ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG hệ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4g sử DỤNG CÔNG NGHỆ LTE (có code)

Chính vì vậy mà cácthiết bị di động 1G có anten thu sóng bên ngoài rất to.Hình 1-1: Điện thoại analog Motorola DynaTAC 8000X [14] Mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất có các đặc điểm đ

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ LTE

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU XIV DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XV

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ NHẤT 1G 2

1.2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ HAI 2G 4

1.2.1 Hệ thống GSM 6

1.2.2 HSCSD 8

1.2.3 GPRS 9

1.2.4 EDGE 10

1.3 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA 3G 10

1.4 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE 13

1.4.1 Giới thiệu hệ thống thông tin di động 4G 13

1.4.2 Giới thiệu 4G LTE 14

1.4.3 Đánh giá hiệu năng của hệ thống 4G LTE so với 3G 19

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LTE 23

2.1 TỔNG QUAN KIẾN TRÚC MẠNG 4G LTE 23

2.2 THÀNH PHẦN KIẾN TRÚC CỦA MẠNG 4G LTE 26

2.2.1 Thiết bị người dùng UE 26

2.2.2 E-UTRAN NodeB 27

2.2.3 Thực thể quản lý tính di động MME 29

2.2.4 Cổng phục vụ S-GW 31

2.2.5 Cổng mạng dữ liệu P-GW 33

2.2.6 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên PCRF 35

2.2.7 Máy chủ thuê bao thường trú HSS 36

2.3 QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO 37

4G LTE 44

3.1 CÁC CHẾ ĐỘ TRUY CẬP VÔ TUYẾN 44

3.2 BĂNG TẦN TRUYỀN DẪN 45

3.3 CÁC DẢI TẦN HỖ TRỢ 46

3.4 TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDMA CHO ĐƯỜNG XUỐNG TRONG MẠNG 4G LTE 49

3.4.1 Một số khái niệm 49

3.4.2 Các thông số của kỹ thuật đa truy nhập OFDMA 51

3.4.3 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA 56

3.4.4 Thu phát tín hiệu OFDMA 57

3.4.5 Tỉ lệ lỗi bit BER 72

3.5 TÌM HIỂU KỸ THUẬT SC-FDMA CHO ĐƯỜNG LÊN TRONG MẠNG 4G LTE 75

3.5.1 Kỹ thuật SC-FDMA là gì? 75

3.5.2 Quá trình thu phát tín hiệu SC-FDMA 76

3.5.3 Các thông số của kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA 78

3.6 CÔNG NGHỆ ĐA ANTEN MIMO 79

3.6.1 Mô hình SISO 80

3.6.2 Mô hình SIMO 80

3.6.3 Mô hình MISO 81

3.6.4 Mô hình MIMO 82

3.6.5 Mô hình MIMO tổng quát 83

3.6.6 Các kỹ thuật phân tập 85

3.6.7 Các độ lợi trong hệ thống MIMO 87

3.7 MÔ HÌNH MIMO TRONG MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE 88

3.8 MÔ HÌNH MIMO-OFDM ALAMOUTI 91

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 4G LTE 95

4.1 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG OFDMA ĐƯỜNG XUỐNG TRONG MẠNG 4G LTE 95

4.1.1 Quá trình thu phát OFDMA 95

4.1.2 Tỉ số lỗi bit 102

5.1 KẾT LUẬN 112

5.1.1 Tỉ số lỗi bit của hệ thống 4G LTE 112

5.1.2 Chất lượng hệ thống truyền dẫn 4G LTE 112

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC A 116

HÌNH 1-2: NGUYÊN LÝ FDMA TRONG HỆ THỐNG 1G [2] 3

HÌNH 1-3: NGUYÊN LÝ TDMA TRONG HỆ THỐNG 2G [2] 5

HÌNH 1-4: GSM PHÁT TRIỂN LÊN 2.5G VÀ 2.75G 5

HÌNH 1-5: GSM900 VÀ GSM1800 6

HÌNH 1-6: BĂNG TẦN GSM 900 7

HÌNH 1-7: BĂNG TẦN GSM1800 8

HÌNH 1-8: GIỚI THIỆU 4G LTE [4] 14

HÌNH 1-9: TỐC ĐỘ MẠNG DI ĐỘNG QUA CÁC THẾ HỆ [16] 19

HÌNH 2-1: KIẾN TRÚC MẠNG 3G UMTS [8] 23

HÌNH 2-2: KIẾN TRÚC MẠNG 4G LTE [8] 23

HÌNH 2-3: KIẾN TRÚC MẠNG LTE [22] 24

HÌNH 2-4: CÁC NÚT CƠ BẢN CỦA GIAO DIỆN LTE [22] 25

HÌNH 2-5: CÁC THIỆT BỊ NGƯỜI DÙNG [22] 26

HÌNH 2-6: KIẾN TRÚC E-UTRAN [22] 27

HÌNH 2-7: CHỨC NĂNG ENODEB VÀ KẾT NỐI CHÍNH [1] 28

HÌNH 2-8: CHỨC NĂNG MME VÀ KẾT NỐI CHÍNH [1] 31

HÌNH 2-9: CHỨC NĂNG S-GW VÀ KẾT NỐI CHÍNH [1] 32

HÌNH 2-10: CHỨC NĂNG P-GW KẾT NỐI CHÍNH [1] 34

HÌNH 2-11: CHỨC NĂNG PCRF VÀ CÁC KẾT NỐI CHÍNH [1] 35

HÌNH 2.12: MÔ HÌNH 3 CELL [22] 37

HÌNH 2-13: NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO [1] 38

HÌNH 2-14: QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO GIAO DIỆN X2 [19] 40

HÌNH 2-15: QUÁ TRÌNH BÁO HIỆU CHUYỂN GIAO X2 41

HÌNH 3-2: THỐNG KÊ SỐ MẠNG 4G LTE THƯƠNG MẠI [5] 48

HÌNH 3-3: TẦN SỐ TRỰC GIAO [10] 49

HÌNH 3-4: TÍN HIỆU TRỰC GIAO [10] 49

HÌNH 3-5: PHỔ TẦN CỦA FDMA VÀ OFDM [15] 50

HÌNH 3-6: SỰ KHÁC NHAU GIỮA OFDM VÀ OFDMA [9] 51

HÌNH 3-7: CẤU TRÚC KHUNG CỦA ĐƯỜNG XUỐNG 4G LTE [24] 52

HÌNH 3-8: CẤU TRÚC KHE SỬ DỤNG TIỀN TỐ [24] 52

HÌNH 3-9: CẤU TRÚC LƯỚI TÀI NGUYÊN LTE [24] 54

HÌNH 3-10: CẤU TRÚC KHUNG LOẠI 2 CHO TDD [18] 55

HÌNH 3-11: MINH HỌA TỈ SỐ PAPR [1] 55

HÌNH 3-12: KỸ THUẬT OFDM [15] 56

HÌNH 3-13: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MỘT HỆ THỐNG OFDM [11] 57

HÌNH 3-14: SƠ ĐỒ MÁY PHÁT OFDMA 58

HÌNH 3-15: SƠ ĐỒ MÁY THU OFDMA 58

HINH 3.16: MÁY ĐIỀU CHẾ QPSK [1] 60

HÌNH 3-17: BIỂU DIỄN QPSK TRÊN TRỤC TỌA ĐỘ 61

HÌNH 3-18: ĐIỀU CHẾ M-PSK [5] 61

HÌNH 3-19: CHÒM SAO M-PSK [5] 61

HÌNH 3-20: CHÒM SAO QPSK [5] 62

HÌNH 3-21: ĐIỀU CHẾ 8QAM [23] 64

HÌNH 3-22: BIỂU ĐỒ CHÒM SAO 8QAM [23] 64

HÌNH 3-23: SƠ ĐỒ CHÒM SAO 16QAM 64

HÌNH 3-24: SƠ ĐỒ ĐIỀU CHẾ 16QAM [1] 65

HÌNH 3-28: CHỨC NĂNG FFT [21] 69

HÌNH 3-29: KHOẢNG BẢO VỆ [3] 70

HÌNH 3-30: TẠP ÂM NHIỄU AWGN 71

HÌNH 3-31: MÔ HÌNH RAYLEIGH FADING [4] 72

HÌNH 3-32: BER CỦA OFDMA VỚI CÁC KIỂU ĐIỀU CHẾ SỐ 73

HÌNH 3-33: TỈ LỆ LỖI BIT KÊNH RAYLEIGH 74

HÌNH 3-34: SO SÁNH GIỮA OFDMA VÀ SC-FDMA [1] 75

HÌNH 3-35: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA KỸ THUẬT SC-FDMA [11] 76

HÌNH 3-36: SẮP XẾP SÓNG MANG CON [24] 77

HÌNH 3-37: ẤN ĐỊNH SÓNG MANG CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI [1] 78

HÌNH 3-38: CÁC CÔNG NGHỆ ĐA ANTEN [20] 79

HÌNH 3-39: MÔ HÌNH SISO [20] 80

HÌNH 3-40: MÔ HÌNH SIMO [20] 81

HÌNH 3-41: MÔ HÌNH MISO [20] 82

HÌNH 3-42: MÔ HÌNH ĐA ANTEN MIMO [17] 82

HÌNH 3-43: MÔ HÌNH MIMO TỔNG QUÁT [17] 84

HÌNH 3-44: MÔ HÌNH KHÔNG GIAN MIMO HƯỚNG XUỐNG [12] 88

HÌNH 3-45: MÔ HÌNH KHÔNG GIAN MIMO HƯỚNG LÊN [20] 89

HÌNH 3-46: MÔ HÌNH SU-MIMO 89

HÌNH 3-47: MÔ HÌNH SU-MIMO ĐIỂN HÌNH [1] 90

HÌNH 3-48: MÔ HÌNH MU-MIMO 90

HÌNH 3-49: MÁY PHÁT MIMO-OFDM ALAMOUTI 91

HÌNH 3-50: MÁY THU MIMO-OFDM ALAMOUTI 91

HÌNH 4-2: CÁC VỊ TRÍ TƯƠNG ỨNG CỦA TÍN HIỆU MÔ PHỎNG 95

HÌNH 4-3: ĐIỀU CHẾ BPSK 96

HÌNH 4-4: ĐIỀU CHẾ QPSK 96

HÌNH 4-5: ĐIỀU CHẾ 16QAM 97

HÌNH 4-6: ĐIỀU CHẾ 64QAM 97

HÌNH 4-7: NGÕ RA KHỐI IFFT 98

HÌNH 4-8: TÍN HIỆU PHÁT OFDMA 98

HÌNH 4-9: TÍN HIỆU OFDMA TRÊN KÊNH TRUYỀN 99

HÌNH 4-10: TÍN HIỆU OFDMA THU SAU KHI LOẠI BỎ CP 99

HÌNH 4-11: TÍN HIỆU SAU FFT ĐIỀU CHẾ BPSK 100

HÌNH 4-12: TÍN HIỆU SAU FFT ĐIỀU CHẾ QPSK 100

HÌNH 4-13: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ QPSK KÊNH AWGN 102

HÌNH 4-14: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ 16QAM KÊNH AWGN 102

HÌNH 4-15: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ 64QAM KÊNH AWGN 103

HÌNH 4-16: BER CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ QPSK KÊNH RAYLEIGH 103

HÌNH 4-17: BER CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ 16QAM KÊNH RAYLEIGH 104

HÌNH 4-18: BER CỦA OFDMA ĐIỀU CHẾ 64QAM KÊNH RAYLEIGH 104

HÌNH 4-19: THU PHÁT TÍN HIỆU SC-FDMA ĐIỀU CHẾ BPSK 105

HÌNH 4-20: CÁC VỊ TRÍ TƯƠNG ỨNG CỦA TÍN HIỆU MÔ PHỎNG 105

HÌNH 4-21: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ QPSK KÊNH AWGN .106 HÌNH 4-22: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ 16QAM KÊNH AWGN106 HÌNH 4-23: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ 64QAM KÊNH AWGN107 HÌNH 4-24: BER CỦA SC-FDMA ĐIỀU CHẾ QPSK KÊNH RAYLEIGH 107

HÌNH 4-28: BER MIMO-OFDM ALAMOUTI ĐIỀU CHẾ QPSK 110 HÌNH 4-30: BER MIMO-OFDM ALAMOUTI ĐIỀU CHẾ 16QAM 110 HÌNH 4-31: BER MIMO-OFDM ALAMOUTI ĐIỀU CHẾ 64QAM 111

BẢNG 1-2: ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA MẠNG DI ĐỘNG 2G 4

BẢNG 1-3: GSM900 VÀ GSM1800 THỰC CHẤT LÀ GIỐNG NHAU 8

BẢNG 1-4: ĐẶC ĐIỂM MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G 11

BẢNG 1-5: BĂNG THÔNG TẢI XUỐNG VÀ LÊN CỦA CÁC LTE CAT 15

BẢNG 1-6: GIAO DIỆN 4G LTE 16

BẢNG 1-7: TỐC ĐỘ DỮ LIỆU ĐỈNH CỦA CÁC MẠNG DI ĐỘNG 17

BẢNG 3-1: DANH SÁCH BĂNG TẦN 4G LTE [24] 46

BẢNG 3-2: THÔNG SỐ HỆ THỐNG OFDMA 53

BẢNG 3-3: TÍN HIỆU SAU MẠCH CÂN BẰNG 60

BẢNG 3-4: ÁNH XẠ CHÒM SAO QPSK 63

BẢNG 3-5: BẢNG ĐIỀU CHẾ 16QAM 65

BẢNG 3-6: ÁNH XẠ CHÒM SAO ĐIỀU CHẾ 16QAM 66

BẢNG 3-7: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA KÊNH AWGN 73

BẢNG 3-8: TỈ SỐ LỖI BIT CỦA OFDMA KÊNH RAYLEIGH 74

BẢNG 3-9: THÔNG SỐ SC-FDMA 76

BẢNG 4-1: GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK 101

BẢNG 4-2: GIẢI ĐIỀU CHẾ 16QAM 101

1G First-Generation

2G Second-Generation

3G Third-Generation

3GPP The 3rd Generation Partnership Project

3GPP2 The 3rd Generation Partnership Project 2

4G Fourth-Generation

ADC Analog-to-Digital Converter

AF Application Function

AMPS Advanced Mobile Phone System

AuC Authentication Center

AWGN Additive White Gaussian Noise

BBERF Bearer Binding and Event Reporting FunctionBPSK Binary Phase Shift Keying

DVB-H Digital Video Broadcasting - Handheld

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Gbps Gigabits per second

GMSC Gateway Mobile Switching Center

GMSC Gateway Mobile Switching Center

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying

GPRS General Packet Radio Service

GRE Generic Routing Encapsulation

GSM Global System for Mobile communications

GTP GPRS Tunneling Protocol

GUTI Globally Unique Temporary Identifier

GW Gateway

HLR Home Location Register

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access

HSPA High-Speed Packet Access

HSS High-speed steel

I In-phase

IDTF International Database Transport

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IMSI International Mobile Subscriber Identity

IMT-2000 International Mobile Telecommunications for the year 2000IS95 Interim Standard 95

ISDN Integrated Services Digital Network

ISI Inter-Symbol Interference

JTAGS The Joint Tactical Ground Station

Kbps Kilobytes per second

kHz kilohertz

MBMS Multimedia Broadcast Multicast Services

Mbps Megabit per second

MEHO Mobile Evaluated Handover

MHz Megahertz

MIMO Multi-Input Multi-Output

MME Mobility Management Entity

MRC Maximum-Ratio Combining

ms Millisecond

MSC Mobile Switching Center

MU-MIMO Multiple Output MIMO

NEHO Network Evaluated Handover

NMT Nordic Mobile Telephone

OFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingOFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple AccessP/S Parallel to Serial

PAPR Peak to Average Power Ratio

PCC Policy Control and Charging

PCRF Policy and Charging Rules Function

PDC-GSM Personal Digital Cellular-GSM

PDN Packet Data Network

P-GW PDN Gateway

PMIP Proxy Mobile IP

PSK Phase Shift Keying

PSTN Public Switched Telephone Network

Q Quadrature

QAM Quadrature Amplitude Modulation

RRC Radio Resource Control

RRM Radio Resource Management

TCP/IP Transmission Control Protocol Internet Protocol

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access

TD-SCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple AccessTTDĐ Thông Tin Di Động

UE User Equipment

UL Up Link

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

V Volt

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hiện nay, thuật ngữ “Thông tin di động” đã không còn xa lạ với đa số người sửdụng trên thế giới Hệ thống thông tin di động (mobile systems) là hệ thống thôngtin liên lạc với nhiều điểm truy cập khác nhau trên một vùng địa lý nhất định mà nóphủ sóng được gọi là các cell Các cell này thường có hình dạng lục giác đều, bánkính của nó cũng phụ thuộc vào từng vùng địa lý nhất định như nông thôn haythành thị Người sử dụng dịch vụ thông tin di động có thể di chuyển giữa các cell

mà vẫn đảm bảo được kết nối không bị gián đoạn

Hệ thống thông tin di động bắt đầu vào những năm 20 của thế kỷ XX, đó là phươngtiện liên lạc giữa các cảnh sát Mỹ

Vào năm 1982, tổ chức liên minh Châu Âu về bưu chính viễn thông – CEPT(Conference of Europran Postal and Telecommunications Administrations) đã thànhlập nên nhóm đặc trách về di động được gọi tên là GSM (Groupe Spécial Mobile)sau này được đổi tên thành hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM (GlobalSystem for Mobile Communications) Nhóm này có nhiệm vụ phát triển một chuẩncông nghệ di động thống nhất cho toàn Châu Âu Việt Nam bắt đầu sử dụng GSM

từ năm 1993

Năm 1991, công ty Qualcomm bắt đầu triển khai hệ thống thông tin di động dựatrên cộng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã – CDMA (Code Division MultipleAccess) Việt Nam bắt đầu triển khai hệ thống di động theo công nghệ CDMA và sửdụng từ tháng 7 năm 2003

Mạng di động 4G (Fourth-Generation) là mạng thông tin di động thế hệ thứ 4, chophép truyền tải với tốc độ cao, gồm 2 chuẩn chính là WiMAX và LTE (Long TermEvolution) Hệ thống WiMAX được triển khai từ năm 2007 tại Hàn Quốc và LTE từnăm 2009 ở Na Uy

1.1 Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G

Mạng thông tin di động 1G là mạng thông tin di động cơ bản đầu tiên trên thế giới,được bắt đầu từ năm 1977 tại Chicago và từ năm 1979 tại Nhật Bản Thông tin di

động 1G được kết nối qua tín hiệu dạng tương tự (analog), dịch vụ chủ yếu cungcấp cho người dùng là thoại sử dụng các anten thu sóng ngoài Chính vì vậy mà cácthiết bị di động 1G có anten thu sóng bên ngoài rất to.

Hình 1-1: Điện thoại analog Motorola DynaTAC 8000X [14]

Mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất có các đặc điểm được miêu tả như trongbảng sau:

Bảng 1-1: Đặc điểm mạng 1G

Mạng thông tin di động 1G Đặc điểm

Năm bắt đầu 1977 - Chicago

Gồm nhiều chuẩn kết nối khác nhau với từng khu vực được quy định như sau:

 NMT (Nordic Mobile Telephone) là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga,chuẩn này sử dụng băng tần 450 MHz từ năm 1981

 AMPS (Advanced Mobile Phone System) là chuẩn tại Bắc Mỹ từ năm 1978với băng tần 800 MHz

 TACS (Total Access Communications System) chuẩn dành cho Anh vào năm1985.

 JTAGS (The Joint Tactical Ground Station) tại Nhật Bản, Netz tại Tây Đức,Radiocom 2000 tại Pháp, RTMI tại Ý

Công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (FDMA) sử dụng trong mạng diđộng 1G được mô tả như hình sau:

Hình 1-2: Nguyên lý FDMA trong hệ thống 1G [2]

Các hạn chế của mạng thông tin di động 1G:

 Tính năng bảo mật thấp do thuật toán mã hóa kém

 Dễ bị biến dạng do truyền bằng tín hiệu tương tự (analog)

 Không thích hợp với các tiêu chuẩn thông tin mới đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật caohơn

 Dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao

1.2 Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G

Mạng thông tin di động 2G là hệ thống thông tin di động mang tính cải cách cũngnhư khác hoàn toàn so với hệ thống 1G ban đầu Hệ thống 2G sử dụng tín hiệu kỹthuật số (digital) thay vì sử dụng tín hiệu analog như mạng di động 1G Mạng diđộng 2G được áp dụng lần đầu tại Phần Lan bởi nhà cung cấp Radiolinja vào năm

1991 Nó có phạm vi kết nối rộng hơn mạng di động thế hệ thứ nhất, đặc biệt mạng2G còn có sự xuất hiện của tin nhắn văn bản SMS Sự thuận tiện của SMS là khôngthể bàn cãi ở thời điểm đó

Hệ thống mạng di động 2G được chia thành hai nhánh chính tùy thuộc theo nhu cầu

sử dụng của người dùng cũng như cơ sở hạ tầng của từng khu vực, quốc gia và lãnhthổ Hai nhánh này gồm sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian –TDMA (Time Division Multiple Access) và đa truy nhập phân chia theo mã –CDMA (Code Division Multiple Access)

Các đặc điểm chính của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai được mô tả như sau:

Kỹ thuật TDMA hoặc CDMA

Dịch vụ cung cấp Thoại, nhắn tin ngắn SMS

Công nghệ đa truy nhập được sử dụng trong mạng các hệ thống thông tin di động2G như sau:

 Kỹ thuật TDMA (Time Division Multiple Access ) là công nghệ đa truy nhậpphân chia theo thời gian, mỗi tài nguyên thông tin chia làm nhiều khung, mỗikhung chia làm nhiều khe, mỗi khe cho phép một người sử dụng

Hình 1-3: Nguyên lý TDMA trong hệ thống 2G [2]

 CDMA (Code Division Multiple Access) là kỹ thuật đa truy nhập phân chiatheo mã, sử dụng một công nghệ là trải phổ (spread spectrum) để tối ưu hóa

việc sử dụng băng thông Nó cho phép nhiều bộ gửi nhận tín hiệu thông tincùng lúc thông qua một kênh truyền duy nhất Hay các thuê bao sẽ chia sẻchung một dải tần số rộng dùng cho mục đích truyền tải dữ liệu Mỗi một cuộcgọi sẽ được gán cho một khóa độc nhất hay key trước khi truyền đi, sau đó nó

sẽ được giải mã bởi thiết bị nhận tín hiệu để tách thành những cuộc gọi riêng

lẻ cho từng thuê bao

Mạng di động 2G có 4 chuẩn chính là hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM),AMPS số, đa truy nhập phân chia theo mã IS-95, mạng tế bào số cá nhân (PDC).Trong đó GSM là hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất thế giới với hơn hai tỉ người

sử dụng toàn cầu

Tuy nhiên, hệ thống GSM chỉ mới cung cấp các dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn,trong khi nhu cầu truy cập internet và các dịch vụ từ người sử dụng là rất lớn nênGSM được phát triển lên 2.5G, 2.75G bao gồm các loại như HSCSD, GPRS, vàEDGE

Hình 1-4: GSM phát triển lên 2.5G và 2.75G

1.1.1 Hệ thống GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM (Global System for Mobilecommunications) là chuẩn di động phổ biến nhất cho các thiết bị điện thoại di độngtrên thế giới với khả năng phủ sóng rộng Hệ thống GSM được thiết kế gồm nhiều

tế bào được gọi là các cell, các máy di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếmcell gần nó nhất Mạng di động GSM có thể hoạt động trên 4 tần số khác nhau.Nhưng hầu hết hoạt động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz Vài nước ở Châu Mỹ thì

sử dụng tần số 850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này

đã được sử dụng trước đó

HSCSD GPRS EDGEGSM

Hình 1-5: GSM900 và GSM1800

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM900:

 Băng tần sử dụng là 900 MHz, sử dụng công nghệ đa truy nhập theo thời gian(TDMA)

 Tốc độ truyền tải là 6.5 – 13 kbps

 Hệ thống GSM900 làm việc trong một băng tần hẹp có giải tần từ 890 đến 960MHz Được chia thành hai đường với độ rộng mỗi đường 25 MHz Đường lên

có tần số từ 890 đến 915 MHz còn đường xuống là từ 935 đến 960 MHz.Khoảng cách song công của GSM900 (giữa đường lên và đường xuống chomột thuê bao) là 45 MHz Tức là khi người sử dụng dùng đường lên có tần số

là 900 MHz thì đường xuống là 945 MHz

Hình 1-6: Băng tần GSM 900

 Băng tần gồm 124 sóng mang hay các kênh, khoảng cách giữa hai sóng mang

kề nhau là 200 kHz hay bề rộng của mỗi sóng mang là 200 kHz Mỗi kênh sửdụng hai tần số riêng biệt cho hai đường lên và xuống (kênh song công)

 Mỗi kênh vô tuyến mang được chia thành 8 khe thời gian và mỗi khe thời gian

là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa trạm di động – MS (Mobile Station)

và mạng GSM Giữa hai sóng mang còn sử dụng một khoảng bảo vệ, khoảngnày được chia từ 200 kHz băng thông cho đều 124 kênh

 Ở một số quốc gia khác, băng tần chuẩn GSM900 được mở rộng thành băngtần E-GSM, nhằm đạt được giải tần số rộng hơn E-GSM sử dụng dải tần từ

880 đến 915 MHz cho đường lên và dải tần 925 đến 960 MHz cho đườngxuống Như vậy, E-GSM có thêm đến 50 kênh so với băng tần GSM900 banđầu

Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM1800:

 Hệ thống GSM1800 làm việc trong một băng tần hẹp có giải tần từ 1710 đến

1880 MHz Được chia thành hai đường như GSM900 nhưng với độ rộng mỗiđường 75 MHz Đường lên có dải tần số từ 1710 đến 1785 MHz còn đườngxuống là từ 1805 đến 1880 MHz Khoảng cách song công là 95 MHz

Hình 1-7: Băng tần GSM1800

 Băng tần GSM1800 bao gồm 374 sóng mang hay kênh, mỗi băng rộng,khoảng cách giữa hai sóng mang kề nhau là 200 kHz Mỗi kênh sử dụng haitần số riêng biệt cho hai đường lên và xuống (kênh song công) Mỗi kênh vôtuyến mang 8 khe thời gian và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổithông tin giữa MS và mạng GSM cũng như hệ thống GSM900 Giữa hai kênh

còn sử dụng một khoảng bảo vệ, khoảng này được chia từ 200 kHz băng thôngcho đều 374 kênh.

Với hệ thống CSD, cấp phát kênh được thực hiện trong chế độ chuyển mạch Sựkhác biệt với HSCSD là từ việc sử dụng các phương thức mã hóa trong chế độ đaphân chia mã theo thời gian để gia tăng tốc độ tải dữ liệu

Một trong những cải tiến quan trọng khác trong HSCSD là khả năng sử dụng nhiềukhe thời gian cùng một lúc để tăng tốc độ truyền dẫn lên nhiều lần tương đương với

số khe thời gian được sử dụng đó Với việc sử dụng tối đa là bốn khe thời gian, ta

có thể được cung cấp tốc độ truyền tải tối đa lên đến 57.6 kbps (tức là 4×14.4 kbps).Với điều kiện truyền phát xấu cần sử dụng sửa lỗi thì vẫn có thể cung cấp tốc độtăng bốn lần so với CSD (đạt tốc độ 38.4 kbps so với 9.6 kbps) Bằng cách kết hợpđến tám khe thời gian một lúc GSM có thể được tăng tốc độ truyền lên đến 115kbps

Trong các ứng dụng thương mại cung cấp cho người sử dụng, thông thường có thể

sử dụng được tối đa 4 khe thời gian, một khe thời gian có thể sử dụng tốc độ 9.6

kbps hoặc 14.4 kbps tùy thuộc vào điều kiện đường truyền Đây là cách không tốnkém mà có thể tăng dung lượng dữ liệu bằng cách nâng cấp phần mềm của thiết bị

di động Tuy nhiên, nó có nhược điểm lớn là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến saocho hợp lý với lượng người dùng ngày càng nhiều Và một nhược điểm nữa của nó

là HSCSD cung cấp hình thức chuyển mạch kênh, nó chỉ định việc sử dụng các khethời gian một cách liên tục, thậm chí ngay cả khi không có tín hiệu trên đườngtruyền

1.1.3 GPRS

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp – GPRS (General Packet Radio Service) là một dịch

vụ dữ liệu di động dạng gói dành cho những người dùng hệ thống thông tin di độngtoàn cầu (GSM) GPRS còn là hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian giữa 2G

và 3G, nhưng nó vẫn là hệ thống thông tin di động 3G nếu xét về mạng lõi GPRScung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền tối đa lên tới 171.2kbps và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25

1.1.4 EDGE

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM – EDGE (Enhanced Data Rates forGSM Evolution), hay còn gọi là Enhanced GPRS (EGPRS), là một công nghệ diđộng được nâng cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ tối đa lên đến 384kbps cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144 kbps cho người dùng dichuyển ở tốc độ cao như ô tô, tàu điện Trên con đường tiến đến mạng di động thế

hệ thứ 3, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G

Thực tế bên cạnh điều chế GMSK (4 mức, điều chế 2 bit thành 1 symbol), EDGEdùng phương thức điều chế 8PSK (điều chế 3 bit thành 1 symbol để truyền đi) đểtăng tốc độ dữ liệu truyền lên gấp 3 lần thông thường Chính vì thế, để triển khaiEDGE, các nhà cung cấp mạng cần phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng như làthiết bị di động so với mạng GPRS Như vậy, hệ thống EDGE sẽ cung cấp chochúng ta một tốc độ dữ liệu gấp 3 lần tốc độ GPRS

Hệ thống EDGE sử dụng cấu trúc khung dữ liệu, kênh logic, băng thông sóng mang(200 kHz) giống như TDMA dùng trong mạng di động GSM, cho phép nó phủ sóngtrực tiếp trên nền GSM hiện có Đối với một số mạng GSM/GPRS, EDGE thực chất

chỉ là một sự nâng cấp phần mềm Hệ thống EDGE cho phép truyền tải các dịch vụ

di động tiên tiến như tải video, nhạc, tin nhắn đa phương tiện, truy cập internet,email di động tốc độ cao, phục vụ kịp thời nhu cầu ngày càng cao của người sửdụng

1.3 Tổng quan về mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G

Mạng thông tin di động 3G là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động,cho phép truyền cả dữ liệu thoại và các dữ liệu khác như tài liệu, gửi email, tin nhắnnhanh, hình ảnh Mạng di động 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói

và chuyển mạch kênh, nó yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn khác sovới hệ thống 2G hiện hữu

Quốc gia đầu tiên đưa mạng thông tin di động 3G vào sử dụng rộng rãi là Nhật Bản.Vào năm 2001, nhà mạng NTT Docomo là công ty đầu tiên ra mắt phiên bảnthương mại của mạng W-CDMA Năm 2003 dịch vụ mạng di động 3G bắt đầu cómặt tại Châu Âu Tại châu Phi, mạng di động 3G được giới thiệu đầu tiên ở Marocvào cuối tháng 3 năm 2007 bởi Công ty Wana

Vào năm 1992, liên minh viễn thông quốc tế – ITU (InternationalTelecommunication Union) công bố chuẩn IMT-2000 (International MobileTelecommunications for the year 2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm đượcmong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:

 Cung cấp các dịch vụ thoại chất lượng cao

 Các dịch vụ tin nhắn như email, fax, SMS, chat

 Các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình, xem phim, nghe nhạc

 Truy cập Internet tốc độ cao

 Sử dụng chung một công nghệ thống nhất trên toàn cầu, đảm bảo sự tươngthích giữa các hệ thống

Các đặc điểm cơ bản của mạng di động 3G như sau:

Bảng 1-4: Đặc điểm mạng thông tin di động 3G

Mạng thông tin di động 3G Đặc điểm

Năm bắt đầu 1992

Tín hiệu Digital

Băng tần UL (1885-2025 MHz), DL (2110-2200 MHz)

Độ rộng băng thông 5 MHz

Tốc độ tối đa 2 Mbps

Kỹ thuật CDMA (W-CDMA, TD-SCDMA)

Dịch vụ cung cấp Thoại chất lượng cao, nhắn tin, đa phương tiện,

Internet

IMT-2000 cung cấp tốc độ đỉnh tối đa lên tới 2 Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉnhững người sử dụng cố định mới có thể đạt được tốc độ này, còn đang di chuyểnchỉ đạt tốc độ là 382 kbps với đi bộ và di chuyển nhanh hơn như ô tô chỉ đạt đượctốc độ là 144 kbps

Mạng di động 3G có 3 hệ thống chính là: UMTS (W-CDMA), CDMA2000, SCDMA

TD-Hệ thống UMTS (W-CDMA)

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu – UMTS (Universal MobileTelecommunications Systems) dựa trên nền tảng CDMA băng rộng (WCDMA),được chuẩn hóa bởi tổ chức các đối tác phát triển 3G là 3GPP (The 3rd GenerationPartnership Project) Hệ thống UMTS đôi khi còn được gọi là 3GSM, chính là sựkết hợp giữa công nghệ 3G với hệ thống GSM tiêu chuẩn truyền thống UMTS hoạtđộng ở băng thông rộng là 5 MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao mộtcách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có

Hệ thống UMTS có những đặc điểm như sau:

 W-CDMA sử dụng kênh truyền dẫn băng rộng 5 Mhz để truyền dữ liệu, nócũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 kbps cho người dùng di động

và 2 Mbps trong cho người dùng cố định

 UMTS sử dụng 6 băng tần nhưng chủ yếu sử dụng dải tần số cho đường lên từ

nghệ CDMA trong mạng di động thế hệ thứ 2 và IS-95 CDMA2000 được quản lýbởi tổ chức 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2), một tổ chức độc lập vàtách rời khỏi 3GPP của tổ chức UMTS CDMA2000 có tốc độ truyền từ 144 kbpsđến 3 Mbps Chuẩn này đã được công nhận bởi liên minh viễn thông quốc tế (ITU).

Hệ thống TS-SCDMA

Chuẩn được ít biết đến hơn là phân chia mã đồng bộ theo thời gian – TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access) đang được phát triểntại Trung Quốc bởi các công ty Datang và Siemens, nhằm mục đích thay thế cho kỹthuật W-CDMA Tuy nhiên, hai tiêu chuẩn WCDMA và CDMA2000 vẫn được triểnkhai rộng rãi và chiếm thị phần nhiều hơn với 65% thị phần cho WCDMA và 15%cho CDMA2000

1.4 Giới thiệu về công nghệ 4G LTE

1.1.5 Giới thiệu hệ thống thông tin di động 4G

Mạng 4G là mạng thông tin di động thế hệ thứ 4, hiện thế giới đang tồn tại 2 chuẩncông nghệ lõi của mạng thông tin di động 4G là WiMAX (WorldwideInteroperability for Microwave Access) và tiến hóa dài hạn – LTE (Long TermEvolution) Công nghệ WiMAX là chuẩn kết nối không dây được phát triển bởi tổchức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) còn LTE là chuẩn dohiệp hội viễn thông 3GPP cung cấp, một bộ phận của liên minh các nhà mạng sửdụng công nghệ GSM

Cả hai chuẩn WiMAX và LTE đều sử dụng các công nghệ thu phát tiên tiến để nângcao khả năng bắt sóng và hoạt động của thiết bị mạng và mạng lưới Tuy nhiên, mỗicông nghệ đều sử dụng một dải băng tần khác nhau để cung cấp cho người sử dụng.Trong điều kiện lý tưởng, tùy thuộc sự hỗ trợ đến từ smartphone và các trạm phátmạng 4G có kết nối cực kỳ ổn định, mạng 4G sẽ cho phép truyền tải dữ liệu với tốc

độ tối đa lên tới 1 hay 1.5 Gbps Với tốc như vậy, chúng ta có thể tải một bộ phimvới dung lượng 1 GB chỉ trong vài giây

Với tốc độ truyền dẫn cao như vậy, nó có thể cung cấp các dịch vụ đa dạng như lướtweb tốc độ cao, game trực tuyến, truyền hình độ nét cao hỗ trợ các chuẩn video HD,các hoạt động trực tuyến internet cũng như video Có thể nói mạng di động 4G đãtạo ra công nghệ đột phá mới về dịch vụ viễn thông được đa dạng hơn.

Hiện nay, nhiều quốc gia, khu vực trên thế giới đã triển khai mạng 4G được mộtthời gian Sau nhiều thời gian thử nghiệm thì mạng di động 4G đã được thương mạihóa rộng rãi tại Việt Nam Giờ đây, việc truy cập internet tốc độ cao chưa bao giờ dễdàng như thế cộng với nhiều nhà mạng cùng cung cấp mạng di động 4G cho giá cảcũng như các gói cước cạnh tranh hơn có lợi cho người sử dụng

Hình 1-8: Giới thiệu 4G LTE [4]

1.1.6 Giới thiệu 4G LTE

1.1.1.1 Tổng quan

Hệ thống thông tin di động 4G LTE là mạng di động thế hệ thứ 4 theo chuẩn UMTS

do hiệp hội viễn thông 3GPP phát triển LTE viết tắt của từ Long Term Evolutiontức là phát triển dài hạn, hướng đến mạng di động 4G thực sự với tốc độ cao hơnnhiều LTE là một hệ thống công nghệ được phát triển từ họ công nghệGSM/UMTS (WCDMA, HSPA) được nghiên cứu và thử nghiệm

Khi một kết nối có thể truyền tải dữ liệu với tốc độ lên tới 1 hay 1.5 Gbps mới đượcxem là mạng di động 4G Tuy vậy, hiện tại chưa có một thiết bị mạng hay một chiếcsmartphone nào có thể đạt được tốc độ truyền tải cao như vậy Vì vậy, trên conđường đi lên 4G, hiệp hội viễn thông 3GPP đã phát triển lâu dài công nghệ di động

với tên là LTE LTE khi được viết đầy đủ nó sẽ là LTE CAT (Category), có khánhiều chuẩn kết nối khác nhau

Với mỗi CAT thì có tốc độ truyền dẫn có thể khác nhau như sau:

Bảng 1-5: Băng thông tải xuống và lên của các LTE CAT

LTE Băng thông tải xuống tối

đa (Mbps)

Băng thông tải lên tới đa

(Mbps)Cat 1 10.3 5.2

Hỗ trợ MIMO Đường xuống 2×2, 4×4

Đường lên 1×2, 1×4Tốc độ dữ liệu đỉnh trong băng tần

20MHz

Đường xuống: 173 Mbps (MIMO 2×2)

và 299.6 Mbps (MIMO 4×4)Đường lên: 75.4 Mbps (MIMO 1×2)Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

Mã hóa kênh Mã turbo

Hệ thống di động 4G LTE sử dụng hai kênh vô tuyến khác nhau cho chuyển tín hiệutheo đường dẫn lên và xuống, giữa tháp thu phát sóng với thiết bị di động Đối vớiđường dẫn xuống, LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trựcgiao – OFDMA (Orthogonal Frequency Division Mutiple Access), hỗ trợ bởi côngnghệ MIMO Công nghệ đa anten MIMO (Multiple Input, Multiple Output) là côngnghệ truyền thông cho phép các thiết bị phát và nhận sử dụng hai hay nhiều anten

để giảm đáng kể độ trễ và tăng tốc độ trong một kênh nhất định Chuẩn 4G LTE cóthể chứa các kiểu 2×2 hoặc 4×4 MIMO với số đầu tiên là số anten phía phát còn sốthứ 2 là phía thu

Đối với truyền dẫn đường lên, mạng di động 4G LTE sử dụng tín hiệu theo kỹ thuật

đa truy nhập phân chia theo tần số mạng đơn – SC-FDMA (Single CarrierFrequency Division Multiple Access) Nguyên nhân SC-FDMA tốt hơn cho đườngdẫn lên là do kỹ thuật này có tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình tốt hơn

so với kỹ thuật đa truy nhập OFDMA

Mục tiêu phát triển hệ thống mạng di động 4G LTE chính là cung cấp một dịch vụ

có tốc độ dữ liệu cao, độ trễ truyền dẫn thấp, các gói dữ liệu tối ưu nhất, hỗ trợ băngtần linh hoạt Ngoài ra, nó phải có kiến trúc mạng có khả năng hỗ trợ lưu lượngchuyển mạch gói, tính di động linh hoạt Phần lớn tiêu chuẩn của 4G LTE là nhằmhướng đến việc nâng cấp hệ thống mạng 3G UMTS để cuối cùng có thể thực sự trởthành công nghệ mạng thông tin di động 4G

Hệ thống thông tin di động 4G LTE có các đặc điểm chính như sau:

 Mạng 4G LTE có thể đạt được tốc độ tải xuống tối đa tới 299.6 Mbps và tốc

độ tải lên đạt 75.4 Mbps phụ thuộc vào từng thiết bị người dùng (với 4×4

MIMO sử dụng độ rộng băng thông là 20 MHz) Nhìn vào bảng dưới, ta có thểthấy được tốc độ truyền dẫn của LTE đã được cải thiện rất nhiều so với các hệthống trước đó.

Bảng 1-7: Tốc độ dữ liệu đỉnh của các mạng di động

Công nghệ Tốc độ đỉnhGSM 9.6 kbpsIS-95 14.4 kbpsGPRS 171.2 kbpsEDGE 473 kbpsCDMA-2000 (1xRTT) 307 kbpsWCDMA (UMTS) 1.92 MbpsHSDPA (Rel 5) 14 MbpsCDMA-2000 (1x-EV-DO) 3.1 MbpsHSPA+ (Rel 6) 84 MbpsWiMAX (802.16e) 26 MbpsLTE (Rel 8) 300 MbpsWiMAX (802.16m) 303 MbpsLTE-Advanced (Rel 10) 1 Gbps

 Đáp ứng yêu cầu trễ truyền dẫn dữ liệu tổng thể thấp với thời gian trễ đi và về

có thể dưới 5 ms cho các gói IP nhỏ trong điều kiện tối ưu nhất, trễ tổng thểcho việc chuyển giao và thời gian thiết lập kết nối nhỏ hơn so với các côngnghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ

 Cải thiện hỗ trợ tính di động của người dùng, thiết bị đầu cuối có di chuyểnvới vận tốc lên tới 350 km/h hoặc thẩm chí là 500 km/h mà vẫn được hỗ trợ tốiđa

 LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA cho đường xuống, kỹ thuật đatruy nhập SC-FDMA dùng cho đường lên để tiết kiệm công suất

 Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng song công FDD và TDD cũng như FDD bán songcông với cùng công nghệ truy nhập vô tuyến

 Hỗ trợ cho tất cả các băng tần hiện trong các hệ thống IMT hiện hành

 Tăng tính linh hoạt phổ tần, độ rộng phổ tần linh hoạt như 1.4 MHz, 3 MHz, 5MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz được chuẩn hóa (hệ thống W-CDMA có

độ rộng băng thông là 5 MHz)

 Hỗ trợ kích thước tế bào cell khác nhau, từ bán kính vài chục mét đến 100 km.Trong dải tần thấp hơn dùng cho các khu vực nông thôn, có kích thước tế bào(cell) tối ưu là 5 km, hiệu quả hoạt động hợp lý vẫn đạt được ở 30 km, trongkhi lên tới 100 km thì hiệu suất hoạt động của tế bào vẫn có thể sử dụng được.Trong khu vực thành phố hay đô thị thì băng tần sẽ cao hơn như 2.6 GHz ởChâu Âu, hỗ trợ băng thông di động tốc độ cao hơn Trong trường hợp này,kích thước tế bào có thể chỉ còn 1 km hoặc ít hơn thế.

 Có thể hỗ trợ ít nhất là 200 thiết bị đầu cuối, dữ liệu hoạt động trong mỗi tếbào có băng thông 5 MHz

 Kiến trúc mạng được đơn giản hóa so với hệ thống mạng di động 3G, phíamạng E-UTRAN của LTE đơn giản chỉ gồm các eNodeB

 Hỗ trợ hoạt động đối với các chuẩn cũ như GSM/EDGE, UMTS, CDMA2000.Như vậy, người dùng dịch vụ có thể tiếp tục duy trì hoạt động trực tuyến ngoàikhu vực mạng LTE phủ sóng mà nơi đó vẫn có các mạng di động thấp hơnnhư GPRS, UMTS dùng WCDMA hay thẩm chí là các mạng 3GPP2 nhưCDMAOne, CDMA2000

 Giao diện vô tuyến chỉ còn sử dụng chuyển mạch gói

 Hỗ trợ mạng quảng bá đơn tần – MBSFN (Multimedia Broadcast multicastservice Single Frequency Network) tính năng có thể cung cấp các dịch vụ nhưMobile TV dùng cơ sở hạ tầng là 4G LTE

1.1.7 Đánh giá hiệu năng của hệ thống 4G LTE so với 3G

Mạng thông tin di động 4G LTE được phát triển và kế thừa dựa trên mạng di động3G, vậy nên LTE chắc chắn sẽ có nhiều ưu điểm nổi bật hơn rõ rệt so với mạng 3Gnhư sau:

1.1.1.3 Tốc độ dữ liệu mạng 4G LTE cao hơn nhiều lần so với 3G

Về mặt lý thuyết, tốc độ tối đa của 3G là 14 Mbps cho tải xuống và là 5.8 Mbps chotải lên Còn mạng 4G LTE có tốc độ tải xuống tối đa lên tới 299.6 Mbps và tốc độtải lên đạt 75.4 Mbps

Hình 1-9: Tốc độ mạng di động qua các thế hệ [16]

1.1.1.4 Cấu trúc mạng đơn giản hơn

Nếu như mạng di động 3G tồn tại cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói thìmạng di động 4G LTE chỉ có cấu trúc mạng đơn giản tồn tại chuyển mạch gói Nhờ

đó mà các thành phần trong mạng LTE cũng được giảm đáng kể và đơn giản hơn sovới mạng 3G Một số thành phần trong cấu trúc mạng 3G bị lược bỏ khi triển khaivào 4G LTE đó là bộ điều khiển mạng vô tuyến – RNC (Radio Network Controller),trung tâm chuyển mạch di động – MSC (Mobile Switching Center) và GMSC(Gateway Mobile Switching Center)

1.1.1.5 Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn

Trong khi mạng thông tin di động 3G chỉ sử dụng phương pháp truy nhập đa phânchia theo mã băng rộng – WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) cho

cả đường lên và xuống thì mạng 4G LTE lại có sự khác biệt ở đường lên và đườngxuống Cụ thể, đối với đường xuống 4G LTE sử dụng kỹ thuật truy nhập đa phânchia theo tần số trực giao – OFDMA (Orthogonal Frequency Division MultipleAccess), trong đó đòi hỏi công nghệ MIMO giúp tăng tốc độ truyền dẫn trong mộtkênh và giảm độ trễ Còn đối với đường lên, mạng 4G LTE sử dụng tín hiệu theo kỹthuật truy nhập đa phân chia theo tần số mạng đơn – SC-FDMA (Single CarrierFrequency Divison Multiple Access) Nguyên nhân SC-FDMA tốt hơn cho đườnglên là do kỹ thuật này có tỉ lệ công suất đỉnh trung bình PAPR tốt hơn OFDMA

1.1.1.6 Độ rộng băng tần linh hoạt

Trong khi 3G chỉ sử dụng dải tần 2100 MHz và 900 MHz thì LTE sử dụng nhiều dảitần khác nhau Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ, với cácdải tần số khác nhau như 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz,

800 MHz

Mạng di động 4G LTE tăng tính linh hoạt phổ tần, độ rộng phổ tần linh hoạt như 1.4MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz

1.1.1.7 Độ trễ thấp và giảm can nhiễu

Mạng di động 4G LTE có thời gian cài đặt và trì hoãn chuyển tiếp ngắn, trễ chuyểngiao và thời gian ngắt ngắn Trễ khứ hồi được giảm đáng kể (round trip delay).Trong mạng di động 3G, dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạnbởi can nhiễu như nhiễu bên trong cell và can nhiễm giữa các cell Nhưng đối với

hệ thống 4G LTE do tính trực giao của các kỹ thuật đa truy nhập nên can nhiểmtrong cùng một cell có thể không xét đến Trong khi đó, giảm can nhiễu liên cellbằng cách tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu

1.1.1.8 Nhược điểm của hệ thống 4G LTE

Bên cạnh những ưu điểm được nêu ở trên thì mạng di động 4G LTE cũng có nhữngnhược điểm nhất định Đầu tiên, mặc dù mạng di động 4G LTE có tốc độ cao hơnhẳn so với mạng 3G, tuy nhiên để đạt được tốc độ thực sự của một mạng di động4G thì cần phải đến tốc độ 1 Gbps đến 1.5 Gbps

Thứ hai đó là vấn đề tiêu thụ điện năng của thiết bị đầu cuối, mặc dù có lượng tiêuhao năng lượng ít hơn mạng 3G Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào sự tối ưu hệthống đến từ các công ty cung cấp dịch vụ viễn thông Minh chứng cho việc này làkhi người dùng vẫn thích sử dụng wifi hơn là 4G LTE khi có thể do ít tiêu thụ nănglượng hơn cho dù tốc độ wifi có thể thấp hơn đôi chút

Thứ ba là về dữ liệu người dùng, thực chất mạng 4G LTE không làm tăng dữ liệungười dùng mà chỉ làm tăng tốc độ người dùng Ví dụ khi bạn tải một bộ phim 1 GBthì dù bạn dùng 3G hay LTE thì đều tốn dung lượng là 1 GB Điều này làm chonhiều người dùng băn khoăn khi nên chuyển từ 3G lên LTE hay không Bên cạnh đó

dung lượng dành cho người dùng có các gói cước khác nhau nhưng có một dunglượng giới hạn nhất định, khi tốc độ dữ liệu tăng lên thì người dùng thường sử dụngnhiều ứng dụng hơn gây tiêu tốn nhiều data hơn Trong khi với các gói cước sửdụng mạng cáp quang với tốc độ cao, người dùng bỏ ra chi phí nhất định nhưng lạiđược sử dụng thoải mái dung lượng

Thứ tư đó là vấn đề tiêu tốn nhiều chi phí của người dùng Khi tốc độ dữ liệu đượctăng lên, trễ thấp hơn, người dùng sẽ tải thêm nhiều ứng dụng và đại đa phần nhữngứng dụng này đều là ứng dụng linh tinh Những ứng dụng này thường xuyên kết nốivới máy chủ để kiểm tra phiên bản cập nhật, gửi thông báo làm tăng thêm dữ liệu

sử dụng

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G SỬ

DỤNG CÔNG NGHỆ LTE

1.5 Tổng quan kiến trúc mạng 4G LTE

Trong mạng truy nhập vô tuyến UTRAN – UMTS Terrestrial Radio AccessNetwork (Kiến trúc mạng 3G UMTS) sử dụng trạm gốc là NodeB Các NodeB kếtnối với bộ điểu khiển mạng vô tuyến – RNC (Radio Network Controller) RNC chịutrách nhiệm cho một hay nhiều NodeB trong mạng, nó giám sát tài nguyên vô tuyến

và điều khiển chuyển giao RNC còn được nối đến mạng lõi – CN (Core Network)bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một miền chuyểnmạch kênh (MSC)

Hình 2-1: Kiến trúc mạng 3G UMTS [8]

Trong khi mạng di động 4G LTE sử dụng trạm gốc mới phức tạp hơn là eNodeB.eNodeB thực hiện nhiều chức năng vô tuyến trong phần cố định của hệ thống nhưquản lý tài nguyên vô tuyến, điều khiển và đo đạc các mức tín hiệu

Hình 2-2: Kiến trúc mạng 4G LTE [8]

Kiến trúc mạng di động 4G LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ hoàn toàn chuyểnmạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ cao và độ trễ tối thiểu Chomột thiết kế phẳng hơn, đơn giản hơn, chỉ với 2 nút cụ thể là nút B (eNodeB) vàphần tử quản lý di động (MME/GW) Phần điều khiển mạng vô tuyến RNC đượcloại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó được thực hiện trong các eNodeB.

Hình 2-3: Kiến trúc mạng LTE [22]

Hình 2-3 mô tả kiến trúc và thành phần mạng thông tin di động 4G LTE chỉ có mộtE-UTRAN Kiến trúc của mạng về cơ bản được chia làm 4 phần chính đó là thiết bịngười sử dụng – UE (User Equipment), mạng truy cập vô tuyến – E-UTRAN(Evolved UMTS Terrestrial Access Network), mạng lõi gói phát triển – EPC(Evolved Packet Core) và các mạng ngoài

UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức mạng IP ở lớp kết nối Chúng được gọi là hệ thống gói phát triển – EPS ( Evolved Packet System) Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên nền tảng IP, tất cả các nút chuyển mạch và giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt trong E-UTRAN và EPC

Một trong những thay đổi lớn trong kiến trúc mạng di động 4G LTE là mạng lõiEPC không chứa các chuyển mạch kênh, không có kết nối trực tiếp với các mạngchuyển mạch truyền thống như mạng số tích hợp đa dịch vụ – ISDN (Integrated

Services Digital Network) hay mạng điện thoại chuyển mạch công cộng – PSTN(Public Switched Telephone Network).

Mạng lõi EPC bao gồm các thực thể như thực thể quản lý di động – MME (MobilityManagement Entity), máy chủ thuê bao lân cận – HSS (Home Subscriber Server),cổng phục vụ (S-GW), cổng dữ liệu gói (P-GW), chức năng tính toán chi phí và cácchính sách dịch vụ – PCRF (Policy and Charging Rules Function)

Một số giao diện kết nối giữa các thành phần trong mạng 4G LTE được mô tả nhưsau:

Hình 2-4: Các nút cơ bản của giao diện LTE [22]

 S1-MME được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các eNodeB và MME

 S1-U xác định mặt phẳng người sử dụng giữa eNodeB và cổng phục vụ

 S10 được sử dụng bởi MMEs để hỗ trợ thay đổi MME

 X2 được sử dụng để hỗ trợ nội MME chuyển giao mà không bị mất gói tin

 S11 được sử dụng bởi các MME để điều khiển đường chuyển mạch và thànhlập cổng phục vụ và cổng PDN

 S6a được sử dụng bởi các MME để lấy dữ liệu từ máy chủ thuê bao thuê bao(HSS )

 SGI là giao diện vào IP PDN Đây là nơi tiếp xúc giữa IP nhìn thấy với địa chỉ

IP UE

 S8 tương tự như S5 ngoại trừ việc nó được sử dụng trong kịch bản chuyểngiao

1.6 Thành phần kiến trúc của mạng 4G LTE

1.1.8 Thiết bị người dùng UE

Thiết bị người dùng – UE (User Equipment) là những thiết bị di động như điệnthoại thông minh, laptop, máy tính bảng… được kết nối với eNodeB thông qua giaodiện người dùng Uu Các thiết bị di động này có chứa các modun nhận dạng thuêbao toàn cầu – USIM (Universal Subscriber Identity Module)

Hình 2-5: Các thiệt bị người dùng [22]

USIM là một phần modun riêng biệt có thể tháo rời với những phần còn lại của thiết

bị di động (UE), thường được gọi là thiết bị đầu cuối – TE (Terminal Equipment).Thiết bị USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng (lấy khóa bảomật để bảo vệ việc truyền tải trong giao diện vô tuyến của mạng thông tin di động).Các chức năng của thiết bị người dùng (UE) là nền tảng cho các ứng dụng truyềnthông di động Nhờ đó mà có tín hiệu để thiết lập, duy trì hay loại bỏ các liên kếtthông tin người dùng bào gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao,báo cáo vị trí thiết bị

1.1.9 E-UTRAN NodeB

Sự phát triển của công nghệ giao diện không gian E-UTRAN tập trung vào nút Bphát triển (eNodeB) Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở eNodeB, nó là điểm

kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan trong mạng E-UTRAN chỉđơn giản là một mạng lưới của các eNodeB được kết nối với nhau qua giao diện X2.Các eNodeB kết nối trực tiếp với mạng lõi (EPC) thông qua giao diện S1

Hình 2-6: Kiến trúc E-UTRAN [22]

Mỗi eNodeB sẽ hỗ trợ các tính năng liên quan đến các quá trình (lớp vật lý) truyềnphát và nhận dữ liệu thông qua các giao diện vô tuyến như điều chế, giải điều chế,

mã hóa kênh và giải mã hóa kênh

Chức năng của eNodeB hoạt động như một cầu nối giữa hai lớp thiết bị người dùng(UE) và mạng lõi EPC eNodeB là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến vềphía người dùng và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến, IP cơ bản tương ứng

về phía mạng lõi EPC Trong vai trò này mạng lõi EPC thực hiện mã hóa hoặc giải

mã các dữ liệu UP (truyền dẫn), nén hay giải nén tiêu đề IP Tránh việc gửi đi lặp lạigiống nhau, dữ liệu liên tiếp trong tiêu đề IP

eNodeB còn có những tính năng bổ xung thay cho các bộ kiếm soát trạm gốc trongmạng E-UTRAN trước đó như kiểm soát tài nguyên vô tuyến, quản lý tính di động

vô tuyến của mạng

Ngoài ra, eNodeB còn có vai trò quan trọng trong quản lý tính di động Điều khiểneNodeB và đo đạc phân tích mức độ tín hiệu vô tuyến được thực hiện bởi thiết bị

người dùng UE, điều này là quan trong cho quá trình chuyển giao Bao gồm trao đổitín hiệu chuyển giao giữa các eNodeB khác và MME Khi một người dùng UE mớikích hoạt theo yêu cầu của eNodeB và kết nối vào mạng.

Hình 2-7: Chức năng eNodeB và kết nối chính [1]

Các chức năng chính và kết nối tới các nút xung quanh được mô tả như hình trên,các kết nối eNodeB có thể là trong mối quan hệ một – nhiều hoặc là nhiều – nhiều.Các eNodeB có thể phục vụ đồng thời nhiều người dùng (UE) trong cùng một thờiđiểm cụ thể Các eNodeB sẽ cần các kết nối tới eNodeB lân cận với nó trong khichuyển giao

Thực thể quản lý di động (MME) và cổng phục vụ (S-GW) có thể được gộp lại vớinhau, một tập hợp các nút được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNodeB.eNodeB đơn này có nghĩa là nó có thể cần phải kết nối tới nhiều MME và S-GW.Tuy nhiên mỗi người dùng UE sẽ chỉ được phục vụ bởi chỉ một MME và S-GW tạimột thời điểm và eNodeB phải duy trì theo dõi các liên kết này Sự kết hợp này sẽkhông bao giờ thay đổi từ một điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME và S-GW chỉ cóthể thay đổi khi kết hợp với sự chuyển giao liên eNodeB