Trong khi HSUPA được đặc tả, vẫn có các nghiên cứu phát triển để cải thiện R6 HSDPA cũng như một số các lĩnh vực khác như đặc tả hiệu năng cho các đầu cuối tiên tiến hơn sử dụng thu phân tập và (hoặc) các máy thu tiên tiến, cải thiện tầm phủ sóng cho đường lên bằng cách sử dụng báo hiệu phản hồi đường lên, các cải thiện trong lĩnh vực di động của HSDPA bằng báo hiệu nhanh hơn và thời gian xử lý ngắn hơn.
Một danh mục nghiên cứu với tên “kết nối liên tục cho những người sử dụng số liệu gói” đã được định nghĩa bởi R7 với mục đích giảm chi phí trong các thời gian phục vụ và duy trì liên kết nhưng không có lượng số liệu cần thiết. Một ví dụ cho kiểu dịch vụ này là dịch vụ thoại trên cơ sở gói với tên gọi phổ biến là VoIP.
Danh mục nghiên cứu MIMO vẫn tiếp tục được tiến hành với nhiều đề xuất. Nguyên tắc chủ yếu là dùng hai (hay nhiều) anten phát với các luồng thông tin khác nhau và sau đó sử dụng hai (hay nhiều) anten kết hợp với xử lý tín hiệu tiên tiến tại đầu cuối để phân tích các luồng này như minh họa trên hình 1.6 [1].
Hình 1.6. Nguyên lý MIMO với hai anten phát và hai anten thu [1] Thách thức chủ yếu là phải chứng minh rằng liệu có nhận được tăng độ lợi đáng kể so với độ lợi nhận được từ các cải thiện hiệu năng trong R6 và các giải pháp cải thiện dung lượng hiện có bằng cách bổ sung thêm máy phát. Các kết luận trong 3GPP cho đến thời điểm này chỉ là trong môi trường ô vĩ mô, HSDPA với MIMO hình như không mang lại lợi ích về dung lượng so với trường hợp thu phân tập và máy thu tiên tiến đầu cuối. Vì thế thách thức này vẫn còn tiếp tục được xem xét trong R7. Các danh mục nghiên cứu cho HSDPA và HSUPA gồm vấn đề giảm trễ thiết lập cuộc gọi chuyển mạch gói PS (Packet Switch) và chuyển mạch kênh CS (Channel Switch) nhằm rút ngắn thời gian từ trạng thái rỗi sang trạng thái tích cực. Vì hầu hết các bước trong WCDMA sẽ vẫn giữ nguyên không liên quan đến cuộc gọi CS hay PS, nên các cải thiện này mang lại lợi ích cho cả HSDPA/HSUPA lẫn thiết lập cuộc gọi thoại bình thường, nghĩa là các thiết bị hiện có có tiềm năng hơn vì các đầu cuối thay đổi, nhận được thêm các cải thiện trong hầu hết các trường
hợp. Phát triển HSPA trong R7 (hay còn gọi là HSPA+) đã đưa đến tốc độ 28 Mbps cực đại trên đường xuống và 11Mbps cực đại trên đường lên [1].
1.2. Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE (Long Term Evolution)
Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các E- UTRAN TSG. Trong các cuộc họp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kỹ thuật là được tán thành. Thậm chí trong các cuộc họp sau đó thì vấn đề này vẫn được xem xét lại. 3GPP đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhóm nghiên cứu TSG RAN. Lộ trình phát triển của LTE gắn liền với lộ trình phát triển của 3GPP, như chỉ ra trên hình 1.7.
Hình 1.7. Lộ trình phát triển 3GPP [1] Các vấn đề nghiên cứu thực hiện trong TSG.
- TSG RAN: Nghiên cứu chuẩn cho giao diện vô tuyến.
- TSG SAE: Nghiên cứu kiến trúc mạng.
Quá trình nghiên cứu được tiến hành trong nhóm TSG 3GPP LTE/SAE dưới điều hành của PCG (Project coordination Group: nhóm điều phối đề án 3GPP) được mô tả trên hình 1.8 [1].
Hình 1.8. Tổ chức các nhóm điều phối đề án 3GPP [1]
Như trên hình 1.8 ta thấy PCG điều hành bốn nhóm TSG (nhóm đặc tả kỹ thuật) sau.
- SA (Services and Architecture: dịch vụ và hệ thống).
- CT (Core Network and Terminals: Mạng lõi và các đầu cuối). - GERAN (GSM EDGE: Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE). - RAN (Radio Access Netword: Mạng truy nhập vô tuyến).
1.3. IMT-Advanced và lộ trình tiến tới 4G
Trong ITU, nhóm công tác 8F (ITU-R WP 8F) đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống tiếp sau IMT-2000. Khả năng IMT-2000, các tăng cường của nó và các hệ thống bao gồm các giao diện sau IMT-2000 được chỉ ra trên hình 1.9 và bảng 1.1 là mục tiêu của 4G.
Tốc độ số liệu 100 Mbps cho vùng rộng, 1Gbps cho vùng hẹp
Kết nối mạng Hoàn toàn IP
Thông tin Rộng khắp, di động, liên tục Trễ Thấp hơn 3G
Trễ kết nối Thấp hơn 500ms Trễ truyền dẫn Thấp hơn 5ms
Giá thành/bit 1/10- 1/100 thấp hơn 3G Giá thành cơ sở hạ
tầng Thấp hơn 3G (khoảng 1/10)
Hình 1.9. Các khả năng của IMT-2000 và các hệ thống sau IMT-2000 theo khuyến nghị M.1654 của ITU-R [1]
ITU-R WP 8F tuyên bố rằng cần có các công nghệ vô tuyến di động mới cho các khả năng IMT-2000, tuy nhiên chưa chỉ ra công nghệ nào. Thuật ngữ IMT-Adv được sử dụng cho các công nghệ sau IMT-2000 và chứa các
khả năng cho hệ thống trước đó. Quá trình IMT-Adv đang được khởi thảo trong WP 8F. Các công nghệ được đề cử sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí đã thỏa thuận. Vì các công nghệ này cần sự đồng thuận nên một số công nghệ có thể áp dụng cho IMT-Adv không thể xác định trước, nhưng chắc chắn nó phải có sự cân đối giữa kinh tế và công nghệ. Ngoài ra, khả năng sử dụng máy đầu cuối trên toàn cầu cũng được coi là một tiêu chí quan trọng. Một vấn đề nữa cũng được đặt ra trong ITU-R có liên quan đến IMT-2000 Adv là xác định phổ tần sử dụng.
Mặc dù 3GPP hiện nay chưa tiến hành nghiên cứu trực tiếp IMT-2000 Adv, tuy nhiên 3GPP sẽ đề xuất lên ITU-R IEEE 802.16 (Wimax) cũng đang được hoàn thiện khái niệm của mình để hướng đến đề xuất cho IMT-Adv trong 802.16m. Tương tự 3GPP2 cũng đang tiến tới đề xuất IMT-Adv.
Hình 1.10. Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G
LTE là một trong những con đường tiến tới 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT-Adv. LTE cho phép chuyển đổi từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G, sau đó sang IMT-Adv. Chuyển từ LTE sang IMT-Adv là chia khóa của thành công trên thị trường. Ngoài
LTE của 3GPP người ta cũng nghiên cứu các hướng đi khác sang 4G. 3GPP2 đề xuất là UMB (Untra Mobile Band). Ngoài ra WiMax cũng có kế hoạch tiến tới 4G. Quá trình tiến tới 4G của công nghệ hiện có mô tả trên hình 1.10 [1].
1.4. Tổng quan truy nhập gói tốc độ cao (HSPA)
Truy nhập gói tốc độ cao đương xuống (HSDPA: High Speed Down link Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa trong R5 với phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên vào 2002. Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA: High Speed Uplink Packet Access) được 3GPP chuẩn hóa trong R6 vào 2004. Cả HSDPA và HSUPA gọi chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại 2005 và HSUPA vào 2007.
Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA ban đầu là 1,8 Mbps và tăng lên 3,6 Mbps, rồi 7,2 Mbps vào 2006 và 2007, tiềm năng có thể đạt đến 14,4Mbps năm 2008. Trong giai đoạn đầu HSUPA là 1÷2 Mbps trong giai đoạn hai đạt đến 4÷5,7 Mbps vào 2008.
HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao, như hình 1.11.
Hình 1.11. Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1) [1]
HSPA chia sẻ chung hạ tầng mạng với WCDMA. Để nâng cấp WCDMA lên HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng trong BSC và RNC. Ban đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi
thời gian thực, tuy nhiên R6 và R7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác.
Khác với WCDMA trong tốc độ liệu trên các giao diện như nhau (384 Kbps cho tốc độ cực đại tới hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khác nhau. Hình 1.12 minh họa điều này cho HSDPA.
Hình 1.12. Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (trường hợp HSDPA) [1]
Tốc độ đỉnh (14,4Mbps trên 2ms) tại đầu cuối chỉ xảy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 3Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mạng tính cụm này, BTS cần có bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng [1].
1.5. Tổng quan LTE
1.5.1. Giới thiệu về LTE
LTE (Long Term Evolution) là thế hệ thứ tư 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). LTE là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các telco có thể phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng IP tối ưu, và đặc biệt thuận tiện
cho việc nâng cấp mạng từ 3G lên 4G. 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 [6].
Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thống LTE được tóm tắt trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Các đặc điểm chính của công nghệ LTE
Băng thông 1,25 – 20 MHz
Ghép kênh FDD, TDD
Di động 350km/h
Đa truy nhập Đường xuống: OFDM, đường lên: SC – FDMA
MIMO Đường xuống: 2*2, 4*2, 4*4, đường lên: 1*2, 1*4
Tốc độ dữ liệu đỉnh trong băng
thông 20MHz
Đường xuống: 100Mbps Đường lên: 50Mbps
Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM
Mã hóa kênh Mã tubo
Phạm vi phủ sóng 5-100km
Mục tiêu của LTE là cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai. Đồng thời kiến trúc mạng được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ, thời gian trễ tối thiếu.
• Có thể tóm tắt các nhiệm vụ nghiên cứu của LTE.
- Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dung, trễ. - Đơn giản hóa mạng vô tuyến.
- Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS.
Kết quả nghiên cứu của LTE là đưa ra được chuẩn mạng truy nhập vô tuyến với tên gọi là E-UTRAN hay gọi chung là LTE. Trong các phần dưới đây ta sẽ xét tổng quan kiến trúc LTE và kế hoạch nghiên cứu nó trong 3GPP.