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 đƣợc triển khai trên những băng tần IMT-2000 hiện hành, nghĩa là khả năng cùng tồn tại với các hệ thống đã đƣợc 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, nhƣ vậy LTE có thể hỗ trợ cả song cơng phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD).
Sơ đồ song công hay việc qui hoạch song cơng là một thuộc tính của cơng nghệ truy cập vô tuyến. Tuy vậy, một phân bố phổ cho trƣớc thì cũng đƣợc liên kết với một qui hoạch song công cụ thể. Hệ thống FDD đƣợc triển khai theo một cặp phân bố phổ, với một dải tần cho truyền dẫn đƣờng xuống và một dải tần khác dành cho đƣờng lên. Cịn hệ thống TDD thì đƣợc triển khai trong các phân bố đơn lẻ.
Lấy một ví dụ là phổ của IMT-2000 tại tần số 2Ghz, gọi là băng tần lõi IMT-2000. Nhƣ trình bày trong hình 2.3, 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 vơ tuyến TDD. Chú ý là có thể vì những
qui định của địa phƣơng và vùng mà việc sử dụng phổ của IMT-2000 có thể khác so với những gì đƣợc trình bày ở đây.
Hình 2.3 Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 Ghz của nguyên bản IMT-2000
Cặp phân bố cho FDD trong hình 2.3 là 2x60 Mhz, nhƣng phổ khả dụng cho một nhà khai thác mạng đơn lẻ có thể chỉ là 2x20 Mhz hoặc thậm chí là 2x10 Mhz. Trong những băng tần khác phổ khả dụng có thể cịn ít hơn nữa. Ngoài ra, sự dịch chuyển của phổ đang đƣợc sử dụng cho những công nghệ truy cập vô tuyến khác cần phải diễn ra một cách từ từ để chắc chắn rằng lƣợng phổ còn lại phải đủ để hỗ trợ cho những ngƣời dùng hiện tại. Vì vậy, lƣợng phổ ban đầu đƣợc dịch chuyển tới LTE có thể tƣơng đối nhỏ, nhƣng sau đó có thể tăng lên từ từ, đƣợc thể hiện trong hình 2.4. 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 dƣới dạng băng thông truyền dẫn đƣợc hỗ trợ.
Hình 2.4 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 địi 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 đƣợc 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 cịn có khả năng hoạt động theo cặp phổ cũng nhƣ là đơn lẻ. LTE cũng có thể triển khai trong nhiều băng tần khác nhau. Những băng tần đƣợc hỗ trợ đƣợc 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 nhƣ là sự cùng tồn tại giữa những nhà khai thác và hệ thống mạng lân cận trên những quốc gia khác nhau nhƣng sử dụng phổ chồng nhau (overlapping spectrum). Ở đây cũng có một điều kiện là khơng có hệ thống nào khác đƣợc u cầu hợp lệ khi một thiết bị đầu cuối truy cập vào LTE, nghĩa là LTE cần phải có tất cả tín hiệu điều khiển cần thiết đƣợc yêu cầu cho việc kích hoạt truy nhập.
2.1.3.4 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)
Một vài nguyên tắc chỉ đạo cho việc thiết kế kiến trúc LTE RAN đƣợc đƣa ra bởi 3GPP:
Một kiến trúc đơn LTE RAN đƣợc chấp nhận.
Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên gói (packet), tuy vậy lƣu lƣợng lớp thoại và thời gian thực vẫn đƣợc hỗ trợ.
Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hiện diện của “những hƣ hỏng cục bộ” (“single points of failure”) mà không cần tăng chi phí cho đƣờng truyền (backhaul).
Kiến trúc LTE RAN có thể đơn giản hóa và tối thiểu hóa số lƣợng giao tiếp.
Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS end-to-end.
