Truy cập vô tuyến trong công nghệ LTE luận văn tốt nghiệp đại học

Để đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao của xã hội, thông tin di động đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm, bắt đầu với các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ analog,

Lời nói đầu

Thông tin liên lạc là một nhu cầu của bất kỳ một xã hội phát triển nào

Để đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao của xã hội, thông tin di động đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm, bắt đầu với các hệ thống thông tin

di động sử dụng công nghệ analog, cho đến nay các mạng di động sử dụng công nghệ số đang được ứng dụng rộng rãi và phát triển vô cùng mạnh mẽ

Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới

đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai,

đó là LTE (Long Term Evolution) Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này

đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần

Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định

để kết nối Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: Xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc” Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G)

Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là:

“Truy nhập vô tuyến trong công nghệ LTE” Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng

quan về công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trong công nghệ này để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn

mà công nghệ này sẽ mang lại Đề tài của em bao gồm 3 chương:

Chương 1 Lịch sử phát triển của thông tin di động

Chương 2 Tổng quan về công nghệ LTE

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã giảng dạy cho em những kiến thức về chuyên môn, để em thực hiện tốt đồ án này.

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Hồ Sỹ Phương đã tận

tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài này!

Do khuôn khổ của bài viết cũng như còn hạn chế về kiến thức cho nên không tránh khỏi thiếu sót cũng như lầm lẫn, em mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp thêm để hoàn thiện hơn nữa về kiến thức của mình Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ em hoàn thành đợt tốt nghiệp này

Nghệ An, tháng 5 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Dũng

Mục lục

Lời nói đầu 1

Mục lục 3

Danh mục các hình vẽ 6

Danh mục các bảng 8

Danh mục các chữ viết tắt 9

Chương 1 Lịch sử phát triển của mạng thông tin di động 14

1.1 Mạng thông tin di động 1G 14

1.2 Mạng thông tin di động 2G 14

1.3 Mạng thông tin di động 3G 17

1.4 Mạng thông tin di động 4G 21

Chương 2 Tổng quan về công nghệ LTE 24

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 24

2.2 Cấu trúc hệ thống LTE 26

2.2.1 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN 27

2.2.2 EPC (evoled packet core ) 28

2.2.2.1 PDN Gateway (Packet Data Network Gateway) 28

2.2.2.2 Serving Gateway (SGW) 28

2.2.2.3 MME (Mobility Management Entity) 29

2.2.3 Các giao diện liên kết 30

2.2.4 Giao thức giao diện vô tuyến 30

2.2.5 Kênh chuyển tải 33

2.2.5.1 Kênh chuyển tải đường xuống 34

2.2.5.2 Kênh chuyền tải đường lên 34

2.2.6 Kênh logic 35

2.2.6.1 Các loại kênh logic điều khiển 35

2.2.6.2 Kênh logic lưu lượng 36

2.2.7 Kênh vật lý 36

2.2.7.1 Các loại kênh vật lý đường xuống 36

2.2.7.2 Các loại kênh vật lý đường lên 37

Chương 3 Truy nhập vô tuyến trong công nghệ trong LTE

38

3.1 Truy nhập đường xuống 38

3.1.1 Khái quát về công nghệ OFDM 38

3.1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 40

3.1.3 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 45

3.1.3.1 Điều chế BPSK 46

3.1.3.2 Điều chế QPSK 47

3.1.3.3 Điều chế QAM 50

3.1.4 Công nghệ OFDM trong đường xuống của LTE 51

3.1.4.1 Cấu trúc khung LTE trong miền thời gian 52

3.1.4.2 Đường xuống sóng mang và khối tài nguyên 57

3.2 Công nghệ SC-FDMA trong đường lên của LTE 58

3.2.1 Cấu trúc Hybrid ARQ với kết hợp mềm 59

3.3 Đa truy nhập MIMO 61

3.4 Cấu trúc khung TDD và FDD 63

3.4.1 Cấu trúc khung loại 1 64

3.4.2 Cấu trúc khung Loại 2 66

3.5 Các thủ tục truy nhập trong LTE 66

3.5.1 Tìm Cell 67

3.5.2 Thủ tục tìm Cell 68

3.5.1.1 Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ 69

3.5.1.2 Tìm ô ban đầu và tìm ô lân cận 71

3.5.2 Truy nhập ngẫu nhiên 72

3.5.2.1 Bước 1: Truyền dẫn tiền tố truy nhập 74

3.5.2.2 Bước 2: Trả lời truy nhập ngẫu nhiên 78

3.5.2.3 Bước 3: Nhận dạng đầu cuối 79

3.5.2.4 Bước 4: Phân giải va chạm 80

3.5.3 Tìm gọi 81

Kết luận chung 83

1 Những kết quả đã đạt được 83

2 Hướng phát triển 83

Tài liệu tham khảo 84

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Quá trình phát triển của thông tin di động 21

Hình 2.1 Kiến trúc của mạng LTE 26

Hình 2.2 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 31

Hình 2.3 Phân đoạn và hợp đoạn RLC 32

Hình 2.4 Mối liên hệ giữa các kênh trong đường xuống 33

Hình 2.5 Các kênh trong đường lên 33

Hình 3.1 OFDM và SC-FDMA 38

Hình 3.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 41

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống OFDM 42

Hình 3.4 Symbol OFDM với 4 subscriber 44

Hình 3.5 Phổ của sóng mang con OFDM 45

Hình 3.6 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 47

Hình 3.7 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 49

Hình 3.8 Chùm tín hiệu M-QAM 51

Hình 3.9 Nguyên tắc của OFDMA đối với đường xuống 52

Hình 3.10 Cấu trúc khung trong miền thời gian LTE 52

Hình 3.11 Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống trong trường hợp TDD và sự so sánh với FDD 53

Hình 3.12 Sơ đồ thời gian và tần số của tín hiệu OFDM 54

Hình 3.13 Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE 54

Hình 3.14 Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE 55

Hình 3.15 Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình

thường 57

Hình 3.16 Điều chế SC-FDMA cho đường lên 58

Hình 3.17 Sơ đồ khối DFT-S- OFDM 59

Hình 3.18 Giao thức hybrid - ARQ đồng bộ và không đồng bộ 61

Hình 3.19 Ví dụ về công nghệ MIMO 62

Hình 3.20 Cấu trúc khung loại 1 65

Hình 3.21 Cấu trúc khung loại 2 66

Hình 3.22 Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp 68

Hình 3.23 Tạo tín hiệu đồng bộ trong miền tần số 71

Hình 3.24 Tổng quan thủ tục truy nhập ngẫu nhiên 74

Hình 3.25 Minh họa nguyên lý truyền dẫn tiền tố ngẫu nhiên 76

Hình 3.26 Định thời tiền tố tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ngẫu nhiên 77

Hình 3.27 Tạo tiền tố truy nhập ngẫu nhiên 77

Hình 3.28 Thu không liên tục (DRX) đối với tìm gọi 82

Danh mục các bảng biểu

Bảng 3.1 Các dạng điều chế được sử dụng trong OFDM 45Bảng 3.2 Mối quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu

điều chế QPSK trong tín hiệu không gian 49

Bảng 3.3 Thông số tiêu biểu cho truyền dẫn đường xuống 64

Các từ viết tắt

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

1G First Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 12G Second Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 23G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 34G Fourth Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 4AIPN All IP Network Mạng toàn IP

MC Adaptive Modulation

Coding Điều chế và mã hoá thích nghiAMPS Amercan Mobile Phone

System Hệ thống thông tin di động Mỹ

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

AWGN Additive White Gaussian

BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA Code Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo mãCMTS Cellular

MobileTelephone System Hệ thống điện thoại di động tổ ongCRC Cyclic Redundancy Kiểm tra tính dư tuần hoàn

DL-SCH Downlink Shared Channe Kênh chia sẻ đường xuống

EDGE Enhanced Data Rate for

eNodeB Enhanced NodeB Các trạm cơ sở LTE

EPC Evolved Packet Core Lõi gói cải tiến

FBSS Fast Base Station

Switching Chuyển mạch trạm gốc nhanhFDMA Frequency Division

Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần sốFDM Frequency Division

Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần sốFFT Fast Fourrier Transform Biến đổi Fourrier nhanh

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

GERAN GSM EDGE RAN Mạng truy nhập vô tuyến GSM

EDGEGMSC Gateway Mobile Services MSC cổng

GPRS General Packet Radio

Service Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System for

Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầuHARQ Hybrid Automatic Repeat

reQuest

Tự động lặp lại yêu cầu theo hình thức lai

HLR Home Location Register Bộ đăng ký vị trí thường trú

HO Hand Off or Hand Over Chuyển vùng

HSS Home Subscriber Server Hệ thống máy chủ thuê bao thường

trú

IFFT Inverse Fast Fourrier

Transform Biến đổi Fourrier nhanh nghịch đảo

ICI Inter Channel

Interference Nhiễu xuyên kênhIDFT Inverse Discrete Fourier

Transform Sự Biến đổi Fourier ngược

IMT-2000 International Mobile

Telecommunication

Tiêu chuẩn thông tin di động toàn cầu

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

ISDN Integrated Services

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập đa phương tiện

MDHO Macro Diversity Hand

MSC Mobile Services

Switching Center

Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ

di độngMIMO Multiple Input Multiple

NAK Negative

Acknowledgement

Báo nhận thất bại (trong giao thức ARQ)

MT Mobile Terminal Đầu cuối di động

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PKM Public Key management Quản lý khoá công cộng

PS Paging System Hệ thống nhắn tin

P/S Parallel to Serial Chuyển song song sang nối tiếp

PUSC Partially Used Sub Carrier Sóng mang con được dùng một phần

PAPR Peak to Average Power

Ratio

Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

RB Resource Block Khối tài nguyên

QAM Quadrature Amplitude

Modulation Điều chế biên độ cầu phươngQoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Khóa dịch pha cầu phương

SC-FDMA Single Carrier FDMA FDMA đơn sóng mang

TAF Time Alignment Flag Cờ đồng bộ thời gian

TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối

UMTS

UniversalMobile Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

VLR Visistor Location

Register Bộ đăng ký vị trí tạm trúWCDMA Wide Band CodeDivision Đa truy nhập phân chia theo mã băng

rộngWLAN Wireless Local Area

Chương 1 Lịch sử phát triển của mạng

thông tin di động

1.1 Mạng thông tin di động 1G

∗ Lịch sử phát triển

Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự (analog), là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979 Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là: NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng

ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem

- hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức,

Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia

∗ Đặc điểm của hệ thống

Hầu hết các hệ thống ñều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ yếu là âm thanh Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…Do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng

1.2 Mạng thông tin di động 2G

∗ Lịch sử phát triển

Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM - Group Speciale Mobile, mục đích phát

triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu âu Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991.

Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI - European Telecommunication Standards Institute) được thành lập, có trách nhiệm biến đổi nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European

Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA 1G, 2G là kết hợp FDMA và TDMA

- Khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz;

- Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz;

- Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM Tốc độ mã từ (6.5 -13) Kbps;

-125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt đối

∗ Phương pháp truy nhập

- Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access);

- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division Multiple Access);

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

∗ Các hệ thống điển hình

Các mạng thế thứ hai cho phép truyền dữ liệu hạn chế trong khoảng từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps Các mạng này được sử dụng chủ yếu cho mục đích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh.

Tương tự như trong 1G, không tồn tại một chuẩn chung toàn cầu nào cho 2G, hiện nay các hệ thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:

- D-AMPS (Digital AMPS): Được sử dụng tại Bắc Mỹ D-AMPS đang dần được thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000

- GSM (Global System for Mobile Communications): Các hệ thống triển khai GSM được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ, Nhật) Hệ thống GSM dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu cuối di động truyền thông trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số khác cao hơn (chênh lệch 80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM) Trong cả hai hệ thống, phương pháp dồn kênh phân chia thời gian lại được áp dụng cho một cặp tần số, làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của

hệ thống Tuy nhiên, các kênh GSM rộng hơn các kênh AMPS (200kHz so với 30kHz) qua đó GSM cung cấp độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS

- CDMA (code Division Multiple Access): CDMA sử dụng công nghệ

đa truy cập thông qua mã Nhờ công nghệ này mà CDMA có thể nâng cao dung lượng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cell cao hơn hẳn so với hai công nghệ trên

- PDC (Personal Digital Cellular): Là chuẩn được phát triển và sử dụng duy nhất tại Nhật Bản Giống như D-AMPS và GSM, PDC sử dụng TDMA

∗ GPRS (General Packet Radio Service)

GPRS chính là bước đệm giữa 2G với 3G trong công nghệ điện thoại

không dây Khái niệm 2,5G được dùng để miêu tả hệ thống di động 2G có trang bị hệ thống chuyển mạch gói, bên cạnh hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống Trong khi các khái niệm 2G và 3G được chính thức định nghĩa thì khái niệm 2,5G lại không được như vậy Khái niệm này chỉ dùng cho mục đích tiếp thị 2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ chuyển mạch

gói), và có thể dùng cơ sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM

và CDMA GPRS là công nghệ được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM sử dụng Chất lượng như các dịch vụ 3G (vì dùng tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s), nhưng vẫn được xem như dịch vụ 2,5G bởi vẫn chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thật sự

∗ EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)

EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) hay 2,75G đôi khi còn gọi là EGPRS, là công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS cho phép truyền dự liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kbit/s cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144kbit/s cho người dùng di chuyển tốc độ cao Trên đường tiến đến 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G Thực tế bên cạnh điều chế GMSK, EDGE dùng phương thức điều chế 8-PSK để tăng tốc độ dự liệu truyền Chính vì thế, để triển khai EDGE, các nhà cung cấp mạng phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng như là thiết bị di động so với mạng GPRS

EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ Đây là

lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian

1.3 Mạng thông tin di động 3G

Các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-200 (International Mobile Telecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G:

- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao;

- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, );

- Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, );

- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống

Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps

∗ UMTS (W-CDMA)

- UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu

W-và được quản lý bởi 3GPP (third Generation Partnership Project), tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có

- CDMA2000: Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2 CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến 2Mbps Hệ thống CDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D-AMPS của thế hệ thứ 2

∗ Đặc Điểm của hệ thống

Đặc điểm nổi bật nhất của mạng 3G là khả năng hỗ trợ một lượng lớn các khách hàng trong việc truyền tải âm thanh và dữ liệu - đặc biệt là ở các vùng đô thị, với tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn mạng 2G

3G sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps

trong hệ thống tĩnh Người dùng hy vọng mạng 3G sẽ được phát triển hiệu quả hơn nữa, để các khách hàng của các mạng 3G khác nhau trên toàn cầu có thể kết nối với nhau.

Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng, không giống như mạng GSM Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình

và cho phép mạng lưới có thể được phân chia linh hoạt Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu

âm thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP

- CDMA được dùng trong mạng IMT-2000 3G là WCDMA (Wideband CDMA) và CDMA2000

- Ở Châu Âu, mạng 3G WCDMA được biết như là UMTS (Universal Mobile Telephony System) là một cái tên khác cho W-CDMA/dịch vụ 3G

- UMTS sử dụng WCDMA, WCDMA như chuẩn phát vô tuyến Nó có băng thông kênh là 5 MHz, có thể mang 100 cuộc gọi cùng một lúc, hoặc nó

có thể mang dữ liệu tới 2Mbps Tuy nhiên, với sự tăng cường HSDPA và HSUPA chính là trong những release sau này (R99/R4/R5/R6) của chuẩn, tốc

độ phát dữ liệu tăng tới 14,4 Mbps

- UMTS cho phép cả 2 chế độ FDD và TDD Chế độ đầu tiên là FDD là uplink và downlink trên các tần số khác nhau Không gian giữa chúng là 190MHz cho mạng band1 Ở TDD uplink và downlink được chia theo thời gian với những trạm cơ sở (base station) và sau đó di động phát lần lượt trên cùng tần số, đặc biệt phù hợp tới nhiều loại ứng dụng khác nhau Nó cũng thực hiện ở những cell nhỏ Thời gian bảo vệ được yêu cầu giữa phát và thu

Hệ thống TDD có thể hiệu quả khi sử dụng trong picocell để mang dữ liệu internet

- Tần số: Hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS tầnsố cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 - 2025)MHz và Downlink (2110 - 2200)MHz.

- UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến Điều chế trên đường uplink và downlink là khác nhau Downlink sử dụng dịch khóa pha cầu phương (QPSK) cho tất cả những kênh vận chuyển Tuy nhiên, Uplink sử dụng 2 kênh riêng biệt để thực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng thái on và off để không gây ra nhiễu trên đường audio, những kênh đôi (dual channel phase chifl keying) dùng để mã hóa dữ liệu người dùng tới I hoặc đầu vào In - phase tới bộ điều chế QPSK

- CDMA 2000, chuẩn 3G khác Nó là một sự nâng cấp CDMAOne Nó

sử dụng trải phổ rộng do đó có thể phát và thu thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn, phát dữ liệu internet nhanh, video, và phát nhạc chất lượng CD

∗ Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM

- Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến

- Có khả năng truyền tải đa phương tiện

- Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất

là 2Mbps

- Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn

- Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN

- Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần

so với GSM

- CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin

- Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so với GSM

∗ HSDPA (High Speed Downlink Package Access)

HSDPA hay còn gọi là 3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G Công nghệ của 3,5G chính là HSDPA (High Speed

Downlink Package Access) Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA.

HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường

HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng

di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming [1]

Hình 1.1 Quá trình phát triển của thông tin di động [1]

1.4 Mạng thông tin di động 4G

Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều luôn mong muốn và hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch

vụ hơn với tính năng và chất lượng dịch vụ cao hơn Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đã và đang làm việc để hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư 4G ITU đã lên kế hoạch để

có thể cho ra đời chuẩn này một vài năm tới Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất

1G

2G

3G 3G+

E3 G

IMT Avd 4G

Wimax/IE

E E802.16e Wifi/IE

EE 802.11

< 10Kbps < 20Kbps 300Kbps – 10Mbps < 100Mbps 100Mbps –1Gbps

AMPS TACS

GSM CDMA One

WCDMA CDMA 2001

t

nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay Về lý thuyết, theo tính toán dự kiến tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 288 Mb/s.

Cho đến hiện nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông qua Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G Các sở cứ quan trọng để ITU thông qua cho chuẩn 4G đó chính là từ hỗ trợ của các công ty di động toàn cầu Các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt là sự xuất hiện của ba công nghệ cho việc phát triển mạng di động tế bào LTE (Long-Term Evolution), UMB (Ultramobile Broadband) và WiMAX II (IEEE 802.16m) Ba công nghệ này

có thể được xem là các công nghệ tiền 4G Chúng sẽ là các công nghệ quan trọng giúp ITU xây dựng các phát hành cho chuẩn 4G trong thời gian tới

∗ LTE (Long-Term Evolution)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động 3G UMTS 3GPP bao gồm các tổ chức chuẩn hóa của các nước châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ đã bắt đầu chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G là LTE

LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM, vì thế nó dễ dàng thay thế và triển khai cho nhiều nhà cung cấp dịch vụ Nhưng khác với GSM, LTE

sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz

∗ UMB (Ultra Mobile Broadband)

Tổ chức chuẩn hóa công nghệ thông tin di động 3G CDMA2000 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) được thành lập và phát triển bởi các tổ chức viễn thông của Nhật, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc đã

đề xuất phát triển UMB Thành viên của 3GPP2, Qualcom là người đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù công ty này cũng chú tâm cả vào việc phát triển LTE

UMB dựa trên CDMA có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz đến 20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số UMB được đề xuất với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mb/s cho luồng xuống và 75Mb/s cho luồng trên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz Công nghệ này sẽ cung cấp kết nối thông qua các sóng mang dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.

∗ IEEE 802.16m (WiMAX II)

Như chúng ta đã biết, WiMAX hay chuẩn 802.16 ban đầu được xây dựng cho mục đích chính là cung cấp các dịch vụ mạng cố định Chuẩn IEEE 802.16e được phát triển thêm tính năng di động từ các chuẩn WiMAX trước

đó IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả cố định và di động, là công nghệ truyền thông, truy nhập diện rộng, nó cũng được gọi với một tên khác là WiMAX WiMAX hoạt động trong dải tần từ 10GHz đến 66 GHz

IEEE 802.16m hay còn gọi là WiMAX II là công nghệ duy nhất trong các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA WiMAX II được phát triển lên

từ chuẩn IEEE 802.16e Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 100Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các người dùng tĩnh Khoảng cách truyền cho WiMAX II sẽ khoảng 2 km ở môi trường thành thị và là khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn

Chương 2 Tổng quan về công nghệ LTE

2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE (Long Term Evolution) còn được gọi là EUTRA (Evolved UMTS

Terrestrial Radio Access) hay E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các telco có thể phát triển thêm nhiều dịch

vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng IP tối ưu, và đặc biệt thuận tiện cho việc nâng cấp mạng từ 3G lên 4G

∗ Các đặc điểm của công nghệ

Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu: LTE được xây dựng trên một mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên công nghệ OFDM Được chỉ rõ trong 3GPP Release 8, giao diện không gian LTE kết hợp đa truy nhập và điều chế dựa trên OFDMA cho đường xuống, cùng với SC-FDMA cho đường lên OFDM chia phổ tần khả dụng thành hàng nghìn sóng mang con cực hẹp, mỗi trong số chúng mang một phần của tín hiệu Ở LTE, hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được tăng cường lên nhờ các sơ đồ điều chế bậc cao hơn như là 64QAM, mã hóa xoắn, mã hóa turbo, cùng với các kỹ thuật vô tuyến bổ sung như MIMO và định dạng chùm lên đến 4 anten mỗi trạm Kết quả là thông lượng trung bình gấp 5 lần của HSPA

- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20MHz và dùng 2 anten thu và 2 anten phát;

- Tải xuống: 150 Mbps; Tải lên: 50 Mbps;

- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz và dùng 4 anten thu và 4 anten phát: Tải xuống: 300 Mbps; Tải lên: 75 Mbps;

- Trễ được giảm: Bằng cách giảm thời gian round - trip xuống còn 10

ms hoặc thậm chí ít hơn (so với 40-50ms cho HSPA), LTE cung cấp trải

nghiệm người sử dụng đáp ứng nhanh hơn Điều này cho phép các dịch vụ tương tác, thời gian thực như là trò chơi điện tử nhiều người, hội thảo video/audio chất lượng cao;

- Tối ưu IP (tập trung vào các dịch vụ chuyển mạch gói);

- Hỗ trợ cho cả quang phổ đôi và lẻ;

- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel.6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần;

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15-120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120-350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần); - Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30-100 km thì không hạn chế;

- Hỗ trợ các hết nối điểm - điểm, nâng cao chất lượng dịch vụ, giảm thiểu bít lỗi;

- Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Người sử dụng LTE sẽ

có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và phải truy nhập đến các dịch vụ số liệu cơ sở, thậm chí khi họ nằm trong vùng không phủ sóng LTE Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, liền, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE Hơn thế nữa, LTE/SAE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh;

- Thời gian chuyển mạch trong LTE được rút ngắn hơn so với mạng 2G, LTE được nâng cấp lên từ mạng 2G, 3G;

- Băng tấn sử dụng: LTE có thể được triển khai ở nhiều băng tần khác nhau như ở tần số 700Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz, 2300Mhz;

- Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25Hz, 1.6Hz, 2.5Hz, 5Hz, 10MHz, 15Hz và 20Hz cả chiều lên và xuống;

- Hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế bậc cao 64QAM Mã hóa turbo, mã hóa xoắn cùng với các kỹ thuật vô tuyến bổ sung như kỹ thuật MIMO kết quả là thông lượng trung bình tăng lên 5 lần so với HSPA

- Thiết bị đầu cuối đa dạng: Ngoài điện thoại di động, máy tính và các thiết bị như laptop, máy chơi game và máy ảnh sẽ kết hợp nhúng modul LTE-

Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần

số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output)

- Ngoài ra, LTE có những ưu điểm như giảm thiểu chi phí và tiêu thụ ít năng lượng, và dễ tương thích với các hệ thông UMTS Hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD (Frequency Division Duplexing ) và TDD (time Division Duplexing) [2]

Serving GW

Interrn et

Hình 2.1 Kiến trúc của mạng LTE [4]

Hệ thống LTE được chia làm hai phần chính:

Phần truy nhập vô tuyến mặt đất và hệ thống mạng lõi

2.2.1 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN

E-UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) bao gồm các eNB, sử dụng E-UTRA (UTRA Universal Terrestrial Radio Access) và giao thức điều khiển mặt phẳng giao tiếp đối với UE

- Hoàn toàn phân phối kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến eNB có thể được kết nối với nhau bằng các phương tiện của giao diện X2

- X2 hỗ trợ di động tăng cường, quản lý nhiễu giữa các tế bào

- eNB được kết nối bằng phương tiện của giao diện S1 cho Evolved Packet Core (EPC)

∗ eNodeB ( Evoled NodeB)

eNodeB Là trạm gốc được tăng cường mới, có tên là Evolved NodeB

dựa trên chuẩn 3GPP Nó là một BTS được tăng cường cung cấp giao diện

không gian LTE và thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống truy nhập tiên tiến

Chức năng của enodeB :

- Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến;

- Nén IP header và mã hoá dòng dữ liệu người sử dụng;

- Định tuyến dữ liệu mặt phẳng người sử dụng (user plane) hướng tới cổng dịch vụ Serving Gateway;

- Lập lịch và truyền dẫn những thông báo tìm gọi (bắt nguồn từ MME);

- Lập lịch và truyền dẫn thông tin quảng bá (bắt nguồn từ MME hoặc O&M);

- Bảo đảm chất lượng dịch vụ;

- Thực hiện các cuộc chuyển giao với các UE;

Đối với LTE, các eNB sử dụng chung băng tần giống như CDMA, còn để phân biệt các eNB với nhau thì người ta dùng tín hiệu Cell ID, tín hiệu này được mang trong một cái được gọi là RS (Reference Signal/Reference Symbol) [4]

2.2.2 EPC ( evoled packet core )

EPC ( evoled packet core ): Hệ thống mạng lõi.

Hệ thống mạng lõi của LTE đã cải tiến và phát triển chỉ sử dụng duy nhất một phương thức là chuyển mạch gói Và truyền dữ liệu, xác định vị trí thuê bao bằng phương thức định tuyến IP trong toàn bộ hệ thống

Kiến trúc mạng được rút gọn hơn so với mạng 3G góp phần làm giảm giá thành khi triển khai mạng

∗ Chức năng của các khối trong mạng lõi.

2.2.2.1 PDN Gateway (Packet Data Network Gateway)

PDN GW cung cấp kết nối cho UE tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểm vào ra của lưu lượng cho UE Một UE có thể đồng thời kết nối với nhiều hơn một PDN GW để truy nhập nhiều PDN

Chức năng của PDN GW gồm có:

- Quản lý một quý địa chỉ IP và cấp phát các địa chỉ IP cho các UE;

- Thực hiện sự cưỡng bức chính sách (Policy enforcement);

- Lọc gói cho mỗi user;

2.2.2.2 Serving Gateway (SGW)

Serving Gateway: Cổng phục vụ, là một node kết thúc trong giao diện

hướng tới EUTRAN

Chức năng của SGW bao gồm:

- Truyền tải dữ liệu người dùng giữa mạng vô tuyến và mạng lõi thông qua giao thức GTP;

- SGW định tuyến và hướng các gói dữ liệu dữ liệu người sử dụng;

- EUTRAN ngừng bộ đệm gói đường xuống và bắt đầu mạng thúc đẩy thủ tục yêu cầu dịch vụ;

- Khi các UE ở trạng thái rỗi, SGW kết thúc đường dữ liệu Downlink

và kích hoạt tìm gọi khi dữ liệu downlink chuyển tới UE;

- Quản lý và lưu trữ các văn cảnh của UE;

- Thực hiện sao chép của lưu lượng sử dụng trong trường hợp ngăn chặn hợp Pháp;

2.2.2.3 MME (Mobility Management Entity)

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

điều khiển quan trọng của mạng truy nhập LTE MME quản lý tính lưu động, xác nhận UE và những tham số bảo mật

Chức năng của MME bao gồm:

- Báo hiệu NAS (Non Access Stratum) hoàn thành tại MME, và nó cũng chịu trách nhiệm về sự phát sinh và sự định vị của sự nhận dạng tạm thời các UE;

- MME cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính lưu động giữa LTE và mạng truy nhập 2G, 3G;

- Trạng thái UE rỗi – Idle theo dõi và khả năng liên lạc (bao gồm điều kiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi);

- Theo dõi quản lý danh sách vùng;

- Kiểm tra tính xác thực của UE đến trạm trên dịch vụ của nhà cung cấp PLMN và giám sát việc thi hành sự giới hạn Roaming cho UE;

- Lựa chọn GW (sự lựa chọn Serving GW và PDN GW);

- Lựa chọn MME cho chuyển giao khi thay đổi MME;

- Lựa chọn SGSN chuyển giao tới các mạng truy nhập 2G, 3G, 3GPP;

- Nó chịu trách nhiệm chứng thực các user (bằng cách tương tác với HSS -Home Subscriber Service);

- MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịch mật mã, bảo vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật;

2.2.3 Các giao diện liên kết

∗ Giao diện S1

Giao diện S1 là giao diện giữa E-UTRAN và EPC Nó được chia thành hai phần: S1-U, và S1-MME S1-U có chức năng chuyển tải dữ liệu giữa các eNode B và các GW phục vụ S1-MME là một giao diện báo hiệu chỉ giữa các eNode B và các MME

2.2.4 Giao thức giao diện vô tuyến.

Dữ liệu được truyền trên đường xuống dưới dạng các gói IP trên một trong những tải tin SAE (SAE bearers) Trước khi truyền đi qua giao diện vô

tuyến, những gói IP đến (incoming IP packets) sẽ đi qua nhiều phần tử, được tổng kết dưới đây và được mô tả chi tiết hơn trong những phần sau:

Hình 2.2 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống)

∗ Packet Data Convergence Protocol ( PDCP)

Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gói.

Thực hiện việc nén tiêu đề IP (IP header) để làm giảm số lượng bit cần thiết cho việc truyền dẫn thông qua giao diện vô tuyến

Cơ chế nén tiêu đề dựa trên ROHC, một thuật toán nén tiêu đề tiêu chuẩn được sử dụng trong WCDMA cũng như là trong các tiêu chuẩn thông tin di động khác PDCP cũng đảm nhiệm việc mã hóa và bảo vệtính toàn vẹn của dữ liệu được truyền đi Tại phía thu, giao thức PDCP sẽ thực hiện công việc giải nén và giải mã thông tin Chỉ có một phần tử PDCP trên một tải tin vô tuyến được cấu

∗ Radio Link Control ( RLC)

Radio Link Control: Điều khiển liên kết vô tuyến

RLC LTE, tương tự như WCDMA/HSPA, đảm nhiệm việc phân đoạn (nén tiêu đề) các gói IP, còn được xem như là RLC SDUs, từ PDCP thành những đơn vị nhỏ hơn, RLC PDUs (Nhìn chung, các phần tử dữ liệu đến từ một lớp giao thức cao hơn thì được xem như là một Đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU - Service Data Unit và phần tử tương ứng đến từ một lớp giao thức thấp hơn được biểu thị như Đơn vị dữ liệu giao thức PDU - Protocol Data Unit) Nó cũng điều khiển việc truyền lại các PDUs bị nhận nhầm, cũng như là xóa bỏ những PDUs bị nhân đôi(duplicate removal) và ghép nối các PDUs nhận được Cuối cùng, RLC sẽ đảm bảo việc phân phát theo trình tự các RLC SDUs lên các lớp bên trên

Ngoài ra RLC đảm nhiệm việc ghép nối, điều khiển việc truyền lại, và phân phát lên các lớp cao hơn theo thứ tự RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng các tải tin vô tuyến Chỉ có một phần tử RLC trên một tải tin

vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động [3]

Hình 2.3 Phân đoạn và hợp đoạn RLC [3]

∗ Medium Access Control (MAC)

Medium Access Control: Điều khiển truy cập môi trường

MAC điều khiển việc truyền lại hybrid-ARQ và hoạch định đường lên, đường xuống Có chức năng hoạch định được định vị trong eNodeB, và nó

RLC header

RLC header RLC PDU

chỉ có một phần tử MAC cho một tế bào, cho cả đường lên và đường xuống Phần giao thức hybrid ARQ có mặt trong cả đầu cuối phát và thu của giao thức MAC Khối MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic.

∗ Physical layer (PHY)

Physical layer: Lớp vật lý Có chức năng điều khiển việc mã hóa, giải

mã, điều chế, giải điều chế, ánh xạ đa anten (multi antenna mapping), và các chức năng lớp vật lý tiêu biểu khác Lớp vật lý cung cấp dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh chuyển tải (transport channels)

Hình 2.4 Mối liên hệ giữa các kênh trong đường xuống [2]

Hình 2.5 Các kênh trong đường lên [2]

2.2.5 Kênh chuyển tải

Uplink Transpor chanels

Uplink Logical chanels

PMCH PHICH

PCFICH PDSCH

PBCH PDCCH

MCH BCH

PCH

Logical Chanel

Transport Chanel

Physical Chanel

DL-SCH

HI CFI

DCI

Kênh chuyền tải để giảm độ phức tạp của kiến trúc giao thức LTE, số lượng các kênh chuyền tải đã giảm Điều này chủ yếu là do tập trung vào chia

sẻ kênh hoạt động, tức là không có kênh chuyên dụng được sử dụng nữa.

2.2.5.1 Kênh chuyển tải đường xuống

∗ BCH (Broadcast Channel): Kênh quảng bá.

Kênh quảng bá có một định dạng truyền tải cố định, được cung cấp bởi các đặc tính kỹ thuật Nó được dùng cho việc truyền dẫn những thông tin trên kênh logic BCCH

∗ PCH (Paging channel): Kênh tìm gọi.

Được dùng cho việc paging thông tin trên kênh logic PCCH Kênh PCH hỗ trợ việc thu nhận không liên tục (discontinous reception - DRX) nhằm cho phép thiết bị đầu cuối di động tiết kiệm năng lượng pin bằng cách ngủ (sleeping) và chỉ thức (wake up) khi nhận PCH tại những thời điểm xác định trước

∗ MCH (Multicast Channel): Kênh multicast.

Kênh multicast được dùng để hỗ trợ MBMS vàđược đặc trưng bởi định dạng

truyền tải bán tĩnh và hoạch định bán tĩnh (semi- static transport format and semi-static scheduling) Trong trường hợp truyền dẫn nhiều tế bào (multi-cell transmission) sử dụng MBSFN, cấu hình định dạng truyền tải và hoạch định được điều phối giữa những tế bào liên quan trong truyền dẫn MBSFN

∗ DL - SCH (Downlink Shared Channel): Kênh chia sẻ đường xuống.

Kênh chia sẻ đường xuống là kênh truyền tải được dùng cho truyền dẫn

dữ liệu đường xuống trong LTE

2.2.5.2 Kênh chuyền tải đường lên.

∗ UL - SCH (Uplink shared channel): Kênh chia sẻ đường lên.

Kênh chia sẻ đường lên là kênh truyền tải được dùng cho truyền dẫn dữ liệu đường lên trong LTE

∗ RACH (Random Access Channel): Kênh truy cập ngẫu nhiên.

Các thủ tục RACH được sử dụng trong bốn trường hợp:

- Đầu tiên truy cập từ trạng thái bị ngắt kết nối (RRC-IDLE) hay lỗi vô tuyến

- Chuyển giao đòi hỏi thủ tục truy cập ngẫu nhiên

- DL hoặc UL đến dữ liệu trong quá trình RRC-CONNECTED sau khi UL-PHY đã mất đồng bộ hóa (có thể do tiết kiệm điện năng hoạt động)

- UL dữ liệu đến khi không chuyên yêu cầu lập kế hoạch (PUCCH) các kênh có sẵn

2.2.6 Kênh logic

Chức năng của kênh logic là cung cấp các dịch vụ cho MAC

Kênh logic được phân ra làm hai loại là kênh điều khiển và kênh lưu lượng

2.2.6.1 Các loại kênh logic điều khiển.

∗ BCCH (Broadcast Control Channel): Kênh điều khiển quảng bá.

Được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển hệ thống từ mạng tới tất cả các thiết bị đầu cuối di động trong một tế bào Trước khi truy nhập vào

hệ thống, một thiết bị đầu cuối di động cần phải đọc những thông tin được truyền trên kênh BCCH để tìm ra cách thức hệ thống được cấu hình, ví dụ như băng thông của hệ thống

∗ PCCH (Paging Control Channel): Kênh tìm gọi.

Được sử dụng cho việc tìm gọi của các thiết bị đầu cuối di động mà mạng không biết được vị trí của nó về mức tế bào (cell level) và vì vậy tin nhắn tìm gọi cần được truyền trong nhiều tế bào

∗ DCCH (Dedicated Control Channel): Kênh điều khiển dành riêng.

Kênh điều khiển dành riêng được dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển tới hoặc từ thiết bị đầu cuối di động Kênh này được sử dụng cho việc cấu

hình riêng lẻ từng thiết bị đầu cuối di động ví dụ như những tin nhắn chuyển giao khác nhau.

∗ MCCH (Multicast Control Channel): Kênh điều khiển multicast.

Kênh điều khiển multicast được dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển được yêu cầu cho việc tiếp nhận của MTCH

2.2.6.2 Kênh logic lưu lượng Kênh lưu lượng bao gồm:

∗ DTCH (Dedicated Traffic Channel): Kênh lưu lượng dành riêng.

Kênh lưu lượng dành riêng được dùng cho việc truyền dữ liệu người dùng đến hoặc từ một thiết bị đầu cuối di động Đây là 1 loại kênh logic được dùng để truyền dữ liệu người dùng đường lên và đường xuống

∗ MTCH (Multicast Traffic Channel): Kênh lưu lượng multicast.

Kênh lưu lượng multicast được dùng cho truyền dẫn đường xuống

những dịch vụ MBMS

2.2.7 Kênh vật lý

2.2.7.1 Các loại kênh vật lý đường xuống

∗ PBCH (Physical Broadcast Channel): Kênh phát vật lý Đây kênh vật lý

mang hệ thống thông tin cho các UE yêu cầu truy cập mạng

∗ PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel): Kênh chỉ tiêu điều khiển vật lý.

∗ PDCCH (Physical Downlink Control Channel): Kênh điều khiển vật lý đường xuống Kênh này có nhiệm vụ là lập lịch thông tin.

∗ PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel): Kênh chỉ định Hybrid ARQ.

Kênh này được sử dụng để báo cáo tình trạng Hybrid ARQ

∗ PDSCH (Physical Downlink Shared Channel): Kênh chia sẻ đường xuống.

Kênh này được sử dụng cho các chức năng vật lý đường xuống.

∗ PMCH: (Physical Multicast Channel): Kênh này mang thông tin cho các

mục đích multicast

∗ PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel): Kênh nhận dạng điều khiển vật lý Kênh này cung cấp thông tin để cho phép các UE để giải mã

các PDSCH

2.2.7.2 Các loại kênh vật lý đường lên

∗ PUCCH (Physical Uplink Control Channel): Kênh điều khiển đường lên

Có chức năng là gửi và nhận Hybrid ARQ

∗ PUSCH (Physical Uplink Shared Channel): Kênh chia sẻ đường lên Đây

là kênh vật lý được tìm thấy trên các đường lên LTE là bản sao đường lên của PDSCH

∗ PRACH) (Physical Random Access Channel): Kênh này được sử dụng

cho chức năng truy cập ngẫu n

Chương 3 Truy nhập vô tuyến trong

công nghệ trong LTE

Trong chương trước, chúng ta đã tìm hiểu về cấu trúc hệ thống và chức năng các thành phần trong hệ thống LTE

Trong chương này sẽ giúp chúng ta hiểu được các phương thức truy nhập vô tuyến của mạng

Công nghệ LTE hỗ trợ truy nhập đường lên và đường xuống theo hai phương thức khác nhau:

Đường lên sử dụng phương thức đa truy nhập sóng đơn SC-FDMA;

Đường xuống sử dụng phương thức đa truy nhập sóng mang OFDMA

Ở phía thu và phía phát sử dụng công nghệ MIMO

Hình 3.1 OFDM và SC-FDMA

3.1 Truy nhập đường xuống

3.1.1 Khái quát về công nghệ OFDM.

Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal frequency division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở

các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu.

- Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa chúng, làm giảm chất lượng thông tin

- OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng mang trực giao Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol Như vậy trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau Như vậy mỗi sóng mang sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau

- Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp Tập hợp các dòng dữ liệu thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm:

- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval leght) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

- Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

- Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

- Hiệu quả sử dụng phổ rất cao

- Khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây)

- Dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị

bỏ qua , không sử dụng)

- Tốc độ truyền tải lên và tải xuống có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng

- Sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của

ký tự tương ứng sẽ được kéo dài

- OFDM cung cấp khả năng truy nhập vào miền tần số, bằng cách thiết lập một độ tự do bổ sung (degree of fredom) cho khối hoạch định phụ thuộc kênh truyền (channel dependent scheduler) so với HSPA

- OFDM dễ dàng hỗ trợ cho việc phân bố băng thông một cách linh hoạt, bằng cách biến đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang phụ để truyền đi Tuy nhiên chú ý rằng là việc hỗ trợ nhiều phân bố phổ đòi hỏi cần phải có bộ lọc RF linh hoạt (flexible RF filtering) khi đó thì sơ đồ truyền dẫn chính xác là không thích hợp

Tuy nhiên, việc duy trì cấu trúc xử lý băng tần cơ sở giống nhau (the same base band processing structure), không phụ thuộc băng thông sẽ nới lỏng việc triển khai đầu cuối

- Hỗ trợ dễ dàng cho việc truyền dẫn broadcast/mulitcast, khi mà những thông tin giống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc

- Ngoài ra OFDM có thể được sử dụng trong cả hai định dạng FDD và TDD đây là một lợi thế trong việc triển khai mạng sau này

3.1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

- Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng