Giáo trình lộ trình phát triển thông tin di động 3g lên 4g tập 3 TS nguyên phạm anh dũng

IP Internet Protocol Giao thức Internet IR Incremental Redundancy Phần dư tăng IRC Interferrence Rejection Combining Kết hợp loại nhiễu ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số

NHÀ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

GD 01 HM 10

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh

nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,8 tỷ tính đến cuối năm 2008 Khởi

nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền phục vụ một số ít người di chuyển, đến

nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thế

hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ đòi hỏi

tốc độ số liệu cao kể cả các chức năng camera, MP3 và PDA Với các

dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày càng trở nên phổ biến thì nhu cầu về 3G

cũng như phát triển nó lên 4G đang càng trở nên cấp thiết Để phục vụ

nhu cầu học tập của sinh viên, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông phối hợp với Nhà xuất bản Thông tin và Truyền thông xuất bản

“Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G” do

TS Nguyễn Phạm Anh Dũng biên soạn

3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ 3 (Third Generation) Mạng 3G (Third-generation technology) là thế

hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ

liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh,

hình ảnh ) 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển

mạch kênh Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn

khác so với hệ thống 2G hiện nay Điểm mạnh của công nghệ này so với

công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh,

hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di

chuyển ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có

thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc

chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ

định vị toàn cầu (GPS); E-mail; video streaming; High-ends games;

Do khuôn khổ có hạn, giáo trình sẽ chỉ tập trung trình bày hai công

nghệ: đó là HSPA (sự phát triển tăng cường của WCDMA) và 3GPP

LTE Có thể coi công nghệ HSPA và sự phát triển tiếp theo của nó là hậu

3G còn công nghệ LTE là tiền 4G Đây là các công nghệ dự kiến sẽ rất

phát triển trong những thập niên tới Giáo trình được xây dựng trên cơ sở

sinh viên đã học môn "Đa truy nhập vô tuyến và lý thuyết trải phổ"

Vì đây là giáo trình cho môn chuyên đề đòi hỏi sinh viên phải tự đọc nên giáo trình được biên soạn chi tiết với kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự học Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, có phần tổng kết

và các câu hỏi

Giáo trình bao gồm 16 chương Chương đầu giới thiệu tổng quan về các hệ thống phát triển của 3G và lộ trình phát triển lên 4G Chương 2 đề cập đến các vấn đề liên quan đến truyền dẫn vô tuyến băng rộng Chương

3 nghiên cứu các công nghệ đa truy nhập OFDMA và SC-FDMA ứng dụng cho LTE Chương 4 trình bày một trong các kỹ thuật quan trọng của 3G phát triển và 4G là đa anten Chương 5 trình bày một số kỹ thuật then chốt của 3G phát triển và 4G là: thích ứng đường truyền, lập biểu phụ thuộc kênh và HARQ (phát lại lai ghép) Chương 6 và chương 7 trình bày nguyên lý của HSDPA và HSUPA Chương 8 đề cập đến các vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến của HSPA Chương 9 trình bày dịch

vụ VoIP trong HSPA Chương 10 trình bày một số dịch vụ tiên tiến của HSPA là MBMS - dịch vụ quảng bá, đa phương đa phương tiện và CPC - kết nối gói liên tục Chương 11 trình bày các mục tiêu LTE Chương 12 trình bày các vấn đề chung của truy nhập vô tuyến LTE và kiến trúc giao diện vô tuyến LTE Chương 13 và 14 trình bày lớp vật lý

và các thủ tục truy nhập LTE Chương 15 trình bày phát triển kiến trúc hệ thống LTE/SAE Chương 16, trình bày mô phỏng đánh giá hiệu năng HSPA, LTE và tính toán quỹ đường truyền

Ngoài ra phần Phụ lục của giáo trình, trình bày các yêu cầu đối với phần vô tuyến của máy đầu cuối HSPA và có thêm phần Thuật ngữ viết

tắt, Tài liệu tham khảo để bạn đọc tiện tra cứu

Giáo trình có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường đại học, các chuyên gia, các cán bộ quản lý và kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song quá trình biên soạn sẽ khó tránh khỏi thiếu sót, Học viện rất mong nhận được ý kiến góp ý của các bạn đồng nghiệp và bạn đọc gần xa

Xin trân trọng cảm ơn!

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Lời nói đầu 5

Chương 11 Các mục tiêu thiết kế LTE và SAE 419

11.1 Các mục tiêu thiết kế LTE 420

11.2 Các mục tiêu thiết kế SAE 430

11.3 Tổng kết 434

11.4 Câu hỏi 435

Chương 12 Truy nhập vô tuyến và kiến trúc giao diện vô tuyến LTE 437

12.1.Tổng quan truy nhập vô tuyến LTE 438

12.2 Kiến trúc giao thức LTE 449

12.3 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) 451

12.4 Điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 453

12.5 Lớp vật lý (PHY) 465

12.6 Các trạng thái LTE 468

12.7 Luồng số liệu 470

12.8 Tổng kết 471

12.9 Câu hỏi 472

Chương 13 Lớp vật lý LTE 473

13.1 Cấu trúc tổng thể miền thời gian 473

13.2 Sơ đồ truyền dẫn đường xuống 476

13.3 Sơ đồ truyền dẫn đường lên 502

13.4 Tổng kết 521

13.5 Câu hỏi 522

14.2 Truy nhập ngẫu nhiên 529

14.3 Tìm gọi 539

14.4 Tổng kết 540

14.5 Câu hỏi 541

Chương 15 Phát triển kiến trúc hệ thống, SAE 543

15.1 Phân chia chức năng giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi 544

15.2 Mạng truy nhập vô tuyến HSPA/WCDMA và LTE 548

15.3 Kiến trúc mạng lõi 558

15.4 Tổng kết 568

15.5 Câu hỏi 568

Chương 16 Hiệu năng và quỹ đường truyền của HSPA và LTE 571

16.1 Đánh giá hiệu năng 571

16.2 Đánh giá hiệu năng của phát triển 3G và LTE dựa trên mô phỏng tĩnh 573

16.3 Đánh giá LTE trong 3GPP dựa trên mô phỏng động 588

16.4 Quỹ đường truyền HSPA 593

16.5 Quỹ đường truyền LTE 598

16.6 Tổng kết 602

16.7 Câu hỏi 602

Phụ lục 605

Thuật ngữ viết tắt 623

Tài liệu tham khảo 633

2G Second Generation Thế hệ thứ hai

3GPP 3 rd Generation Partnership Project Đề án các đối tác thế hệ thứ ba 3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 Đề án đối tác thế hệ thứ ba - 2 AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio Tỷ số rò kênh lân cận

AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế thích ứng AMR Adaptive MultiRate Đa tốc độ thích ứng

ARQ Automatic Repeat-reQuest Yêu cầu phát lại tự động AWGN Additive Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BES Best Effort Service Dịch vụ nỗ lực nhất

BM-SC Broadcast/Multicast Service Center Trung tâm dịch vụ quảng bá/đa

phương BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa chuyển pha hai trạng thái

CAZAC Constant Amplitude Zero

Auto-Correlation

Tự tương quan bằng không biên

độ không đổi

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

CTC Convolutional Turbo Code Mã hóa Turbo xoắn

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng

DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng

DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục

DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục

E-AGCH Enhanced Absolute Grant Channel Kênh cho phép tuyệt đối

tăng cường E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng tăng cường

E-DPCCH Enhanced Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng tăng cường E-DPDCH Enhanced Dedicated Data Channel Kênh số liệu riêng tăng cường

EPC Evolved Packet Core Lõi gói phát triển

E-RGCH Enhanced Relative Grant Channel Kênh cho phép tương đối

tăng cường E-UTRA Evolved UTRA Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

phát triển ErtPS Extended Real Time Packet Service Dịch vụ gói thời gian thực mở

rộng E-TFC E-DCH Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tải

E-DCH E-TFCI E-DCH Transport Format Combination

Index

Chỉ số kết hợp khuôn dạng truyền tải E-DCH

thời gian FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo

tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

tần số F-DPCH Fractional DPCH DPCH một phần (phân đoạn) FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

EDGE GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng

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

GSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động lai ghép

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống

tốc độ cao HS-DPCCH High-Speed Dedicated Physical Control

Channel

Kênh chia sẻ riêng vật lý tốc độ cao

HSS Home Subscriber Server Server thuê bao nhà

HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel Kênh điều khiển chia sẻ

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

tốc độ cao IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IR Incremental Redundancy Phần dư tăng

IRC Interferrence Rejection Combining Kết hợp loại nhiễu

ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ tích hợp ITU International Telecommunications Union Liên minh Viễn thông quốc tế ITU-R International Telecommunications

Union- Radio Sector

Liên minh Viễn thông quốc tế bộ phận vô tuyến

tin giữa RNC và mạng lõi

tin giữa nút B và RNC

tin giữa các RNC

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MBMS Multimedia Broadcast Multicast Service Dịch vụ quảng bá đa phương đa

phương tiện MBS Multicast Broadcast Service Dịch vụ đa phương quảng bá MBSFN Multicast Broadcast Single Frequency

Network

Mạng đa phương quảng bá đơn tần số

MCCH MBMS Control Channel Kênh điều khiển MBMS

MCE MBMS Coordination Entity Thực thể điều phối MBMS MCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển đa phương MC-CDMA Multi Carrier- Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

đa sóng mang MC-WCDMA Multi Carrier- Wide band Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng đa sóng mang

MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MLD Maximum Likelihood Detection Tách sóng khả giống cực đại MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình

cực tiểu MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ 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

MTCH MBMS Traffic Channel Kênh lưu lượng MBMS

OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Hệ số trải phổ khả biến trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công

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

như PAPR) PARC Per-Antenna Rate Control Điểu khiển tốc độ cho một anten PCI Precoding Control Indication Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa PDCCH Physical Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng vật lý

PDU Packet Data Unit Khối số liệu gói

PF Proportional Fair Công bằng tỷ lệ (một kiểu lập biểu

PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch

công cộng QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadtrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha vuông góc RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNTI Radio Network Temporary Identity Nhận dạng tạm thời mạng vô

tuyến ROHC Robust Header Compression Nén tiêu đề bền chắc

RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến

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

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 đồng bộ

SDMA Spatial Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

không gian SDU Service Data Unit Đơn vị số liệu dịch vụ

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

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ SIC Successive Interference Combining Kết hợp loại bỏ nhiễu lần lượt SIM Subscriber Identity Module Môđun nhận dạng thuê bao SINR Signal to Interferdence plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng

tạp âm SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin

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

SRNS Serving Radio Network Subsystem Phân hệ mạng vô tuyến phục vụ STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TD-CDMA Time Division -Code Division Multiple

thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian TD-SCDMA Time Division-Synchronous 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 TFCI Transport Format Combination Indicator Chỉ thị kết hợp khuôn dạng

truyền tải

TM Transparent Mode Chế độ trong suốt (cấu hình RLC)

TS Technical Specication Đặc tả kỹ thuật

TSG Technical Specication Group Nhóm đặc tả kỹ thuật

TSN Transmission Sequence Number Số trình tự phát

TSTD Time Switched Transmit Diversity Phân tập phát chuyển mạch theo

thời gian TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát

UDSP Switching point from uplink to downlink Điểm chuyển mạch từ đường lên

sang đường xuống

UM Unacknowledged Mode Chế độ không công nhận (cấu

hình RLC)

USIM UMTS Subcriber Identity Module Môđun nhận dạng thuê bao

UMTS UTRA UMTS Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội vùng không dây

AMR Adaptive Multirate Đa tốc độ thích ứng

AMR-WB Adaptive Multirate- Wide Band Đa tốc độ thích ứng băng rộng

CÁC MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE VÀ SAE

Trong các chương 6,7, HSPA được trình bày Như đã giải thích trong các chương này, HSPA là phát triển của 3G WCDMA được xây dựng trên cấu trúc cơ sở của WCDMA cùng với yêu cầu chặt chẽ về tương thích ngược đến các mạng hiện đã triển khai Song song với việc phát triển HSPA, 3GPP cũng đặc tả một công nghệ vô tuyến mới được gọi là LTE Mục tiêu của LTE là sử dụng các tình trạng phổ phức tạp hơn và yêu cầu tương thích ngược ít hơn Như vậy phát triển 3G đi theo hai hướng song song để phát triển truy nhập vô tuyến và cả hai đều có những phẩm chất riêng Quan hệ giữa HSPA và LTE đã được xét trong chương đầu

Để hỗ trợ các khả năng số liệu gói mới mà các giao diện vô tuyến của LTE cung cấp, một mạng lõi phát triển mới cũng được nghiên cứu Công tác đặc tả mạng lõi này được gọi là SAE (System Architecturre Evolution: Phát triển kiến trúc hệ thống)

Các chủ đề được trình bày trong chương này bao gồm:

- Các mục tiêu thiết kế LTE

- Các mục tiêu thiết kế SAE

Mục đích chương nhằm cung cấp cho bạn đọc các tiêu chí cơ bản

trong thiết kế LTE và SAE

Để hiểu được chương này bạn đọc cần đọc kỹ tư liệu được trình bày trong chương, tham khảo thêm các tài liệu [11], [14] và trả lời các câu hỏi cuối chương

11.1 CÁC MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE

Như đã xét trong chương 1, hoạt động 3GPP vào đầu năm 2005

đã đặt ra các tiêu chí, các yêu cầu và các mục tiêu cho LTE Các mục tiêu và các yêu cầu này được ghi lại trong 3GPP TR 25.91 Các yêu cầu cho LTE này được chia thành bảy lĩnh vực khác nhau:

Các yêu cầu trễ được chia thành các yêu cầu cho mặt phẳng điều khiển và các yêu cầu cho mặt phẳng người sử dụng Các yêu cầu trễ mặt phẳng điều khiển đề cập đến trễ để chuyển từ các trạng thái không tích cực khác nhau của máy đầu cuối sang trạng thái tích cực khi đầu cuối có thể phát và (hoặc) thu số liệu Tồn tại hai số đo:

1 Số đo được biểu thị như thời gian chuyển từ trạng thái rỗi (trạng thái rỗi trong R6 là trạng thái trong đó mạng truy nhập

vô tuyến không biết UE và nó không có context (ngữ cảnh), của UE cũng như không ấn định tài nguyên cho UE UE có thể ngủ và định kỳ thức giấc để nghe thông tin từ mạng trong các đoạn thời gian quy định), yêu cầu này là 100ms

2 Số đo khác biểu thị thời gian chuyển từ trạng thái ngủ (dormant) (trạng thái Cell_PCH trong R6, trong trạng thái này mạng truy nhập vô tuyến biết UE và biết nó ở ô nào nhưng không ấn định tài nguyên cho nó UE có thể ngủ và định kỳ thức giấc để nghe thông tin từ mạng trong các đoạn thời gian quy định), yêu cầu này là 50ms

Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng được biểu diễn như là thời gian cần thiết để phát một gói IP nhỏ từ đầu cuối đến nút biên của RAN hoặc ngược lại tại lớp IP Thời gian truyền dẫn một chiều không được vượt quá 5ms trong mạng không tải, nghĩa là không có các đầu cuối khác trong ô Đối với cả hai yêu cầu, trễ chế độ ngủ và báo hiệu không phải RAN được loại trừ

Một yêu cầu bổ sung đối với yêu cầu trễ mặt phẳng điều khiển là LTE phải hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối di động trong trạng thái tích cực trong băng thông 5MHz Đối với băng thông rộng hơn 5MHz, ít nhất

400 đầu cuối phải được hỗ trợ Số đầu cuối không tích cực không được công bố rõ ràng, nhưng phải cao hơn đáng kể

11.1.2 Hiệu năng hệ thống

Các mục tiêu thiết kế hiệu năng hệ thống của LTE đề cập đến thông lượng của người sử dụng, hiệu suất sử dụng phổ tần, vùng phủ

và MBMS tăng cường hơn

Nói chung, các yêu cầu hiệu năng của LTE được biểu diễn tương đối so với hệ thống tham khảo sử dụng R6 HSPA như đã trình bày trong các chương trước Đối với trạm gốc, giả thiết là một anten phát

và một anten thu, trong khi đó đầu cuối có cực đại một anten phát và hai anten thu Tuy nhiên cần nhấn mạnh rằng một số tính năng tiên tiến của HSPA không được đưa ra trong mô hình tham khảo Vì thế đầu cuối trong hệ thống tham khảo có hai anten thu, một máy thu RAKE đơn giản Tương tự ghép kênh không gian không có trong hệ thống tham khảo

Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở hai điểm: Vùng phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất sử dụng phổ tần cũng

đã được đặc tả, trong đó hiệu suất sử dụng phổ tần được định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/MHz Các mục tiêu thiết kế nói trên được cho trong bảng 11.1

Bảng 11.1 Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng

và hiệu suất sử dụng phổ tần

so với tham khảo*

Mục tiêu đường lên

so với tham khảo**

Thông lượng trung bình của

* Tham khảo được chọn là hiệu năng của HSDPA R6 (xem bảng

1.2 chương 1)

** Tham khảo được chọn là hiệu năng HSUPA R6 (xem bảng 1.3 chương 1)

Các yêu cầu về tính di động tập trung lên tốc độ của các đầu cuối

di động Mục tiêu đề ra phải đạt hiệu năng cực đại tại các tốc độ thấp của đầu cuối di động, 0-15km/giờ, hiệu năng có thể giảm một chút tại các đầu cuối tốc độ cao hơn Đối với các tốc độ lên đến 120km/giờ, LTE phải đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tổ ong Hệ thống LTE có thể quản lý tốc độ đến 350km/giờ (hay thậm chí 500km/giờ phụ thuộc vào băng tần) LTE phải đảm bảo dịch vụ thoại ngang bằng với WCDMA/HSPA

Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính) ô, nghĩa là khoảng cách cực đại từ trạm ô đến một thiết bị đầu cuối trong

ô Yêu cầu đối với các kịch bản không bị giới hạn nhiễu là phải đáp ứng các yêu cầu về thông lượng của người sử dụng, hiệu suất sử dụng phổ tần và di động cho các ô có bán kính đến 5km Đối với các ô có vùng phủ lên đến 30km, cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ Tuy nhiên vẫn phải đáp ứng tính

di động Tiêu chuẩn cũng không được cản trở các vùng phủ đến

100 km, tuy nhiên các yêu cầu về hiệu năng trong trường hợp này không được công bố

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập đến chế độ quảng bá và chế độ phát đơn phương Tổng quát, LTE phải đảm bảo các dịch vụ MBMS tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần 1bit/s/Hz, tương đương với 16 kênh truyền hình, trong đó mỗi kênh sử dụng 300kbps trong băng thông 5MHz Ngoài ra phải có thể cung cấp dịch vụ MBMS như là

dịch vụ duy nhất trên một sóng mang, đồng thời cũng có thể cung cấp dịch vụ này trộn lẫn với các dịch vụ khác không phải MBMS Tất nhiên chuẩn LTE phải đảm bảo cung cấp đồng thời các dịch vụ thoại

và các dịch vụ MBMS

11.1.3 Các khía cạnh liên quan đến triển khai

Các yêu cầu liên quan đến triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linh hoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các công nghệ truy nhập vô tuyến của 3GPP khác chẳng hạn GSM, WCDMA/HSPA

Yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm cả trường hợp hệ thống LTE được triển khai độc lập lẫn trường hợp nó được triển khai cùng với WCDMA/HSPA và (hoặc) GSM Như vậy trong thực tế yêu cầu này không giới hạn các tiêu chí thiết kế Các yêu cầu về tính linh hoạt phổ tần được trình bày cụ thể hơn trong mục 11.1.3.1

Sự đồng tồn tại và tương tác với các hệ thống 3GPP khác và các yêu cầu tương ứng đã đặt ra yêu cầu về tính di động giữa LTE và GSM, giữa LTE và WCDMA/HSPA cho các đầu cuối hỗ trợ các công nghệ này Bảng 11.2 liệt kê các yêu cầu về gián đoạn, nghĩa là gián đoạn cho phép cực đại trên đường truyền vô tuyến khi chuyển động giữa hai công nghệ truy nhập khác nhau, cho các dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Cần lưu ý rằng các yêu cầu này là rất nhỏ đối với thời gian gián đoạn chuyển giao và có thể kỳ vọng là các giá trị này tốt hơn nhiều trong các triển khai thực tế

Yêu cầu đồng tồn tại và tương tác cũng đề cập đến chuyển mạch lưu lượng truyền đa phương được LTE cung cấp theo kiểu quảng bá đến lưu lượng đơn phương được GSM hoặc WCDMA cung cấp Mặc

dù không con số nào được đưa ra

Bảng 11.2 Các yêu cầu thời gian gián đoạn,

LTE-GSM và LTE-WCDMA

11.1.3.1 Tính linh hoạt phổ và triển khai

Cơ sở đối với các yêu cầu về tính linh hoạt phổ là yêu cầu đối với

hệ thống LTE được triển khai trong các băng tần đã có của IMT-2000,

có nghĩa là sự đồng tồn tại giữa các hệ thống đã triển khai trong các băng này bao gồm GSM và WCDMA/HSPA Yêu cầu tính linh hoạt phổ của LTE là phải có khả năng triển khai truy nhập vô tuyến dựa trên LTE trong cả các ấn định băng kép và băng đơn, nghĩa là LTE phải hỗ trợ cả ghép song công phân cia theo tần số (FDD) và ghép song công phân chia theo thời gian (TDD)

Sơ đồ ghép song công hay sắp xếp ghép song công là một thuộc tính của công nghệ vô tuyến Tuy nhiên một cấp phát phổ tần cho trước thường liên kết với một cách sắp xếp song công đặc thù Các hệ thống FDD được triển khai trong các ấn định kép với một băng cho truyền dẫn đường xuống và một băng khác cho truyền dẫn đường lên Các hệ thống TDD được triển khai trong các ấn định băng đơn

Ta xét thí dụ phổ tần IMT-2000 tại 2GHz (có thể coi như “băng gốc” của IMT-2000) Như thấy trên hình 11.1, phổ này gồm một cặp băng tần 1920-1980MHz và 2110-2170MHz dành cho truy nhập vô tuyến theo FDD, và hai băng tần 1910-1920MHz và 2010-2025MHz dành cho truy nhập vô tuyến TDD Lưu ý rằng các quy định địa phương và vùng có thể sử dụng phổ IMT-2000 khác với phổ được chỉ

ra ở đây

Hình 11.1 Cấp phát phổ băng ‘lõi’ IMT-2000 tại 2GHz

Cấp phát băng kép cho FDD trên hình 11.1 là 2x60MHz, nhưng phổ khả dụng cho một nhà khai thác có thể là 2x20MHz hay thậm chí 2x10MHz Trong các băng tần khác thậm chí phổ khả dụng có thể ít hơn Ngoài ra việc chuyển dịch vào phổ hiện đang được sử dụng cho các công nghệ truy nhập vô tuyến khác phải được thực hiện từ từ để đảm bảo đủ lượng phổ còn lại cho hỗ trợ các người sử dụng hiện có Như vậy lượng phổ chuyển cho LTE lúc đầu có thể khá nhỏ, nhưng sẽ tăng dần (hình 11.2) Sự thay đổi các kịch bản phổ có thể có cho thấy cần có một yêu cầu về tính linh hoạt phổ đối với LTE để hỗ trợ các băng thông truyền dẫn

Hình 11.2 Ví dụ về quá trình chuyển dịch từng bước của LTE vào

vùng phổ của WCDMA hiện đã triển khai

Yêu cầu tính linh hoạt phổ của LTE chỉ ra rằng LTE phải có khả năng định lại kích cỡ trong miền tần số và hoạt động trong các băng tần khác nhau Yêu cầu tính linh hoạt đưa ra danh sách các ấn định phổ của LTE (1,25; 1,6; 2,5; 5; 15 và 20MHz) Ngoài ra LTE cũng phải có khả năng làm việc trong phổ đơn cũng như phổ kép LTE phải

có thể được triển khai trong các băng tần khác nhau Các băng tần được hỗ trợ phải được đặc tả dựa trên “tính độc lập với phát hành”, nghĩa là phát hành đầu của LTE không cần phải hỗ trợ tất cả các băng ngay từ đầu

Ngoài ra tiêu chuẩn cũng đề cập đến đồng tồn tại với GSM và WCDMA trên các tần số lân cận cũng như đồng tồn tại giữa các nhà khai thác trên các tần số lân cận và các mạng trong các nước khác nhau sử dụng phổ chồng lấn nhau Ngoài ra cũng yêu cầu rằng không cần có thêm hệ thống nào khác để một đầu cuối có thể truy nhập LTE,

có nghĩa là LTE phải có tất cả các báo hiệu điều khiển cần thiết cho truy nhập

11.1.4 Kiến trúc và chuyển dịch

3GPP công bố một số nguyên tắc mang tính hướng dẫn cho thiết

kế kiến trúc LTE RAN như sau:

- Kiến trúc LTE RAN đơn nhất phải được đồng thuận

- Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói, mặc dù lưu lượng thời gian thực và hội thoại được hỗ trợ

- Kiến trúc LTE RAN phải giảm thiểu sự tồn tại ‘một điểm sự cố’

mà không làm tăng giá thành đường trục

- Kiến trúc LTE RAN phải đơn giản hóa và giảm thiểu số giao diện được đưa ra

- Tương tác giữa lớp mạng vô tuyến (RNL: Radio Network Layer) và lớp mạng truyền tải (TNL: Transport Network Layer) phải không bị cấm nếu cần cải thiện hiệu năng hệ thống

- LTE RAN phải hỗ trợ QoS đầu cuối đầu cuối TNL phải đảm bảo QoS tương ứng do RNL yêu cầu

- Các cơ chế QoS phải xét đến các kiểu lưu lượng khác nhau để đảm bảo sử dụng băng thông hiệu quả: Lưu lượng mặt phẳng điều khiển, lưu lượng mặt phẳng người sử dụng, lưu lượng khai thác và bảo dưỡng…

- LTE RAN phải được thiết kế để giảm thiểu thay đổi trễ (Jitter), chẳng hạn cho TCP/IP

- Kiến trúc phẳng Trong phát triển kiến trúc, trạm gốc được bổ sung thêm trí tuệ, tương tự như xu thế đối với HSPA Lúc đầu kiến trúc UMTS được định nghĩa theo phân cấp, trong đó các chức năng liên quan đến vô tuyến được đặt trong RNC Trong kiến trúc phẳng các chức năng liên quan đến vô tuyến được đặt trong trạm gốc Khi lập biểu gói được đặt trong trạm gốc, quá trình lập biểu sẽ nhanh hơn kể cả lập biểu miền tần số

3GPP quyết định đặt toàn bộ chức năng vô tuyến trong trạm gốc (hình 11.4) Các chức năng vô tuyến mới trong BTS so với HSPA là: Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) và giao thức hội tụ số liệu gói PDCP Kiến trúc trên hình 11.4 cho thấy sự phân chia chức năng giữa mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi Trong khi mạng truy nhập vô tuyến chỉ còn một phần tử duy nhất là e NodeB thì nhiều phần tử hơn được sử dụng trong mạng lõi

Từ quan điểm mạng truy nhập vô tuyến, xu thế quan trọng là không cần chuyển giao mềm trong hệ thống Đây cũng là xu thế đã được thực hiện trong HSDPA Trong HSDPA chỉ thông tin điều khiển lớp vật lý là vẫn có phân tập vĩ mô, còn số liệu của người sử dụng không có Đây là một trong các lý do cho phép đặt tất cả các chức năng vô tuyến vào một e NodeB nhờ vậy có thể hỗ trợ kiến trúc phẳng

dễ hơn Cũng có thể hỗ trợ phân tập vĩ mô trong kiến trúc phẳng,

nhưng cần có các yêu cầu bổ sung đối với các liên kết truyền dẫn giữa các trạm gốc

RB (Radio Bearer): Kênh mang vô tuyến

MME (Mobility Management Entity): Thực thể quản lý di động

SAE (System Architecture Evolution): Phát triển kiến trúc hệ thống

PDN (Packet Data Network): Mạng số liệu gói

Hình 11.4 Phân chia chức năng giữa mạng truy nhập và mạng lõi

11.1.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Các yêu cầu quản lý tài nguyên vô tuyến được chia thành: (1) hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối, (2) hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn, (3) hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách trên các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau

Hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối yêu cầu một “dịch

vụ phối hợp cải tiến” và các yêu cầu về giao thức (bao hàm cả báo hiệu lớp cao hơn) cho các tài nguyên RAN và các đặc tính RAN

Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn yêu cầu rằng LTE RAN phải cung cấp các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả

các giao thức lớp cao hơn trên giao diện vô tuyến, chẳng hạn nén tiêu

đề IP

Hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách trên các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hướng dẫn các đầu cuối di động chuyển đến các công nghệ truy nhập

vô tuyến tương ứng trong tất cả các kiểu trạng thái cũng như hỗ trợ QoS đầu cuối - đầu cuối trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến

11.1.6 Mức độ phức tạp

Các yêu cầu về mức độ phức tạp của LTE đề cập đến độ phức tạp của toàn bộ hệ thống cũng như độ phức tạp của máy di động đầu cuối Thực chất, các yêu cầu này có nghĩa là phải giảm thiểu các tùy chọn

và đảm bảo các tính năng bắt buộc không bị thừa Ngoài ra điều này cũng dẫn đến giảm thiểu số lượng các trường hợp thử nghiệm cần thiết

11.1.7 Các khía cạnh chung

Các yêu cầu chung đối với LTE đề cập đến các khía cạnh liên quan đến giá thành và dịch vụ Rõ ràng rằng cần giảm thiểu giá thành trong khi vẫn đảm bảo hiệu năng mong muốn cho các dịch vụ dự kiến Đối với giá thành, các vấn đề về đường trục, bảo dưỡng và khai thác được đề cập Như vậy không chỉ giao diện vô tuyến mà cả truyền tải đến các trạm BS và hệ thống quản lý cũng phải được đề cập trong LTE Trong số các yêu cầu này cũng có một yêu cầu rất mạnh đối với giao diện giữa các nhà cung cấp thiết bị Ngoài ra cũng yêu cầu đầu cuối phải có giá thấp và tiêu thụ ít công suất

11.2 CÁC MỤC TIÊU THIẾT KẾ SAE

Các mục tiêu của SAE được mô tả trong các danh mục nghiên cứu SAE và một số mục tiêu mức cao được TSG SA WG1 khởi thảo Các mục tiêu SAE được chia thành một số lĩnh vực:

- Các khía cạnh khai thác và người sử dụng mức cao

- Các khả năng cơ sở

- Đa truy nhập và di động

- Các khía cạnh giao diện người máy

- Các yêu cầu hiệu năng đối với hệ thống 3GPP phát triển

- An ninh và riêng tư

- Các khía cạnh tính cước

Mặc dù các yêu cầu SAE có nhiều và được chia thành các phân nhóm như trên, nhưng các yêu cầu SAE chủ yếu không liên quan đến truy nhập vô tuyến Vì thế phần này sẽ tổng kết các yêu cầu SAE quan trọng nhất có ảnh hưởng lên hoặc mạng truy nhập vô tuyến hoặc kiến trúc SAE

Hệ thống SAE phải có khả năng hoạt động với các mạng truy nhập vô tuyến khác với LTE và phải có các chức năng di động để cho phép một đầu cuối di động chuyển dịch giữa các hệ thống truy nhập

vô tuyến khác nhau Thực tế, các yêu cầu này không giới hạn di động giữa các mạng truy nhập vô tuyến mà còn mở rộng di động đến mạng truy nhập cố định Cần xét đến cả các mạng truy nhập không do 3GPP triển khai

Chuyển mạng cũng là một yêu cầu quan trọng đối với SAE bao gồm cả chuyển mạng đến các mạng SAE khác cũng như đến các mạng hiện có Ngoài ra tương tác với các dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói hiện có cũng là một yêu cầu Tuy nhiên không đòi hỏi phải hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch kênh từ miền chuyển mạch kênh của các mạng hiện có

Các yêu cầu SAE cũng đưa ra một danh sách hiệu năng như là một yêu cầu quan trọng nhưng không chi tiết như các yêu cầu của LTE Các kịch bản và mức độ sử dụng lưu lượng khác nhau cũng được xem xét, chẳng hạn thông tin từ người sử dụng đến người sử

dụng và thông tin từ người sử dụng đến nhóm Ngoài ra cũng có yêu cầu về hiệu suất sử dụng tài nguyên nhất là hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến (giống như yêu cầu hiệu suất phổ đối với LTE) Hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến không được yêu cầu phức tạp như đối với LTE Vì thế chính yêu cầu này của LTE là yêu cầu thiết kế Tất nhiên các yêu cầu SAE đề cập đến các khía cạnh dịch vụ khác nhau và đòi hỏi các dịch vụ truyền thống như thoại, video, nhắn tin và chuyển file phải được hỗ trợ và thêm vào đó là các dịch quảng bá và

đa phương Thực tế, cùng với yêu cầu hỗ trợ kết nối IPv4 và IPv6 (bao gồm cả di động giữa các mạng hỗ trợ các phiên bản IP khác nhau cũng như kết nối giữa các đầu cuối sử dụng các phiên bản khác nhau), mọi dịch vụ IP đều sẽ được hỗ trợ, tuy nhiên với chất lượng dịch vụ không phải tối ưu

Yêu cầu về chất lượng dịch vụ của SAE cũng được soạn thảo chi tiết Chẳng hạn hệ thống SAE phải đảm bảo giảm cấp chất lượng âm thanh cuộc gọi ở mức độ không cảm nhận được trong khi và sau chuyển giao giữa các mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói khác biệt Ngoài ra SAE phải đảm bảo rằng không mất gói số liệu

do chuyển giao giữa các hệ thống truy nhập di động và cố định Một yêu cầu quan trọng đối với khái niệm QoS là khái niệm QoS phải tương thích ngược với các khái niệm QoS trước đây trong 3GPP Điều này đảm bảo di động êm ả giữa các công nghệ truy nhập khác nhau của 3GPP (LTE, WCDMA/HSPA và GSM)

Hệ thống SAE phải cung cấp các cơ chế an ninh tiên tiến tương đương hoặc tốt hơn an ninh đối với WCDMA/HSPA và GSM Nghĩa

là việc bảo vệ chống lại các đe dọa và tấn công bao gồm cả các đe dọa

và tấn công trên Internet và cơ chế bảo vệ này phải là một bộ phận của SAE Ngoài ra hệ thống SAE phải đảm bảo nhận thực thông tin giữa đầu cuối di động và mạng, nhưng đồng thời cho phép chặn bắt lưu lượng theo luật

Hệ thống SAE cũng có các yêu cầu cao về tính riêng tư của người

sử dụng Cần đảm bảo một số mức độ riêng tư của người sử dụng, chẳng hạn bảo mật thông tin, bảo mật vị trí và bảo vệ nhận dạng Vì thế, các hệ thống SAE sẽ giữ kín nhận dạng của người sử dụng đối với những người thứ ba không được phép, bảo vệ nội dung, nơi phát và nơi nhận của cuộc truyền tin đối với các bên không được phép và bảo

vệ vị trí của người sử dụng đối với những người này Các bên được phép thường là các cơ quan chính phủ, nhưng người sử dụng có thể cho phép một số bên nào đó biết được vị trí của đầu cuối di động Chẳng hạn quản lý đoàn xe để điều hành xe tải

SAE hỗ trợ một số mô hình tính cước bao gồm trả cước từ phía chủ gọi, cước cố định và cước trên cơ sở QoS Các khía cạnh tính cước đôi khi có thể nhìn được trong mạng vô tuyến, nhất là các mô hình tính cước dựa trên QoS và khối lượng số liệu được chuyển Tuy nhiên hầu hết các mô hình tính cước chỉ cho phép nhìn thấy thông tin cước trong mạng lõi

Kiến trúc SAE với các cổng kết hợp được cho trên hình 11.5

PCRF (Policy and Charging Rules Function): chức năng các quy tắc tính cước và chính sách

Hình 11.5 Kiến trúc SAE với các cổng kết hợp

Trong mạng lõi trên hình 11.2 của kiến trúc SAE ta thấy các thực thể sau:

- Cổng SAE phục vụ và cổng SAE mạng số liệu gói (PDN SAE)

để xử lý số liệu của mặt phẳng người sử dụng Các nhiệm vụ xử

lý này liên quan đến quản lý di động bên trong LTE cũng như giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác của 3GPP Như thấy trên hình 11.2, SGSN của WCDMA có thể nối đến các cổng nói trên và các cổng này sẽ xử lý các chức năng của GGSN trong mạng WCDMA

- Phần tử quản lý di động (MME) xử lý báo hiệu mặt phẳng điều khiển, nhất là đối với quản lý di động và xử lý chế độ rỗi Khi này giao diện S11 kết nối MME với các cổng SAE/PDN nếu chúng được thực hiện trong các phân tử vật lý riêng biệt

- Server thuê bao nhà (HSS: Home Subscriber Server) thực hiện các chức năng như HLR, chứa các thông tin đặc thù thuê bao như các mức ưu tiên, tốc độ số liệu…

- Chức năng các quy tắc tính cước và chính sách (PCRF) liên quan đến chính sách chất lượng dịch vụ và chính sách tính cước được áp dụng

Việc sử dụng kiến trúc phẳng có nghĩa là tính khả định cỡ cao khi tăng thể tích số liệu cùng với việc phụ thuộc ít vào bản thân thể tích số liệu này Nhờ vậy đạt được hiệu quả kinh tế cao khi triển khai mạng

và khi mở rộng dung lượng mạng do tăng lưu lượng

- Các khía cạnh liên quan đến triển khai

- Các khía cạnh giao diện người máy

- Các yêu cầu hiệu năng đối với hệ thống 3GPP phát triển

- An ninh và riêng tư

- Các khía cạnh tính cước

Ngoài ra chương này cũng xét việc phân chia các chức năng giữa mạng truy nhập (LTE) và mạng lõi (SAE) của LTE Sự phân chia này đảm bảo kiến trúc phẳng tốt nhất Điểm đặc biệt trong sự phân chia này là toàn bộ chức năng xử lý liên quan đến vô tuyến được đặt trong trạm gốc (e Node B) và không sử dụng cấp trung gian như RNC của WCDMA

11.4 CÂU HỎI

1 Trình bày các khả năng của LTE

2 Trình bày hiệu năng hệ thống của LTE

3 Trình bày các khía cạnh liên quan đến triển khai LTE

4 Trình bày kiến trúc và phát triển LTE

5 Trình bày mục tiêu quản lý tài nguyên vô tuyến trong LTE

6 Trình bày tiêu chí về mức độ phức tạp trong thiết kế LTE

7 Trình bày kiến trúc và chuyển dịch trong LTE

8 Trình bày các khía cạnh khai thác và người sử dụng mức cao trong SAE

9 Trình bày các khả năng cơ sở của SAE

10 Trình bày đa truy nhập và di động êm ả của SAE

11 Trình bày các khía cạnh giao diện người máy của SAE

12 Trình bày các yêu cầu hiệu năng đối với hệ thống 3GPP phát triển

13 Trình bày an ninh và riêng tư của SAE

14 Trình bày các khía cạnh tính cước của SAE

TRUY NHẬP VÔ TUYẾN VÀ KIẾN TRÚC

GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE

Các chương trước đã xét các mục tiêu của LTE và từ xem xét này

ta đã thấy rõ rằng LTE được phát triển với các mục tiêu hiệu năng rất tiên tiến Trước hết trong chương này ta sẽ xét một số phần tử và tính năng quan trọng nhất của LTE Sau đó ta sẽ xét chi tiết hơn giao diện

vô tuyến và các tính năng then chốt của LTE

Giống như WCDMA/HSPA và hầu hết các hệ thống thông tin di động hiện đại khác, các đặc tả chuẩn LTE được cấu trúc thành các lớp giao thức khác nhau Mặc dù một số trong các lớp này giống với các lớp được sử dụng trong WCDMA/HSPA, nhưng cũng có một số khác biệt do các khác biệt kiến trúc tổng thể giữa WCDMA/HSPA và LTE Chương này sẽ mô tả các lớp giao thức trên lớp vật lý, tương tác giữa chúng và giao diện với lớp vật lý Để hiểu được kiến trúc giao diện

vô tuyến LTE ta chỉ cần xét một nút: nút B với ký hiệu mới cho LTE là e NodeB (nút B tăng cường)

Các chủ đề được trình bày trong chương này bao gồm:

- Điều khiển liên kết vô tuyến, RLC

- Điều khiển truy nhập môi trường, MAC

Mục đích chương nhằm cung cấp cho bạn đọc hiểu được nguyên

tắc truy nhập vô tuyến LTE và kiến trúc giao diện vô tuyến

Để hiểu được chương này bạn đọc cần đọc kỹ tư liệu được trình bày trong chương, tham khảo thêm các tài liệu [3], [4], [5], [6], [11], [14] và trả lời các câu hỏi cuối chương

12.1 TỔNG QUAN TRUY NHẬP VÔ TUYẾN LTE

Một số lợi ích khác của OFDM là:

- OFDM cung cấp truy nhập đến miền tần số, vì thế cho phép mở rộng mức độ tự do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA

- OFDM dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt (ít nhất từ quan điểm băng gốc) bằng cách thay đổi số lượng các sóng mang con

sử dụng cho truyền dẫn Tuy nhiên cũng cần nói rằng hỗ trợ ấn định nhiều phổ cũng đòi hỏi bộ lọc RF linh hoạt và một khai thác chính xác với sơ đồ truyền dẫn liên quan Mặc dù vậy, việc giữ nguyên cấu trúc

xử lý băng gốc không phụ thuộc vào băng thông cũng cho phép thực hiện đầu cuối dễ ràng

- OFDM cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá/đa phương, trong đó cùng một thông tin được phát đi từ nhiều trạm gốc Đối với đường lên của LTE, truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên OFDM trải phổ DFT được sử dụng (xem chương 3) Sử dụng điều chế đơn sóng mang cho phép giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Radio) so với truyền dẫn đa sóng mang như OFDM PAPR càng nhỏ, thì công suất phát trung bình càng cao đối với một bộ khuếch đại công suất cho trước Vì thế truyền dẫn đơn sóng mang cho phép đạt được hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công suất cao hơn và điều này dẫn đến tăng vùng phủ Điều này thực sự quan trọng đối với đầu cuối di động có công suất hạn chế Đồng thời vấn đề xử lý méo tín hiệu đơn sóng mang do phađinh chọn lọc tần số gây ra trên đường lên cũng không phải là quan trọng vì nó được thực hiện tại trạm gốc nơi có khả năng xử lý tín hiệu mạnh hơn Khác với đường lên của WCDMA/HSPA cũng dựa trên truyền dẫn đơn sóng mang, đường lên của LTE dựa trên phân cách trực giao những người sử dụng trong miền thời gian và miền tần số Trong nhiều trường hợp, phân cách trực giao những người sử dụng rất có lợi

vì nó tránh được nhiễu nội ô Tuy nhiên như đã đề cập trong chương 3, cấp phát đồng thời tài nguyên băng thông rất rộng cho một người sử dụng là một chiến lược không hiệu quả trong các tình trạng mà ở đó tốc độ số liệu chủ yếu bị hạn chế bởi công suất truyền dẫn chứ không phải băng thông truyền dẫn Trong các tình trạng này, một đầu cuối thường được cấp phát một bộ phận trong băng thông truyền dẫn tổng, còn các đầu cuối khác có thể phát song song trong phần phổ còn lại

Vì thế đường lên LTE chứa một phần tử đa truy nhập miền tần số, và

sơ đồ truyền dẫn đường lên của LTE cũng được gọi là FDMA đơn sóng mang (SC-FDMA)

12.1.2 Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ

Cốt lõi của sơ đồ truyền dẫn LTE là sử dụng truyền dẫn kênh chia

sẻ, trong đó tài nguyên thời gian - tần số được chia sẻ giữa những

người sử dụng Điều này cũng giống như cách xử lý trong HSPA, mặc

dù việc thực hiện tài nguyên chia sẻ giữa hai công nghệ này khác nhau: trong LTE là thời gian và tần số còn trong HSPA là thời gian và

mã định kênh Việc sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ là hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu tài nguyên thay đổi rất nhanh do truyền dẫn gói gây ra và nó cũng cho phép LTE sử dụng các công nghệ then chốt khác Đối với từng thời điểm, bộ lập biểu điều khiển việc người sử dụng nào được ấn định tài nguyên chia sẻ Nó cũng quyết định tốc độ

số liệu sẽ được sử dụng cho từng liên kết và thích ứng đường truyền cũng có thể được coi như là một bộ phận của bộ lập biểu Bộ lập biểu

là phần tử then chốt và ở mức độ rất lớn nó quyết định hiệu năng tổng thể của đường xuống, đặc biệt là trong mạng có tải cao Cả đường xuống và đường lên đều chịu sự điều khiển chặt chẽ của lập biểu Từ chương 5 ta đã thấy rằng có thể đạt được độ lợi dung lượng hệ thống đáng kể, nếu xét đến các điều kiện kênh trong quyết định lập biểu, hay còn gọi là lập biểu phụ thuộc kênh Điều này đã được khai thác trong HSPA, trong đó bộ lập biểu đường xuống cho phép phát đến người sử dụng có điều kiện kênh ưu việt để đạt được tốc độ số liệu cực đại Ở mức độ nào đó điều này cũng được thực hiện trên đường lên cho HSUPA Tuy nhiên ngoài miền thời gian, LTE cũng có thể truy nhập đến miền tần số nhờ việc sử dụng OFDM cho đường xuống và DFTS-OFDM cho đường lên Vì thế, đối với từng miền tần số, bộ lập biểu có thể chọn người sử dụng có điều kiện kênh tốt nhất Nói một cách khác, lập biểu trong LTE có thể xét đến các thay đổi điều kiện kênh không chỉ trong miền thời gian như HSPA mà cả trong miền tần

số Điều này được minh họa trên hình 12.1

Khả năng lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số đặc biệt hữu ích tại các tốc độ số liệu thấp, nói một cách khác khi kênh thay đổi chậm theo thời gian Như đã xét trong chương 5, lập biểu phụ thuộc kênh dựa trên các thay đổi chất lượng kênh để nhận được độ lợi trong dung lượng hệ thống Đối với các dịch vụ nhạy cảm trễ, bộ lập biểu

chỉ cho miền thời gian có thể bị buộc phải lập biểu cho một người sử dụng cho dù chất lượng kênh của người này không tốt lắm Trong trường hợp này, việc khai thác cả các thay đổi chất lượng kênh trong miền tần số sẽ hỗ trợ cải thiện tổng hiệu năng hệ thống Đối với LTE, các quyết định lập biểu được thực hiện một lần trong 1ms và tính hạt trong miền tần số là 180kHz Điều này cho phép bộ lập biểu bám theo các thay đổi kênh khá nhanh

Hình 12.1 Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống

trong miền thời gian và miền tần số

12.1.2.1 Lập biểu đường xuống

Trên đường xuống, mỗi đầu cuối báo cáo ước tính chất lượng kênh tức thời cho trạm gốc Các ước tính này nhận được bằng cách đo