Các cơ cấu QoS có thể tính tốn đến các dạng lƣu lƣợng đang tồn tại khác nhau để mang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao: lƣu lƣợng mặt phẳng điều khiển, lƣu lƣợng mặt phẳng ngƣời dùng,…
LTE RAN có thể đƣợc thiết kế theo lối làm giảm biến đổi trễ (delay variation-jitter) đối với lƣu lƣợng cần độ jitter thấp, ví dụ TCP/IP.
2.1.3.5 Quản lí tài ngun vơ tuyến
Những u cầu về quản lí tài ngun vơ tuyến đƣợc chia ra nhƣ 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 nhƣ là quản lí chính sách thơng qua các cơng nghệ truy cập vơ tuyến khác nhau.
Việc hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end yêu cầu cải thiện sự thích ứng giữa dịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) với tài ngun RAN và các đặc tính vơ tuyến.
Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn địi 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 nhƣ quá trình nén tiêu đề IP (IP header).
Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí chính sách thơng 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 hƣớng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng cơng nghệ truy cập vơ tuyến thích hợp đã đƣợc nói rõ cũng nhƣ là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến.
2.1.3.6 Độ phức tạp
Yêu cầu về độ phức tạp trong LTE xác định độ phức tạp của toàn hệ thống cũng nhƣ là độ phức tạp của thiết bị đầu cuối di động. Về cơ bản thì những yêu cầu này đề cập đến số lƣợng những tùy chọn để có thể tối thiểu hóa với những đặc tính dƣ thừa khơng bắt buộc. Điều này cũng đƣa đến việc tối giản những trƣờng hợp kiểm thử cần thiết.
2.1.3.7 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 đƣờng truyền, hoạt động và bảo dƣỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí. Nhƣ vậy khơng chỉ giao tiếp vô tuyến, mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lí cũng phải đƣợc 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.
2.1.4 Các thông số lớp vật lý của LTE
Bảng 2.5 Các thơng số lớp vật lí của LTE
Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA)
DL OFDMA
Băng thông 1.5MHz, 2.5 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz
TTI tối thiểu 1ms
Chiều dài CP Ngắn 4.7µs
Dài 16.7 µs
Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM
Ghép kênh không gian 1 lớp cho UL/UE
Lên đến 4 lớp cho DL/UE
Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL
Bảng 2.6 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp
Lớp 1 2 3 4 5 Tốc độ đỉnh Mbps DL 10 50 100 150 300 UL 5 25 50 50 75
Dung lƣợng cho các chức năng lớp vật lý Băng thông RF 20MHz
Điều chế DL QPSK, 16QAM, 64QAM
UL QPSK, 16QAM QPSK,
16QAM, 64QAM
2.1.5 Dịch vụ của LTE
Qua việc kết nối của đƣờng truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt, hiệu suất sử dụng phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng hơn. Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phƣơng tiện. Tất cả các dịch vụ sẽ cần lƣu lƣợng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lƣợng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của ngƣời dùng về đƣờng truyền TV độ rõ nét cao. Đối với khách hàng là doanh
nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lƣợng video hội nghị tốt…LTE sẽ mang đặc tính của “Web 2.0” ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên. Dọc theo sự bảo đảm về thƣơng mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực nhƣ game đa ngƣời chơi và chia sẻ tập tin.
Bảng 2.7 : So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE
Dịch vụ Môi trƣờng (3G) Môi trƣờng 4G
Thoai (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất lƣợng cao
Tin nhắn P2F(P2F messaging)
SMS, MMS, các email ƣu tiên thấp (low priority emails)
Photo các tin nhắn, IM, email di động, tin nhắn video (photo messages, IM, nobile e-mail, video messaging)
Lƣớt
web(browsing)
Truy cập đến các dịch vụ online trực tuyến, Trình duyệt WAP thơng qua GPRS và mạng 3G. (access to online information services, for which users pay standard network rates. Curently limited to WAP browsing over GPRS and 3G networks)
Duyệt siêu nhanh( supper- fast browsing), uploading content to social networking sites
Thơng tin cƣớc phí(paid
information)
Ngƣời dùng trả qua hoặc trên mạng tính cƣớc chuẩn. