Công nghệ L TE cho mạng di động băng rộng

Giới thiệu về công nghệ và mục tiêu thiết kế L TE

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE 9

1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 9

1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE 10

1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax 10

1.2.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE 13

1.3 Mục tiêu thiết kế LTE 15

1.3.1 Tiềm năng công nghệ 15

1.3.2Hiệu suất hệ thống 16

1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai 18

1.3.3.1 Độ linh hoạt phổ và việc triển khai 19

1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration) 21

1.3.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến 21

1.3.6 Độ phức tạp 22

1.3.7 Những vấn đề chung 22

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 23

2.1Hệ thống truyền dẫn: đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA 23

2.2Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ (Channel-dependent scheduling and rate adaptation) 25

2.2.1 Hoạch định đường xuống 26

2.2.2 Hoạch định đường lên 27

2.2.3 Điều phối nhiễu liên tế bào (Inter-cell interference coordination) 28

2.3 ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft combining) 29

2.4 Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support) 29

2.5 Hỗ trợ multicast và broadcast 30

2.6 Tính linh hoạt phổ 31

2.6.1 Tính linh hoạt trong sắp xếp song công 32

2.6.2 Tính linh hoạt trong băng tần hoạt động 32

2.6.3 Tính linh hoạt về băng thông 33

CHƯƠNG 3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE 34

3.1 RLC: radio link control – điều khiển liên kết vô tuyến 37

3.2 MAC: điều khiển truy nhập môi trường (medium access control) 38

3.2.2 Hoạch định đường xuống 41

3.2.3 Hoạch định đường lên 43

3.2.4 Hybrid ARQ 46

3.3 PHY: physical layer - lớp vật lý 50

3.4 Các trạng thái LTE 53

3.5 Luồng dữ liệu 54

CHƯƠNG 4 LỚP VẬT LÝ LTE 56

4.1 Kiến trúc miền thời gian toàn phần (Overall time-domain structure) 56

4.2 Sơ đồ truyền dẫn đường xuống 58

4.2.1 Tài nguyên vật lý đường xuống 58

4.2.2 Các tín hiệu tham khảo đường xuống 63

4.2.2.1 Các chuỗi tín hiệu tham khảo và việc nhận dạng tế bào lớp vật lý (Reference signals sequences and physical layer cell identity) 64

4.2.2.2 Nhảy tần tín hiệu tham khảo (Reference signal frequency hopping) 65

4.2.2.3 Các tín hiệu tham khảo cho truyền dẫn đa anten (Reference signals for multi-antenna transmission) 66

4.2.3 Xử lý kênh truyền tải đường xuống 67

4.2.3.1 Chèn CRC 70

4.2.3.2 Mã hóa kênh 70

4.2.3.3 Chức năng Hybrid-ARQ lớp vật lý 71

4.2.3.4 Ngẫu nhiên hóa mức độ bit 71

4.2.3.5 Điều chế dữ liệu 73

4.2.3.6 Ánh xạ anten 73

4.2.3.7 Ánh xạ khối tài nguyên 73

4.2.4 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống 75

4.2.5 Truyền dẫn nhiều anten đường xuống 77

4.2.5.1 Hai anten mã hóa khối không gian-tần số (SFBC) 79

4.2.5.2 Tạo dạng tia (beam-forming) 79

4.2.5.3 Ghép kênh không gian 80

4.2.6 Multicast/broadcast sử dụng MBSFN 81

4.3 Scheme truyền dẫn đường lên 82

4.3.1 Tài nguyên vật lý đường lên 82

4.3.2 Tín hiệu tham khảo đường lên 86

4.3.2.1 Nhiều tín hiệu tham khảo 89

4.3.2.2 Tín hiệu tham khảo cho việc dò kênh 90

4.3.3 Xử lý kênh truyền tải đường lên 93

4.3.4 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên 95

4.3.5 Định thời sớm đường lên (Uplink timing advance) 98

CHƯƠNG 5 CÁC THỦ TỤC TRUY CẬP LTE 101

5.1 Dò tìm tế bào (cell search) 101

5.1.1 Thủ tục dò tìm cell (cell search) 101

5.1.2 Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ 103

5.1.3 Dò tìm cell ban đầu và kế cận 105

5.2 Truy cập ngẫu nhiên 106

5.2.1 Bước 1: Truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên 107

5.2.2 Bước 2: Đáp ứng truy cập ngẫu nhiên 111

5.2.3 Bước 3: Nhận dạng đầu cuối 112

5.2.4 Bước 4: Giải quyết tranh chấp 113

5.3 Paging 114

KẾT LUẬN 116

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1 Kiến trúc của mạng LTE

1.2 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác

1.3 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000

1.4 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của một hệ thống GSM đã được triển khai

2.1 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền đường xuống trong miền thời gian và tần số2.2 Một ví dụ về điều phối nhiễu liên tế bào, nơi mà các phần phổ bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn

2.3 FDD vs TDD

3.1 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống)

3.2 Phân đoạn và hợp đoạn RLC

3.3 Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic lên các kênh truyền dẫn

3.4 Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và đường lên (bên phải)

3.5 Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ

3.6 Nhiều tiến trình hybrid-ARQ song song

3.7 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH

3.8 Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH

3.9 Các trạng thái LTE

3.10 Một ví dụ về luồng dữ liệu LTE

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

4.3 Tài nguyên vật lý đường xuống LTE

4.4 Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE

4.5 Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE

4.6 Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường

4.7 Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống LTE dành cho tiền tố chu trình bình thường

4.8 Cấu trúc tín hiệu tham khảo trong trường hợp truyền dẫn nhiều anten đường xuống

4.9 Xử lý kênh truyền tải đường xuống

4.15 Ánh xạ khối tài nguyên đường xuống

4.16 Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống

4.17 Lưới thời gian/tần số LTE

4.18 Các phần tử kênh điều khiển và các ứng cử kênh điều khiển

4.19 Ánh xạ anten LTE bao gồm việc ánh xạ lớp sau quá trình tiền mã hóa

4.20 Mã hóa hai anten khối không gian-tần số trong kết cấu khung nhiều anten LTE

4.21 Tạo dạng tia (beam-forming) trong kết cấu khung nhiều anten LTE

4.22 Ghép kênh không gian trong kết cấu khung nhiều anten LTE

4.23 Những ký hiệu tham khảo riêng tế bào và chung tế bào trong các khung phụ MBSN

4.24 Kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM

4.25 Kiến trúc miền tần số đường lên LTE

4.26 Cấu trúc khe thời gian và khung phụ đường lên LTE

4.27 Cấp phát tài nguyên đường lên LTE

4.28 Nhảy tần đường lên

4.29 Tín hiệu tham khảo đường lên được chèn vào trong khối thứ tư của mỗi khe thời gian đường lên

4.30 Sự hình thành tín hiệu tham khảo đường lên miền tần số

4.31 Phương pháp tạo ra tín hiệu tham khảo đường lên từ chuỗi Zadoff-Chu có độ dài tốt nhất

4.32 Truyền dẫn các tín hiệu tham khảo thăm dò kênh đường lên4.33 Xử lý kênh truyền tải đường lên LTE

4.34 Ghép kênh dữ liệu và báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 trong trường hợp truyền dẫn đồng thời UL-SCH và điều khiển L1/L2

4.35 Kiến trúc tài nguyên được sử dụng cho báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên trong trường hợp không truyền dẫn đồng thời UL-SCH

4.36 Đề xuất định thời đường lên

5.1 Tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp

5.2 Việc phát tín hiệu đồng bộ trong miền tần số

5.3 Tổng quan của thủ tục truy cập ngẫu nhiên

5.4 Miêu tả nguyên lý của truyền dẫn preamble truy cập ngẫu nhiên

5.5 Định thời Preamble ở eNodeB cho người sử dụng truy cập ngẫu nhiên khác nhau

5.6 Sự hình thành phần mở đầu truy cập ngẫu nhiên

5.7 Việc dò tìm phần mở đầu truy cập ngẫu nhiên trong miền tần số

5.8 Việc thu nhận không liên tục (DRX) cho tìm gọi (paging)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1.1 Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP

1.2 LTE và WiMAX

1.3 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

1.4 Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai Hệ thống di động thế

hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng

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) Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay.

Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Công nghệ LTE cho mạng di động băng rộng” 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 5 chương:

 Chương 1 Giới thiệu về công nghệ và mục tiêu thiết kế LTE

 Chương 2 Tổng quan về truy cập vô tuyến trong LTE

 Chương 3 Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE

 Chương 4 Lớp vật lý LTE

 Chương 5 Các thủ tục truy cập LTE

Tuy nhiên do LTE là công nghệ vẫn đang được nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện cũng như là do những giới hạn về kiến thức của người trình bày nên đồ

án này chưa đề cập được hết các vấn đề của công nghệ LTE và không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Tâm

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE

1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế

hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng 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 Đặc tả kỹ thuật cho LTE đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong 2 năm tới

Các mục tiêu của công nghệ này là:

- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:

o Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps

- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel 6:

o 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

Hình 1.1 - Kiến trúc của mạng LTE

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

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 - đa nhập đa xuất)

Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả

2 chế độ FDD và TDD

1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ LTE

1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax

Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP Cả hai đều dùng kỹ thuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video Theo lý thuyết, chuẩn WiMax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc

độ đến 300Mbps Tuy nhiên, khi LTE được triển khai ra thị trường có thể WiMax cũng sẽ được nâng cấp lên chuẩn 802.16m (còn được gọi là WiMax 2.0) có tốc độ tương đương hoặc cao hơn

Hình 1.2 Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác.

Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2 công nghệ WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – một biến thể của OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA

LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex) Ngược lại, WiMax hiện chỉ tương thích với TDD (theo một báo cáo được công bố đầu năm nay, WiMax Forum đang làm việc với một phiên bản Mobile WiMax tích hợp FDD) TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùng phương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 2 kênh tần số riêng biệt Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn WiMax Tuy nhiên, sự khác biệt công nghệ không có ý nghĩa quyết định trong cuộc chiến giữa WiMax và TLE

Bảng 1.1: Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP

Release

5 Quí 1/2002 Giới thiệu IMS (IP Multimedia Subsystems) và HSDPA (High-Speed Download

Packet Access).

Release

6 Quí 4/2004 Kết hợp với Wireless LAN, thêm HSUPA (High-Speed Upload Packet Access)

và các tính năng nâng cao cho IMS như Push to Talk over Cellular (PoC).

Release

Tập trung giảm độ trễ, cải thiện chất lượng dịch vụ và các ứng dụng thời gian thực như VoIP Phiên bản này cũng tập trung vào HSPA+ (High Speeed Packet Evolution) và EDGE Evolution.

Release

8

Dự kiến cuối năm

2008 hoặc đầu năm

2009

Giới thiệu LTE và kiến trúc lại UMTS như là mạng IP thế hệ thứ tư hoàn toàn dựa trên IP.

Hiện tại WiMax có lợi thế đi trước LTE: mạng WiMax đã được triển khai

và thiết bị WiMax cũng đã có mặt trên thị trường, còn LTE thì sớm nhất cũng phải đến năm 2010 người dùng mới được trải nghiệm Tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan trọng so với WiMax LTE được hiệp hội các nhà khai thác GSM (GSM Association) chấp nhận là công nghệ băng rộng di động tương lai của hệ di động hiện đang thống trị thị trường di động toàn cầu với khoảng 2,5 tỉ thuê bao (theo Informa Telecoms & Media) và trong 3 năm tới có thể chiếm thị phần đến 89% (theo Gartner) – những con số “trong mơ” đối với WiMax Hơn nữa, LTE cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần đầu tư thêm thiết bị) trong khi WiMax phải xây dựng từ đầu

Bảng 1.2: LTE và WIMAX

Tính năng 3GPP LTE RAN1 802.16e/Mobile WiMax R1 802.16m/Mobile WiMax R2

Ghép kênh TDD, FDD TDD TDD, FDD

Băng tần dự kiến 700MHz – 2,6GHz 2,3GHz, 2,5GHz, 3,3-3,8GHz2,3GHz, 2,5GHz, 3,3-3,8GHz Tốc độ tối đa

Dự kiến trong năm 2009

Triển khai ra thị trường 2009-2010/2012 2007-2008/2009 2010

Thời thế đổi thay, nhận thấy lợi thế của LTE, một số nhà khai thác mạng

đã cân nhắc lại việc triển khai WiMax và đã có nhà khai thác quyết định từ bỏ con đường WiMax để chuyển sang LTE, đáng kể trong số đó có hai tên tuổi lớn nhất tại Mỹ là AT&T và Verizon Wireless Theo một khảo sát do RCR Wireless News

và Yankee Group thực hiện gần đây, có đến 56% nhà khai thác di động chọn LTE, chỉ có 30% đi theo 802.16e Khảo sát cho thấy các nhà khai thác di động ở Bắc

Mỹ và Tây Âu nghiêng về LTE, trong khi các nước mới phát triển (đặc biệt là ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương) thì ủng hộ WiMax

Nhiều hãng sản xuất thiết bị đi nước đôi, một mặt tuyên bố vẫn ủng hộ WiMax, mặt khác lại dốc tiền đầu tư cho LTE Ngay như Intel, đầu tàu hậu thuẫn WiMax, cũng “đổi giọng” Cả Siavash M Alamouti, giám đốc kỹ thuật Wireless Mobile Group và Sean Maloney, giám đốc tiếp thị của Intel, trong các phát biểu gần đây đều cho rằng WiMax có thể “hoà hợp” với LTE

Trong cuộc đua 4G, WiMax và LTE hiện là hai công nghệ sáng giá nhất Liệu hai công nghệ này có thể cùng tồn tại độc lập hay sẽ sát nhập thành một chuẩn chung? Hiệu năng của WiMax và LTE tương đương nhau, do vậy việc quyết định hiện nay phụ thuộc vào yếu tố sẵn sàng và khả năng thâm nhập thị trường

1.2.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE

- Các đại gia viễn thông hướng đến LTE:

Nhận thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này, ngành công nghiệp di động đang đoàn kết xung quanh hệ thống LTE với hầu hết các công ty viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, France Telecom/Orange, Nokia, Nokia Siemens Networks, AT&T, T-Mobile, Vodafone, China Mobile, Huawei, LG Electronics, NTT DoCoMo, Samsung, Signalion, Telecom Italia, ZTE Kế hoạch thử nghiệm và triển khai công nghệ này đang được các công ty trên cùng hợp tác thúc đẩy, dự kiến vào khoảng năm 2009-2010 sẽ được thương mại hóa đến với người dùng

Mạng NTT DoCoMo của Nhật sẽ đi tiên phong khi đặt mục tiêu khai trương dịch vụ vào năm 2009

Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, và China Mobile tuyên bố hợp tác thử nghiệm LTE vào năm nay Việc triển khai cơ sở hạng tầng cho LTE sẽ bắt đầu vào nửa sau của năm 2009 và kế hoạch cung cấp dịch vụ sẽ bắt đầu vào năm 2010

Với việc dành được số lượng giấy phép sử dụng băng tần 700 MHz thứ 2 sau Verizon, mạng AT&T cũng lên kế hoạch sử dụng băng tần này cho LTE Hãng này tuyên bố có đủ băng thông 20 MHz dành cho LTE để phủ sóng 82% dân số của 100 thành phố hàng đầu của Mỹ Như vậy 2 mạng chiếm thị phần lớn nhất của

Mỹ đều chọn LTE là giải pháp tiến lên 4G

Mạng Telstra của Úc gần đây cũng đã xác nhận phát triển theo hướng LTE Hãng TeliaSonera, nhà cung cấp lớn nhất cho thị trường Bắc Âu và vùng Baltic cũng cam kết sẽ sử dụng công nghệ LTE cho các thị trường của mình

Ngày 11/6/2008, theo Financial Times, cổ phiếu của Nortel, nhà sản xuất viễn thông nổi tiếng của Canada, đã tăng 13% khi hãng tuyên bố tập trung các nỗ lực nghiên cứu không dây vào công nghệ LTE thay vì công nghệ đối thủ WiMAX

- Tương lai không còn xa

Vào ngày 19/12/2007, hãng Nokia Siemens Networks đã công bố thử nghiệm thành công công nghệ LTE với tốc độ lên đến 173 Mb/s trong môi trường

đô thị với nhiều thuê bao cùng lúc Trên băng tần 2,6 GHz với 20MHz băng thông, tốc độ này đã vượt xa tốc độ yêu cầu là 100 Mbps

Giám đốc kỹ thuật của hãng, ông Stephan Scholz phát biểu: “Khi thế giới tiến gần đến con số 5 tỉ thuê bao vào năm 2015, theo tiên đoán của chúng tôi, các nhà cung cấp dịch vụ di động sẽ phải sử dụng tất cả các băng tần với một cấu trúc mạng đơn giản nhất và hiệu quả chi phí cao nhất để phục vụ lưu lượng liên lạc cao hơn 100 lần Cuộc thử nghiệm thực tế này là một chứng minh ban đầu quan trọng cho khái niệm về LTE”

Cuộc gọi thoại đầu tiên giữa 2 điện thoại LTE đã được trình diễn vào Hội nghị Thế giới di động (Mobile World Congress) được tổ chức vào tháng 2/2008 tại Barcelona, Tây Ban Nha Vào tháng 3 vừa qua, mạng NTT DoCoMo đã thử nghiệm LTE đạt đến tốc độ 250Mbps

Tại các triển lãm viễn thông quốc tế gần đây, các nhà sản xuất Huawei, Motorola, Ericsson… cũng đã biểu diễn LTE với các ứng dụng như xem tivi chất lượng cao HDTV, chơi game online…

Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ khả năng 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 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, điện thoại

thấy hình, chơi game trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… Và hãy nhớ: với tốc độ siêu tốc.

1.3 Mục tiêu thiết kế LTE

Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân năm

2005 đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE Những mục tiêu

và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913 Những yêu cầu cho LTE được chia thành 07 phần khác nhau như sau:

• Tiềm năng, dung lượng

• Hiệu suất hệ thống

• Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

• Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

• Quản lý tài nguyên vô tuyến

• Độ phức tạp

• Những vấn đề chung

1.3.1 Tiềm năng công nghệ

Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là

100 Mbit/s và đường lên là 50 Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 MHz Khi mà phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo Do đó, điều kiện đặt ra là có thể biểu diễn được 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5 bit/s/Hz cho đường lên Như sẽ được thảo luận dưới đây, LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống, theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời Do đó mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời Mặt khác, đối với trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho phép quá trình phát và thu đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý thuyết ở trên

Yêu cầu về độ trễ được chia thành: yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển (the control-plane latency requirements) và yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng (the user-plane latency requirements) Yêu cầu độ trễ control-plane xác định độ trễ

trạng thái tích cực khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể gửi và nhận dữ liệu Có hai cách xác định: cách xác định thứ nhất được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp

từ trạng thái tạm trú (camped state) chẳng hạn như trạng thái Release 6 idle mode, khi đó thì thủ tục chiếm 100 ms; cách xác định thứ hai được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ chẳng hạn như trạng thái Release 6 Cell_PCH, khi đó thì thủ tục chiếm 50 ms Trong cả hai thủ tục này, thì độ trễ chế độ ngủ và việc báo hiệu non-RAN đều được loại trừ (Chế độ Release 6 idle là 1 trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là, mạng truy nhập vô tuyến không có bất cứ thuộc tính nào của thiết bị đầu cuối và thiết bị đầu cuối cũng không được chỉ định một tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối có thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe hệ thống mạng tại những khoảng thời gian cụ thể Trạng thái Release 6 Cell_PCH là trạng thái khi mà thiết

bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết bị đầu cuối đang ở trong tế bào nào nhưng thiết bị đầu cuối lại không được cấp phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế độ ngủ)

Yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện quan thời gian để truyền một gói IP nhỏ từ thiết bị đầu cuối tới nút biên RAN hoặc ngược lại được

đo từ lớp IP Thời gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5 ms trong mạng không tải (unloaded network), nghĩa là không có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện trong tế bào

Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần 5 MHz Trong mỗi phân bố rộng hơn 5 MHz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ Số lượng thiết bị đầu cuối không tích cực trong tế bào không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể

thu thì một bộ thu RAKE đơn giản vẫn được áp dụng Tương tự, ghép kênh không gian cũng không được áp dụng trong hệ thống chuẩn.

Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố người dùng trung bình và tại sự phân bố người dùng phân vị thứ 5 (khi mà 95% người dùng có được chất lượng tốt hơn) Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ,

và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo tế bào tính theo bit/s/MHz/cell Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong bảng 1.3

Bảng 1.3 - Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng

Phương pháp đo hiệu suất Mục tiêu đường xuống so với cơ bản Mục tiêu đường lên so với cơ bản

Lưu lượng người dùng

trung bình (trên 1 MHz) 3 lần – 4 lần 2 lần – 3 lần

Lưu lượng người dùng tại

biên tế bào (trên 1 MHz,

500 km/h tùy thuộc vào băng tần) Một yếu tố quan trong đặc biệt là dịch vụ thoại được cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lượng mà WCDMA/HSPA hỗ trợ

Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi tế bào (bán kính), nghĩa là khoảng cách tối đa từ vùng tế bào (cell site) đến thiết bị đầu cuối di động trong cell Đối với phạm vi tế bào lên đến 5 km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đối với những tế bào có phạm vi lên đến 30 km thì

có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng và hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được Tuy nhiên, yêu cầu

về độ di động vẫn được đáp ứng Khi mà phạm vi tế bào lên đến 100 km thì không thấy có đặc tính kỹ thuật về yêu cầu hiệu suất nào được nói rõ trong trường hợp này

Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: broadcast (quảng bá) và unicast Nhìn chung, LTE sẽ cung cấp những dịch vụ tốt hơn so với những

gì có thể trong phiên bản 6 Yêu cầu đối với trường hợp broadcast là hiệu suất phổ

1 bit/s/Hz, tương ứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng

300 kbit/s trong mỗi phân bố phổ tần 5 MHz Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ MBMS với chỉ một dịch vụ trên một sóng mang, cũng như là kết hợp với các dịch

vụ non-MBMS khác Và như vậy thì đương nhiên đặc tính kỹ thuật của LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch vụ MBMS

1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

Các yêu cầu liên quan đến việc triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, độ linh hoạt phổ, trải phổ, sự cùng tồn tại và làm việc với nhau giữa LTE với các công nghệ truy cập vô tuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/HSPA

Những yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm: trường hợp mà hệ thống LTE được triển khai như là một hệ thống độc lập và trường hợp mà LTE được triển khai đồng thời với WCDMA/HSPA hoặc GSM Do đó mà yêu cầu này sẽ không làm giới hạn các tiêu chuẩn thiết kế Những yêu cầu về độ linh hoạt phổ và triển khai sẽ được phác thảo chi tiết hơn trong phần 1.3.3.1

Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các hệ thống 3GPP khác và những yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh động giữa LTE và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di động

hỗ trợ những công nghệ này Bảng 1.4 liệt kê những yêu cầu về sự gián đoạn, đó

là, thời gian gián đoạn dài nhất trong liên kết vô tuyến khi phải di chuyển giữa các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực Có một điều đáng chú ý là những yêu cầu này không được chặt chẽ cho lắm đối với vấn đề gián đoạn trong chuyển giao và hy vọng khi mà triển khai thực tế thì sẽ đạt được những giá trị tốt hơn đáng kể

Yêu cầu về việc cùng tồn tại và có thể làm việc với nhau cũng xác định việc chuyển đổi lưu lượng multicast từ phương pháp broadcast trong LTE thành phương pháp unicast trong cả GSM hoặc WCDMA, mặc dù không có số lượng cho trước

Bảng 1.4 - Yêu cầu về thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA

1.3.3.1 Độ linh hoạt phổ và việc triển khai

Nền tảng cho những yêu cầu về độ linh hoạt phổ là những điều kiện để LTE có thể được triển khai trên những băng tần IMT-2000 hiện hành, nghĩa là khả năng cùng tồn tại với các hệ thống đã được triển khai trên những băng tần này, bao gồm WCDMA/HSPA và GSM Một phần liên quan đến những yêu cầu LTE về mặt độ linh hoạt phổ là khả năng triển khai việc truy nhập vô tuyến dựa trên LTE cho dù phân bố phổ là theo cặp hay đơn lẻ, như vậy LTE có thể hỗ trợ cả Song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD)

Sơ đồ song công hay việc qui hoạch song công là một thuộc tính của công nghệ truy cập vô tuyến Tuy vậy, một phân bố phổ cho trước thì cũng được liên kết với một qui hoạch song công cụ thể Hệ thống FDD được triển khai theo một cặp phân bố phổ, với một dải tần cho truyền dẫn đường xuống và một dải tần khác dành cho đường lên Còn hệ thống TDD thì được triển khai trong các phân

bố phổ đơn lẻ

Lấy một ví dụ là phổ của IMT-2000 tại tần số 2 GHz, gọi là băng tần lõi IMT-2000 Như trình bày trong hình 1.3, nó bao gồm cặp băng tần 1920-1980 MHz và 2110-2170 MHz dành cho truy cập vô tuyến dựa trên FDD, và hai băng tần là 1910-1920 MHz và 2010-2025 MHz dành cho truy cập vô tuyến dựa trên TDD Chú ý là có thể vì những qui định của địa phương và vùng mà việc sử dụng phổ của IMT-2000 có thể khác so với những gì được trình bày ở đây

Hình 1.3 – Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000

Cặp phân bố cho FDD trong hình 1.3 là 2 x 60 MHz, nhưng phổ khả dụng cho một nhà khai thác mạng đơn lẻ có thể chỉ là 2 x 20 MHz hoặc thậm chí

là 2 x 10 MHz Trong những băng tần khác phổ khả dụng có thể còn ít hơn nữa Ngoài ra, sự dịch chuyển của phổ đang được sử dụng cho những công nghệ truy cập vô tuyến khác cần phải diễn ra một cách từ từ để chắc chắn rằng lượng phổ còn lại phải đủ để hỗ trợ cho những người dùng hiện tại Vì vậy, lượng phổ ban đầu được dịch chuyển tới LTE có thể tương đối nhỏ, nhưng sau đó có thể tăng lên

từ từ, được thể hiện trong hình 1.4 Sự khác nhau của những diễn tiến phổ có thể xảy ra sẽ dẫn đến một yêu cầu về độ linh hoạt phổ cho LTE dưới dạng băng thông truyền dẫn được hỗ trợ

Hình 1.4 – Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ

của một hệ thống GSM đã được triển khai

Yêu cầu về độ linh hoạt phổ đòi hỏi LTE phải có khả năng mở rộng trong miền tần số và có thể hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau Yêu cầu về

độ linh hoạt trong tài liệu tham khảo được liệt kê thành danh sách các phân bố phổ của LTE (1.25, 1.6, 2.5, 5, 10, 15 và 20 MHz) Ngoài ra, LTE còn có khả năng hoạt động theo cặp phổ cũng như là đơn lẻ LTE cũng có thể triển khai trong nhiều băng tần khác nhau Những băng tần được hỗ trợ được chỉ rõ dựa vào “độc lập phiên bản” (“release independence”), nghĩa là phiên bản đầu tiên của LTE không phải hỗ trợ tất cả các băng tần ngay từ đầu

Hơn nữa, tài liệu tham khảo cũng xác định về vấn đề cùng tồn tại và lắp đặt chung với GSM và WCDMA trên những tần số lân cận, cũng như là sự cùng tồn tại giữa những nhà khai thác và hệ thống mạng lân cận trên những quốc gia khác nhau nhưng sử dụng phổ chồng nhau (overlapping spectrum) Ở đây cũng

có một điều kiện là không có hệ thống nào khác được yêu cầu hợp lệ khi một thiết

bị đầu cuối truy cập vào LTE, nghĩa là LTE cần phải có tất cả tín hiệu điều khiều cần thiết được yêu cầu cho việc kích hoạt truy nhập

1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

Một vài nguyên tắc chỉ đạo cho việc thiết kế kiến trúc LTE RAN được đưa

ra bởi 3GPP được liệt kê trong [86]:

- Một kiến trúc đơn LTE RAN được chấp nhận

- Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói (packet), tuy vậy lưu lượng lớp thoại và thời gian thực vẫn được hỗ trợ

- Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hiện diện của ‘những hư hỏng cục bộ’ (‘single points of failure’) mà không cần tăng chi phí cho đường truyền (backhaul)

- Kiến trúc LTE RAN có thể đơn giản hóa và tối thiểu hóa số lượng giao tiếp đã được giới thiệu

- Tương tác lớp mạng vô tuyến (Radio network layer: RNL) và lớp mạng truyền tải (Transport network layer: TNL) có thể được loại trừ nếu chỉ cần quan tâm đến vấn đề cải thiện hiệu suất hệ thống

- Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS end-to-end TNL có thể cung cấp QoS thích hợp khi được yêu cầu bởi RNL

- Các cơ cấu QoS có thể tính toán đến các dạng lưu lượng đang tồn tại khác nhau để mang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao: lưu lượng mặt phẳng điều khiển (Control-Plane), lưu lượng mặt phẳng người dùng (User-Plane), lưu lượng O&M, v.v…

- LTE RAN có thể được thiết kế theo lối làm giảm biến đổi trễ (delay variation - jitter) đối với lưu lượng cần độ jitter thấp, ví dụ TCP/IP

1.3.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau

Việc hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end yêu cầu cải thiện sự giữa thích ứng giữa dịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) với tài nguyên RAN và các đặc tính vô tuyến.

Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu

đề IP (IP header)

Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để định hướng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập vô tuyến thích hợp đã được nói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến

1.3.6 Độ phức tạp

Yêu cầu về độ phức tạp trong LTE xác định độ phức tạp của toàn hệ thống cũng như là độ phức tạp của thiết bị đầu cuối di động Về cơ bản thì những yêu cầu này đề cập đến số lượng những tùy chọn có thể tối thiểu hóa với những đặc tính dư thừa không bắt buộc Điều này cũng đưa đến việc tối giản những trường hợp kiểm thử cần thiết

1.3.7 Những vấn đề chung

Phần này đề cập đến những yêu cầu chung trong LTE về những khía cạnh liên quan đến chi phí và dịch vụ Rõ ràng, mong muốn đặt ra là giảm thiểu các chi phí trong khi vẫn duy trì hiệu suất yêu cầu cho tất cả các dịch vụ Các vấn đề về đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí Như vậy không chỉ giao tiếp vô tuyến, mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng phải được xác định rõ Một yêu cầu quan trọng về giao tiếp nhiều nhà cung cấp (multi-vendor interfaces) cũng thuộc vào loại yêu cầu này Ngoài ra thì các vấn đề như: độ phức tạp thấp, thiết bị đầu cuối di động tiêu thụ ít năng lượng cũng được đòi hỏi

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE

Trong chương trước, chúng ta đã thảo luận về những mục tiêu của LTE và

từ những thảo luận này thì rõ ràng là LTE đã được phát triển với những mục tiêu hoạt động mạnh mẽ đáng ghi nhớ Và đến chương này thì chúng ta sẽ được cung cấp một cái nhìn tổng quan về một số đặc điểm và thành phần quan trọng của LTE Chương 3 – 5 sẽ đi vào chi tiết hơn nữa về vấn đề truy cập vô tuyến LTE một cách tổng quát cũng như là những đặc tính chủ yếu cụ thể của nó

2.1 Hệ thống truyền dẫn: đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA

Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM Như

đã biết thì OFDM là một hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn với nhiều lý

do khác nhau Vì thời gian ký tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency selectivity) Mặc dù trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số có thể được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắt đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết bị đầu cuối di động tại băng thông trên 5 MHz

Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc chống lại fading lựa chọn tần số

sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghép kênh không gian (spatial multiplexing)

Một số lợi ích khác của kỹ thuật OFDM bao gồm:

• 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 baseband 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

Đối với đường lên LTE, truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên kỹ thuật spread OFDM Việc sử dụng điều chế đơn sóng mang cho đường lên đem lại tỷ số đỉnh trên trung bình (peak to average ratio) của tín hiệu được truyền thấp hơn khi

DFT-mà so sánh với kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang ví dụ như OFDM Tỷ số đỉnh trên trung bình của tín hiệu được truyền càng nhỏ thì công suất phát trung bình đối với một bộ khuếch đại công suất nhất định càng cao Vì vậy mà truyền dẫn đơn sóng mang cho phép sử dụng hiệu quả hơn bộ khuếch đại công suất, đồng thời làm tăng vùng phủ sóng Điều này đặc biệt quan trọng đối với những thiết bị đầu cuối

bị giới hạn về năng lượng Tại cùng một thời điểm, việc cân bằng cần thiết để kiểm soát lỗi của tín hiệu đơn sóng mang do fading lựa chọn tần số là vấn đề nhỏ trong đường lên vì ít giới hạn trong nguồn tạo tín hiệu tại trạm gốc hơn so với thiết

bị đầu cuối di động

Tương phản với đường lên không trực giao của WCDMA/HSPA (cũng dựa trên truyền dẫn đơn sóng mang), thì đường lên LTE lại dựa trên kỹ thuật phân tách trực giao giữa những người dùng trong miền thời gian và tần số (Trên lý thuyết, việc phân chia người dùng trực giao có thể thực hiện được trong miền thời gian chỉ bằng cách ấn định toàn bộ băng thông truyền dẫn đường lên cho một người dùng tại 1 thời điểm, điều này có thể thực hiện được với đường lên nâng cao) Kỹ thuật phân tách người dùng trực giao trong nhiều tình huống mang lại lợi ích trong việc tránh được nhiễu trong tế bào (intra cell interference) Tuy nhiên, việc phân

bố một lượng tài nguyên băng thông tức thời rất lớn cho người dùng lại không phải là một chiến lược hiệu quả trong những tình huống mà chính tốc độ dữ liệu bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn hơn là băng thông Trong những tình huống như vậy, một thiết bị đầu cuối sẽ chỉ được phân bố một phần của tổng băng thông truyền dẫn và những thiết bị đầu cuối khác có thể truyền song song trên phần phổ còn lại Vì vậy mà đường lên LTE sẽ bao gồm một thành phần đa truy nhập miền tần số (frequency domain multiple access component), hệ thống truyền dẫn đường

lên LTE nhiều khi cũng được xem như là hệ thống Single Carrier FDMA FDMA).

(SC-2.2 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ

(Channel-dependent scheduling and rate adaptation)

Trung tâm của hệ thống truyền dẫn LTE là việc sử dụng kỹ thuật truyền dẫn chia sẻ kênh truyền (shared channel transmission), khi đó tài nguyên miền tần số - thời gian được chia sẻ tự động giữa những người dùng Kỹ thuật này tương tự với phương pháp được dùng trong HSDPA, mặc dù cũng thấy rõ sự khác nhau trong việc chia sẻ tài nguyên giữa thời gian và tần số trong trường hợp của LTE và giữa thời gian và mã phân kênh (channelization codes) trong trường hợp của HSDPA Việc sử dụng truyền dẫn chia sẻ kênh truyền rất phù hợp với những yêu cầu đặt ra của dữ liệu gói do tài nguyên cần phải thay đổi nhanh chóng cũng như là cho phép nhiều công nghệ quan trọng khác được dùng bởi LTE

Khối hoạch định (scheduler) sẽ điều khiển việc phân phát tài nguyên chia sẻ cho người dùng tại mỗi thời điểm Nó cũng quyết định tốc độ dữ liệu được sử dụng cho mỗi đường truyền, đó là gọi là thích ứng tốc độ và nó là có thể xem là một phần của bộ scheduler Scheduler là thành phần chính và mang tính quyết định lớn đối với hiệu suất của toàn bộ đường xuống, đặc biệt trong những mạng có tải trọng cao Cả truyền dẫn đường lên và đường xuống đều phải được hoạch định chặt chẽ Độ tăng ích thực chất trong khả năng hệ thống có thể đạt được nếu đặc tính kênh truyền được lưu ý đến trong việc quyết định phân bố, và được gọi là hoạch định phụ thuộc kênh truyền Kỹ thuật này hiện đang được khai thác trong HSPA, khi đó scheduler đường xuống sẽ truyền tới người dùng với tốc độ dữ liệu tối đa nếu điều kiện kênh truyền gặp thuận lợi và trong một chừng mực nào đó thì

kỹ thuật này cũng được áp dụng cho đường lên nâng cao (enhanced uplink) Tuy nhiên, ngoài miền thời gian thì LTE cũng truy cập tới miền tần số, do việc sử dụng OFDM cho đường xuống và DFTS-OFDM cho đường lên Vì vậy đối với mỗi miền tần số, bộ scheduler có thể lựa chọn cho người dùng kênh truyền có đặc tính tốt nhất Mặt khác, việc hoạch định trong LTE có thể quan tâm đến sự biến đổi kênh truyền không chỉ trong miền thời gian, như HSPA, mà còn trong cả miền tần

số Điều này được minh họa trong hình 2.1

Khả năng của kỹ thuật hoạch định phụ thuộc kênh truyền trong miền tần số đặc biệt hữu ích khi mà tốc độ của thiết bị đầu cuối là thấp, nói cách khác nghĩa là kênh truyền thay đổi chậm theo thời gian Kỹ thuật hoạch định phụ thuộc kênh

độ tăng ích trong hiệu suất hệ thống Đối với những dịch vụ nhạy cảm với trễ, scheduler miền thời gian có thể được hoạch định cưỡng bức cho một người dùng riêng biệt, cho dù chất lượng kênh truyền không đạt được giá trị đỉnh Trong những tình huống như vậy, việc khai thác sự thay đổi chất lượng kênh truyền trong miền tần số sẽ giúp cải thiện hiệu suất của toàn hệ thống Đối với LTE, việc quyết định phân bố (scheduling decisions) có thể được đưa ra với định kỳ sau mỗi 1ms

và độ chi tiết trong miền tần số là 180 KHz Điều này cho phép những sự thay đổi kênh truyền tương đối nhanh có thể được theo dõi bởi bộ scheduler

2.2.1 Hoạch định đường xuống

Trong đường xuống, mỗi thiết bị đầu cuối sẽ báo cáo một đánh giá về chất lượng kênh truyền tức thời cho trạm gốc Những đánh giá này có được bằng cách

đo lường một tín hiệu tham khảo, được truyền từ trạm gốc và nó cũng được sử dụng cho mục đích giải điều chế Dựa trên những đánh giá về chất lượng kênh truyền, scheduler đường xuống có thể ấn định lượng tài nguyên cấp phát cho các người dùng và chất lượng kênh truyền vẫn được đảm bảo Trên lý thuyết, một thiết

bị đầu cuối được phân bố có thể được chỉ định một tổ hợp bất kỳ của các khối tài nguyên rộng 180 KHz trong mỗi khoảng thời gian phân bố 1ms (1ms scheduling interval)

Hình 2.1 – Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số.

2.2.2 Hoạch định đường lên

Đường lên LTE dựa trên sự phân cách trực giao giữa các người dùng và nhiệm vụ của scheduler đường lên là phân phát tài nguyên cả về thời gian và tần

số (kết hợp TDMA/FDMA) cho các người dùng khác nhau Quyết định phân bố được đưa ra sau mỗi 1 ms, có nhiệm vụ điều khiển những thiết bị đầu cuối nào được phép truyền đi thuộc phạm vi 1 cell trong suốt một khoảng thời gian cho trước, và quyết định tài nguyên tần số nào được dùng cho quá trình truyền dẫn cũng như là tốc độ dữ liệu nào đang được sử dụng Chú ý rằng chỉ một miền tần số

kề nhau có thể được cấp cho những thiết bị đầu cuối trong đường lên như là một

hệ quả của việc sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang cho đường lên LTE

Trạng thái kênh truyền cũng cần được quan tâm trong quá trình hoạch định đường lên, tương tự như hoạch định đường xuống Tuy nhiên, như sẽ được thảo

đường lên không phải là một tác vụ đơn giản Do đó, một số phương pháp khác để thu phân tập đường lên trở nên quan trọng như một phần bổ sung cho những tình huống khi mà tại đó kỹ thuật hoạch định phụ thuộc kênh truyền không được sử dụng.

Hình 2.2 – Một ví dụ về điều phối nhiễu liên tế bào, nơi mà các phần phổ bị

giới hạn bởi công suất truyền dẫn

2.2.3 Điều phối nhiễu liên tế bào (Inter-cell interference coordination)

LTE cung cấp sự trực giao giữa những người dùng trong một tế bào trong cả đường lên và đường xuống Vì vậy, hiệu năng của LTE về mặt hiệu suất phổ và tốc

độ dữ liệu khả dụng nói một cách tương đối thì có nhiều giới hạn bởi nhiễu từ những tế bào khác (inter-cell interference) hơn so với WCDMA/HSPA Do đó, các phương pháp để làm giảm và điều khiển nhiễu liên tế bào có khả năng mang lại những lợi ích thật sự cho hiệu suất của hệ thống LTE, đặc biệt về mặt các dịch vụ (tốc độ dữ liệu, v.v…) có thể được cung cấp cho người dùng tại biên tế bào (cell edge)

Điều phối nhiễu liên tế bào là một chiến lược hoạch định mà trong đó tốc độ

dữ liệu tại biên tế bào được tăng lên bằng cách giám sát nhiễu liên tế bào Về cơ bản, việc điều phối nhiễu liên tế bào sẽ đưa đến những giới hạn chính xác đối với scheduler đường lên và đường xuống trong tế bào để kiểm soát nhiễu liên tế bào Bằng việc hạn chế công suất phát của các thành phần phổ (parts of the spectrum) trong tế bào, mà nhiễu xuất hiện trong những tế bào lân cận thuộc thành phần phổ này sẽ được giảm bớt Thành phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc

độ dữ liệu cao hơn cho những người dùng thuộc tế bào lân cận Thực ra thì hệ số tái sử dụng tần số là khác nhau đối với những phần khác nhau của tế bào

Chú ý rằng việc điều phối nhiễu liên tế bào là một chiến lược hoạch định quan trọng mà trong đó cần quan tâm đến vị trí của những tế bào lân cận Do đó,

việc điều phối nhiễu liên tế bào là một vấn đề triển khai với phạm vi lớn và khó có thể nhìn thấy được trong các chi tiết kỹ thuật Điều này cũng có nghĩa là việc điều phối nhiễu chỉ có thể được áp dụng với một nhóm các tế bào đã được lựa chọn, dựa trên những yêu cầu triển khai riêng biệt được đặt ra.

2.3 ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft combining)

Kỹ thuật ARQ hỗn hợp nhanh với việc kết hợp mềm (Fast hybird ARQ with soft combining) được sử dụng cho LTE vì những lý do tương tự như trong HSPA,

cụ thể là khả năng cho phép thiết bị đầu cuối nhanh chóng yêu cầu truyền lại những khối truyền tải thu được bị lỗi và cung cấp công cụ cho việc thích ứng tốc

độ ẩn (implicit rate adaptation) Giao thức cơ bản cũng tương tự với cái được sử dụng cho HSPA, đó là phương pháp sử dụng nhiều stop and wait ARQ hỗn hợp song song (multiple parallel stop and wait hybrid ARQ) Việc truyền lại có thể được yêu cầu nhanh chóng sau mỗi gói truyền, do đó có thể giảm thiểu được những ảnh hưởng đến hoạt động của người dùng cuối do những gói tin thu được bị lỗi gây ra Sự dư thừa gia tăng (incremental redundancy) được sử dụng như là chính sách kết hợp mềm (the soft combining strategy) và đầu thu sẽ nhớ đệm (buffer) những bit mềm để có thể thực hiện việc kết hợp mềm giữa những lần truyền

2.4 Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support)

LTE ngay từ đầu đã hỗ trợ kỹ thuật nhiều anten tại cả trạm gốc và thiết bị đầu cuối như là một phần không thể thiếu trong đặc điểm kỹ thuật Xét trên nhiều mặt thì việc sử dụng nhiều anten là một kỹ thuật quan trọng để đạt được những mục tiêu mạnh mẽ cho hiệu năng của LTE Như đã biết thì việc sử dụng nhiều anten được áp dụng cho nhiều trường hợp với nhiều mục đích khác nhau:

• Nhiều anten thu có thể được sử dụng cho việc thu phân tập (receive diversity) Đối với truyền dẫn đường lên, kỹ thuật này đã được sử dụng cho các hệ thống tế bào từ nhiều năm trước Tuy nhiên, khi mà cấu hình hai anten thu trở thành cơ sở cho tất cả các thiết bị đầu cuối LTE thì hiệu suất đường lên cũng được cải thiện đáng kể Phương pháp đơn giản nhất của việc sử dụng nhiều anten là kỹ thuật phân tập thu cổ điển để khử fading, nhưng lợi ích thêm được đó là việc giới hạn được nhiễu nếu các anten được sử dụng không chỉ cung cấp sự phân tập để chống fading,

mà còn dùng để triệt nhiễu

• Nhiều anten phát tại trạm gốc có thể được sử dụng cho phân tập phát và các dạng tạo chùm tia khác (beam forming) Mục tiêu chính của việc tạo chùm tia là cải thiện tỷ số SNR hoặc SIR thu được, đồng thời cải thiện năng suất hệ thống và tầm phủ sóng.

• Ghép kênh không gian, đôi khi cũng được xem như là MIMO, việc sử dụng nhiều anten cho cả máy phát và máy thu được hỗ trợ bởi LTE Việc ghép kênh không gian dẫn đến việc cho phép tăng tốc độ trong những tình huống mà điều kiện kênh truyền có băng thông bị giới hạn bằng cách tạo ra nhiều kênh song song

Nói chung, các kỹ thuật đa anten đều mang lại lợi ích trong những hoàn cảnh khác nhau Ví dụ, tại tỷ số SNR và SIR tương đối thấp, chẳng hạn như khi tải trọng cao hoặc tại biên tế bào, việc ghép kênh không gian sẽ đem lại một số lợi ích nhất định Đáng lẽ, trong những trường hợp này, phải dùng nhiều anten tại đầu phát để nâng SNR/SIR bằng phương pháp tạo chùm tia (beam forming) Mặt khác, trong trường hợp khi mà SNR và SIR tương đối cao, ví dụ như trong những tế bào nhỏ, việc nâng cao chất lượng tín hiệu mang lại những lợi ích phụ khi mà tốc độ

dữ liệu thu được bị giới hạn chủ yếu bởi băng thông hơn là do giới hạn về SIR/SNR Trong những trường hợp như vậy, đáng lẽ ra phải dùng kỹ thuật ghép kênh không gian để khai thác triệt để những trạng thái kênh truyền tin cậy Hệ thống đa anten được sử dụng dưới sự điều khiển của trạm gốc để từ đó có thể lựa chọn được sơ đồ phù hợp cho mỗi đường truyền

2.5 Hỗ trợ multicast và broadcast

Phát quảng bá nhiều tế bào (multi-cell broadcast) nghĩa là việc truyền đi những thông tin giống nhau từ nhiều tế bào Bằng việc khai thác kỹ thuật này tại thiết bị đầu cuối, việc sử dụng hiệu quả năng lượng tín hiệu từ nhiều vùng tế bào tại bộ phát hiện (the detection) cũng cải thiện đáng kể vùng phủ sóng Kỹ thuật này đã được khai thác đối với trường hợp broadcast/multicast nhiều tế bào trong WCDMA, khi đó một thiết bị đầu cuối có thể nhận tín hiệu từ nhiều tế bào và kích hoạt việc kết hợp mềm (soft combine) những tín hiệu này tại bộ thu

LTE sẽ tiến thêm một bước để nâng cao hiệu quả broadcast nhiều tế bào Bằng việc truyền đi không chỉ những tín hiệu đồng nhất từ nhiều site tế bào (với sự điều chế và mã hóa đồng nhất) mà còn đồng bộ thời gian truyền dẫn giữa những tế bào, tín hiệu tại thiết bị đầu cuối di động sẽ được tái hiện chính xác như tín hiệu đã được truyền đi từ một site tế bào đơn lẻ và giải quyết được hiện tượng truyền đa

đường Do khả năng chống lại hiện tượng truyền đa đường mạnh mẽ của OFDM, việc truyền dẫn nhiều tế bào như vậy (multi cell transmission), cũng được xem như là truyền dẫn Mạng đơn tần số Multicast-Broadcast (MBSFN: Multicast-Broadcast Single Frequency Network), khi đó sẽ không chỉ cải thiện cường độ tín hiệu thu được mà còn loại trừ được nhiễu liên tế bào Vì vậy, với OFDM, lưu lượng broadcast/multicast chỉ bị giới hạn bởi tạp âm và trong trường hợp với những tế bào nhỏ, có thể đạt đến những giá trị rất cao.

Cần phải chú ý rằng việc sử dụng truyền dẫn MBSFN cho broadcast/multicast nhiều tế bào đòi hỏi sự chặt chẽ trong vấn đề về liên kết thời gian và đồng bộ (synchronization and time alignment) của những tín hiệu được phát từ những site

tế bào khác nhau

2.6 Tính linh hoạt phổ

Như đã được thảo luận trong chương 1, mức độ linh hoạt phổ cao là một trong những đặc tính chủ yếu của công nghệ truy nhập vô tuyến LTE Mục tiêu của tính linh hoạt phổ là việc cho phép triển khai truy nhập vô tuyến LTE trong nhiều phổ tần với những đặc tính khác nhau, bao gồm những sự khác nhau về sắp xếp song công (duplex arrangements), băng tần hoạt động, và kích thước của phổ tần khả dụng

Hình 2.3 - FDD vs TDD FDD: Frequency Division Duplex; TDD: Time Divison

Duplex; DL:Downlink; UL: Uplink

2.6.1 Tính linh hoạt trong sắp xếp song công

Một phần quan trọng trong những yêu cầu của LTE về mặt tính linh hoạt phổ

là khả năng triển khai truy nhập vô tuyến dựa trên LTE trong cả phổ tần theo cặp hoặc không theo cặp, như vậy LTE có thể hỗ trợ sắp xếp song công phân chia theo

cả thời gian và tần số FDD được minh họa trong hình 2.3a, theo đó truyền dẫn đường lên và đường xuống xuất hiện trong những băng tần khác và hoàn toàn tách biệt TDD theo như minh họa trong hình 2.3b, thì truyền dẫn đường lên và đường xuống xuất hiện trong những khe thời gian không trùng nhau Do vậy, TDD có thể hoạt động với phổ không theo cặp (unpaired spectrum), trong khi FDD lại yêu cầu phổ theo cặp (paired spectrum)

Việc hỗ trợ cả phổ theo cặp và không theo cặp là một phần trong đặc điểm kỹ thuật của 3GPP từ phiên bản 99 (Release 99) thông qua việc sử dụng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA dựa trên FDD đối với phân bố theo cặp và truy nhập vô tuyến TD-CDMA/TDSCDMA đối với phân bố không theo cặp Tuy nhiên, điều này đạt được bằng cách sử dụng nhiều công nghệ truy cập vô tuyến tương đối khác nhau và vì thế mà những thiết bị đầu cuối có khả năng hoạt động với cả FDD

và TDD vẫn còn chưa được phổ biến Mặt khác, LTE có thể hỗ trợ cả FDD và TDD với chỉ một công nghệ truy cập vô tuyến, dẫn đến việc tối thiểu độ lệch giữa FDD và TDD cho những truy nhập vô tuyến dựa trên LTE Như là một hệ quả của điều này, phần tổng quan về truy nhập vô tuyến hỗ trợ cả FDD và TDD của LTE sẽ được bàn đến chi tiết hơn trong những chương tiếp theo, trong trường hợp có sự khác nhau giữa FDD và TDD thì sự khác nhau này sẽ được trình bày rõ ràng

2.6.2 Tính linh hoạt trong băng tần hoạt động

LTE được triển khai dựa trên cơ sở theo nhu cầu, có thể tạo ra phổ tần khả dụng bằng cách ấn định phổ tần mới cho thông tin di động, chẳng hạn băng tần 2.6 GHz, hoặc bằng cách dịch chuyển cho LTE phổ tần hiện đang được sử dụng cho công nghệ thông tin di động khác, ví dụ như những hệ thống GSM thế hệ thứ hai, hoặc thậm chí là những công nghệ vô tuyến không phải của di động (non –mobile radio technologies) ví dụ như những phổ tần broadcast hiện nay Hệ quả là nó yêu cầu truy nhập vô tuyến LTE phải có khả năng hoạt động trong một dải băng tần rộng, ít nhất là từ băng tần thấp như 450 MHz cho đến băng tần 2.6 GHz

Khả năng vận hành một công nghệ truy cập vô tuyến trong nhiều băng tần khác nhau, tự bản thân nó không có gì là mới Ví dụ, những thiết bị đầu cuối 3 băng tần là rất phổ biến, có khả năng hoạt động trên cả băng tần 900, 1800, và

1900 MHz Từ một triển vọng về chức năng truy cập vô tuyến, điều này không có hoặc tác động rất hạn chế và đặc điểm kỹ thuật của LTE không giả định bất cứ một băng tần cụ thể nào Những cái có thể khác về đặc điểm kỹ thuật, giữa những băng tần khác nhau chủ yếu là việc yêu cầu nhiều RF cụ thể hơn như công suất phát tối

đa cho phép, những yêu cầu/giới hạn về phát xạ ngoài băng (out of band emission) v.v… Một nguyên nhân cho việc này là do những ràng buộc bên ngoài, được áp đặt bởi những khung quy định (regulatory bodies), có thể khác nhau giữa những băng tần khác nhau

2.6.3 Tính linh hoạt về băng thông

Có liên quan đến khả năng triển khai truy nhập vô tuyến LTE trên nhiều băng tần khác nhau là việc có thể vận hành LTE với những băng thông truyền dẫn khác nhau trên cả đường xuống và đường lên Lý do chính của việc này là số lượng phổ tần khả dụng cho LTE có thể khác nhau đáng kể giữa những băng tần khác nhau

và cũng dựa trên tình trạng thực tế của nhà khai thác Hơn nữa, việc có thể vận hành trên nhiều phân bố phổ tần khác nhau cũng mang lại khả năng cho việc dịch chuyển dần dần phổ tần từ những công nghệ truy nhập vô tuyến khác cho LTE

LTE có thể hoạt động trong một dải phân bố phổ tần rộng, do tính linh hoạt trong băng thông truyền dẫn là một phần trong đặc tính kỹ thuật của LTE Để hỗ trợ hiệu quả cho tốc độ dữ liệu rất cao khi phổ tần khả dụng thì một băng thông truyền dẫn rộng là cần thiết Tuy nhiên, một lượng phổ tần lớn và đầy đủ có thể không phải lúc nào cũng đạt được, hoặc do băng tần hoạt động hoặc do sự dịch chuyển dần dần từ một công nghệ truy nhập vô tuyến khác, khi đó LTE có thể hoạt động với một băng thông truyền dẫn hẹp hơn Hiển nhiên, trong những trường hợp như vậy, tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt được sẽ vì lẽ đó mà bị giảm xuống

Đặc điểm kỹ thuật lớp vật lý LTE không đề cập đến vấn đề băng thông và không đưa ra bất cứ giả định cụ thể nào về băng thông truyền dẫn hỗ trợ ngoài một giá trị tối thiểu Như sẽ được biết trong phần tiếp theo, đặc điểm kỹ thuật về truy nhập vô tuyến cơ bản bao gồm lớp vật lý và các tiêu chuẩn giao thức, cho phép bất

cứ băng thông truyền dẫn nào nằm trong khoảng từ 1 MHz lên tới hơn 20 MHz theo từng bước 180 KHz Đồng thời, tại giai đoạn ban đầu, những yêu cầu về tần

số vô tuyến chỉ được chỉ định cho một nhóm nhỏ băng thông truyền dẫn giới hạn, tương ứng với những dự đoán liên quan đến các kích thước phân bố phổ và các diễn tiến dịch chuyển (migration scenarios) Như vậy, trong thực tế truy nhập vố tuyến LTE hỗ trợ một nhóm giới hạn các băng thông truyền dẫn, tuy nhiên những

băng thông truyền dẫn bổ sung có thể dễ dàng được hỗ trợ bằng cách cập nhật lại đặc điểm kỹ thuật của RF.

CHƯƠNG 3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE

Tương tự với WCDMA/HSPA cũng như là hầu hết những hệ thống truyền thông hiện đại khác, quy trình kỹ thuật dành cho LTE được cấu trúc thành nhiều lớp vật lý khác nhau Mặc dù có một số lớp trong những lớp này thì tương tự với những lớp được sử dụng cho WCDMA/HSPA nhưng vẫn có một số khác biệt, chẳng hạn như sự khác nhau về kiến trúc tổng thể giữa WCDMA/HSPA và LTE Chương này gồm có những mô tả cho các lớp giao thức bên trên lớp vật lý, sự tương tác giữa chúng, và sự giao tiếp với lớp vật lý

Tổng quan về kiến trúc giao thức LTE cho đường xuống được minh họa trong hình hình 3.1 Có một vấn đề sẽ trở nên rõ ràng hơn trong phần thảo luận tiếp theo

đó là không phải tất cả những phần tử được minh họa trong hình 3.1 đều được áp dụng trong mọi trường hợp Ví dụ như trong trường hợp broadcast thông tin hệ thống thì MAC scheduling và hybrid ARQ đều không được sử dụng Hơn nữa,

kiến trúc giao thức LTE liên quan đến đường lên thì tương tự với kiến trúc đường xuống trong hình 3.1, mặc dù cũng có một số sự khác biệt về sự lựa chọn định dạng truyền tải (transport format selection) và truyền dẫn đa anten (multi-antenna transmission) và vấn đề này cũng sẽ được thảo luận.

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:

• Giao thức hội tụ số liệu gói (Packet Data Convergence Protocol -PDCP): 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 vệ tính 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 hình cho một thiết bị đầu cuối

di động

• Điều khiển liên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC): đảm nhiệm

việc phân đoạn / ghép nối, điều khiển việc truyền lại, và phân phát lên các lớp cao hơn theo thứ tự Không giống như WCDMA, giao thức RLC được định vị trong eNodeB vì chỉ có một loại node đơn trong kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE (LTE radio access network architecture) 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

Hình 3.1 – Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống)

• Điều khiển truy cập môi trường (Medium Access Control - MAC): điều

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

• Lớp vật lý (Physical layer – PHY): 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)

Những phần sau sẽ cung cấp những mô tả chi tiết hơn về các giao thức RLC và MAC của LTE cũng như là tổng quan về lớp vật lý khi được nhìn từ lớp MAC,

trong khi những chi tiết đầy đủ của lớp vật lý LTE sẽ được đề cập đến trong chương 4 Những thông tin khác có thể được tìm thấy trong đặc tính kỹ thuật của LTE và những tham khảo trong đó.

