề quan trọng nữa là phải giảm thiểu số lượng các trường hợp kiểm tra cần thiết, chẳng hạn giảm số lượng các trạng thái của các giao thức, giảm thiểu số lượng các thủ tục, các thông số và tính hạt

Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp của ƯE liên quan đến kích thước, trọng lượng và dung lượng acqui (chế độ chờ và chế độ tích cực) nhưng vẫn đảm bảo các dịch vụ tiên tiến của LTE

1.6 Kiến trúc mô hình LTE

Hình 1.10 Kiến trúc mô hình BI của E-UTRAN cho trường hợp

không chuyển mạng

Hình 1.11 Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức

năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt

MME: Mobility Management Entity : thực thể quản lý di động UPE: User Plane Entity: Thực thể mặt phẳng người sử dụng 3GPP Anchor: Neo 3GPP

SAE Anchor: Neo di động giữa các hệ thống truy nhập 3GPP (2G/3G/LTE) và các hệ thống truy nhập không phải 3GPP (WLAN, WiMax)

SAE: System Architecture Evolution: phát triển kiến trúc hệ thống

Hình 1.12 Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822

Trên mô hình kiến trúc l.10 các ký hiệu được sử dụng như sau: Rl, R2, R3 là tên các điểm tham khảo Gx+ ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng PCRFl(Policy and Charging Rules Function: chức năng các quy tắc tính cước và chính sách) thể hiện chức năng các quy tắc tính cước và chính sách phát triển Các đường nối và các vòng tròn không liên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mới của kiến trúc LTE

Trên mô hình kiến trúc hình 1.11 các kí hiệu được sử dụng như sau: Rh thể hiện chức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Dự kiển giao diện này sẽ tương đối tổng quát để đảm bảo các tổ hợp khác nhau của RAT Gx+ thể hiện Gx có thêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống truy nhập Wx+ ký hiệu cho Wx có thêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống Inter AS MM (quản lý di động giữa các hệ thống truy nhập) PCRF2 thể hiện chức năng quy tắc tính cước và chính 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 mới của kiến trúc E- UTRAN

Mô hình 1,12 thể hiện kiến trúc theo TR 23.882 trong đó các giao diện được đặc tả chi tiết

1.7 Tổng kết

Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G-) Các công nghệ truy nhập HSPA vẫn còn dựa trên công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA của WCDMA, tuy nhiên các công nghệ truy nhập vô tuyến của LTE sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), sẽ được xét cụ thể trong chương sau Có thể nói HSPA là hậu của 3G còn LTE là tiền 4G Trong chương này chúng ta cũng đã xét lộ trình tiến lên 4G Công nghệ truy nhập vô tuyến cho 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 Adv Hiện nay đã

có nhiều dự án và đề suất nghiên cứu để tìm công nghệ thích hợp cho 4G, tuy nhiên chưa có đề suất nào được chấp nhận vì thế chưa có chuẩn 4G Hy vọng tròng thời gian gần nhất các tổ chức quốc tể lớn như 3GPP, 3GPP2 hoặc WiMax tập trung lên nghiên cứu công nghệ cụ thể cho 4G để đạt được các tiêu chuẩn cho 4G Chương này cũng xét tổng quan quá trình xây dựng chuẩn cho HSPA và LTE cũng như các công nghệ này Nhìn chung mục tiêu của các công nghệ mới này đều nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành so với công nghệ trước đó:

Tăng tốc độ số liệu đỉnh

Tăng tốc độ bit tại biên ô

Cải thiện hiệu năng sử dụng phổ tần

Giảm trễ vòng

Sử dụng băng thông linh hoạt

Giảm chi phí đầu tư mạng

Giảm mức độ phức tạp, giá thành cũng như tiêu thụ công suất của đầu cuối

Tương thích với các phát hành trước và với các công nghệ vô tuyến khác

Tối ưu hoá cho tốc độ di động thấp đồng thời hỗ trợ tốc độ di động cao

CHƯƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHÓT CỦA

MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ SÁU 2.1 Mở đầu

Trong chương này trước hết ta sẽ xét nguyên lý OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình lớp vật lý OFDMA đường xuống của LTE OFDM đã được tiếp nhận

là sơ đồ truyền dẫn đường xuống cho LTE và cũng được sử dụng cho các công nghệ không dây băng rộng khác như Wimax và các công nghệ truyền hình quảng bá DVB Nhược điểm của điều chế OFDM và các phương pháp truyền dẫn đa sóng mang khác là sự thay đổi công suất tức thời của tín hiệu phát rất lớn dẫn đến tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR) rất lớn Điều này làm giảm hiệu suất và tăng giá thành bộ khuyếch đại công suất Nhược điểm này rất quan trọng với đường lên vì các MS phải tiêu thụ công suất thấp và có giá thành hạ Nhiều phương pháp đã được đề xuất để giảm PAPR của tín hiệu OFDM Tuy nhiên hầu hết các phương pháp này chỉ đảm bảo giảm PAPR ở mức độ không cao Ngoài ra các phương pháp này đòi hỏi tính toán phức tạp và giảm hiệu năng đường truyền Truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng là một giải pháp truyền dẫn đa sóng mang phù hợp cho đường lên nghĩa là cho máy phát của MS Tuy nhiên cần nghiên cứu xử lý mép dạng sóng tín hiệu xảy ra trong môi trường thông tin di động do phadinh chọn lọc tần số LTE sử dụng một dạng điều chế cải tiến của OFDM có tên gọi là DFTS-OFDM Đây là một công nghệ đầy hứa hẹn cho thông tin đường lên tốc độ cao trong các hệ thống thông tin di động tương lai DFTS-OFDM có hiệu quả thông lượng và mức độ phức tạp tương tự như OFDM Ưu điểm chính của DFTS- OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) thấp hơn OFDM LTE sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên với tên gọi SC-FDMA Chương này sẽ xét nguyên lý của DFTS-OFDM và SC-FDMA ứng dụng trong LTE

2.2 Tóm tắt nguyên lý OFDM

Truyền dẫn OFDM là một kiểu truyền dẫn đa sổng mang Một số đặc trưng quan trọng của OFDM:

Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp Chẳng hạn nếu một hệ thống MC- WCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20Mhz sử dụng 4 sóng mang với mỗi sóng mang có băng tần 5Mhz, thì với băng thông như vậy OFDM có thể sử dụng 2048 sóng mang với băng thông sóng mang con 15Mhz

Các sóng mang con trực giao với nhau và khoảng cách giữa hai sóng mang con liên kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang con (hình 2.1) Vì thế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDMA

a) Ký hiệu điều chế

b Sắp xếp các sóng mang con

Hình 2.1 Kí hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM

Ta ký hiệu N là tổng số các sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và

Nc là số sóng mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng Sơ đồ khối phát thu của hệ thống OFDM được cho trên hình 2.2