3.1 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

Cơ chế truyền lại RLC có trách nhiệm cung cấp dữ liệu phân phát không bị lỗi cho các lớp cao hơn Để làm được điều này, sẽ có một giao thức truyền lại hoạt động giữa các phần tử RLC tại đầu thu và đầu phát Bằng việc giám sát các số thứ

tự đi đến (incoming sequence numbers), RLC thu có thể phát hiện ra những PDUs

bị thiếu Các báo cáo trạng thái sẽ được phản hồi trở về RLC phát, yêu cầu truyền lại các PDUs bị thiếu Khi phản hồi một trạng thái báo cáo được cấu hình, một báo cáo đặc trưng chỉ chứa thông tin về nhiều PDUs và ít khi được truyền đi Dựa trên báo cáo trạng thái thu được, phần tử RLC tại đầu phát có thể đưa ra những hành động thích hợp và truyền lại những PDUs bị thiếu nếu được yêu cầu

Khi RLC được cấu hình để yêu cầu truyền lại các PDUs bị thiếu như được mô

tả ở trên, nó được gọi là đang hoạt động trong chế độ báo nhận (Acknowledged Mode – AM) Điều này cũng giống như cơ chế tương ứng được dùng trong WCDMA/HSPA Thông thường AM được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên TCP như khi truyền tập tin mà yếu tố phân phát dữ liệu không bị lỗi được đặt lên hàng đầu

Hình 3.2 – Phân đoạn và hợp đoạn RLC

Tương tự như WCDMA/HSPA, RLC cũng có thể được cấu hình theo chế độ không báo nhận (Unacknowledged Mode – UM) và chế độ trong suốt (Transparent Mode – TM) Trong chế độ UM, sẽ cung cấp việc phân phát đúng thứ tự lên các lớp cao hơn, nhưng sẽ không truyền lại các PDUs bị thiếu Thông thường UM được sử dụng cho những dịch vụ như VoIP khi mà việc phân phát không lỗi không quan trọng bằng thời gian phân phát ngắn TM, mặc dù được hỗ trợ, nhưng chỉ được sử dụng cho những mục đích riêng biệt như truy cập ngẫu nhiên.

Mặc dù RLC có khả năng kiểm soát lỗi truyền dẫn do nhiễu, sự biến đổi kênh truyền không thể dự đoán (unpredictable channel variations), v.v…, nhưng trong hầu hết trường hợp những lỗi này được kiểm soát bởi giao thức hybrid-ARQ dựa trên MAC Việc sử dụng cơ chế truyền lại trong RLC có thể vì vậy mà trở nên không cần thiết Tuy nhiên, như sẽ được thảo luận trong phần 3.2.4 dưới đây, không phải trường hợp nào cũng vậy và việc sử dụng cả hai cơ chế truyền lại dựa trên MAC và RLC trên thực tế cũng có mặt tích cực khi mà có sự khác nhau trong việc truyền tín hiệu phản hồi

Ngoài việc điều khiển việc truyền lại và phân phát theo trình tự, RLC cũng chịu trách nhiệm việc phân đoạn và ghép nối theo như minh họa trong hình 3.2 Dựa trên quyết định của scheduler (scheduler decision), một lượng dữ liệu nào đó được lựa chọn để truyền đi từ bộ đệm RLC SDU và các SDUs sẽ được phân đoạn/ghép nối để tạo thành RLC PDU Do đó, đối với LTE thì kích thước RLC PDU thay đổi một cách động (varies dynamically), trong khi WCDMA/HSPA trước phiên bản 7 lại sử dụng kích thước PDU bán tĩnh (semi-static PDU size) Khi mà tốc độ dữ liệu cao, kích thước PDU lớn dẫn đến phần mào đầu nhỏ hơn tương ứng, còn khi mà tốc độ dữ liệu thấp, đòi hỏi kích thước PDU phải nhỏ nếu không thì tải trọng sẽ trở nên quá lớn Vì vậy, khi tốc độ dữ liệu nằm trong khoảng

từ một vài kbit/s tới trên một trăm Mbit/s, kích thước PDU động (dynamic PDU sizes) sẽ được điều chỉnh bởi LTE Từ RLC, scheduler và cơ chế thích ứng tốc độ đều được định vị tại eNodeB, và kích thước PDU động sẽ dễ dàng được hỗ trợ cho LTE

3.2 MAC: điều khiển truy nhập môi trường (medium access control)

Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC quản lý việc ghép kênh luận lý (logical channel multiplexing), việc truyền lại hybrid-ARQ, và hoạch địch đường lên, đường xuống Trong khi công nghệ HSPA sử dụng phân tập vĩ mô đường lên (uplink macro diversity) và vì thế nó xác định cả những tế bào phục vụ và không

phục vụ (serving and non-serving cells), thì LTE chỉ xác định một tế bào phục vụ

vì không có phân tập vĩ mô đường lên Tế bào phục vụ (serving cell) là tế bào mà thiết bị đầu cuối di động được kết nối tới và tế bào mà chịu trách nhiệm cho việc hoạch định và điều khiển hybrid-ARQ

3.2.1 Kênh logic và kênh truyền tải (logical channels and transport channels)

MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic Một kênh logic được định nghĩa bởi dạng thông tin mà nó mang theo và thường được phân loại thành các kênh điều khiển, được dùng cho việc truyền dẫn các thông tin về cấu hình và điều khiển cần thiết cho hoạt động của hệ thống LTE, và các kênh lưu lượng (traffic channels), được sử dụng cho dữ liệu người dùng Tập hợp các loại kênh logic được chỉ định cho LTE bao gồm:

• Kênh điều khiển quảng bá (Broadcast Control Channel - BCCH): 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

• Kênh điều khiển tìm gọi (Paging Control Channel – PCCH): 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

• Kênh điều khiển dành riêng (Dedicated Control Channel – DCCH):

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

• Kênh điều khiển multicast (Multicast Control Channel - MCCH): được

dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển được yêu cầu cho việc tiếp nhận của MTCH, xem phần dưới đây

• Kênh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel - DTCH): 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 phi-MBMS (non-MBMS)

• Kênh lưu lượng multicast (Multicast Traffic Channel – MTCH): được

dùng cho truyền dẫn đường xuống những dịch vụ MBMS

Tương tự với kiến trúc kênh logic được dùng cho WCDMA/HSPA Tuy nhiên, khi so sánh với WCDMA/HSPA, thì kiến trúc kênh logic LTE có phần đơn giản hơn, với việc giảm bớt số lượng các loại kênh logic.

Từ lớp vật lý, lớp MAC sử dụng các dịch vụ dưới dạng các kênh truyền tải (Transport Channels) Một kênh truyền tải được định nghĩa bởi những đặc tính

mà thông tin được truyền đi qua giao diện vô tuyến Theo những ghi chú từ HSPA, những phần được kế thừa cho LTE, dữ liệu trên 1 kênh truyền tải được tổ chức thành các khối truyền tải Trong mỗi khoảng thời gian truyền tải (Transmission Time Interval – TTI), một khối truyền tải với kích thước nào đó được truyền đi qua giao diện vô tuyến khi không có sự hiện diện của ghép kênh không gian Trong trường hợp ghép kênh không gian (‘MIMO’), có thể lên tới 2 khối truyền tải trên mỗi TTI

Liên kết với mỗi khối truyền tải là một định dạng truyền tải (Transport Format - TF), xác định cách thức mà khối truyền tải được truyền đi thông qua giao diện vô tuyến Định dạng truyền tải bao gồm thông tin về kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều chế (the modulation scheme), ánh xạ anten (the antenna mapping) Cùng với việc phân bố tài nguyên, lưu lượng mã cuối cùng có thể nhận được từ định dạng truyền tải Bằng việc thay đổi các định dạng truyền tải, lớp MAC có thể

vì vậy mà nhận ra được các tốc độ dữ liệu khác nhau Việc điều khiển tốc độ vì vậy mà còn được xem như việc lựa chọn định dạng truyền tải

Tập hợp các loại kênh truyền tải được chỉ định cho LTE bao gồm:

• Kênh quảng bá – Broadcast Channel (BCH): 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

• Kênh Paging – Paging channel (PCH): 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 Cơ chế paging được mô tả có phần chi tiết hơn trong chương 5

• Kênh chia sẻ đường xuống – Downlink Shared Channel (DL-SCH): là

kênh truyền tải được dùng cho truyền dẫn dữ liệu đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ những đặc tính của LTE như cơ chế thích ứng tốc độ động (dynamic rate adaption) và hoạch định phụ thuộc kênh truyền (channel-dependent scheduling) trong miền thời gian và tần số, hybrid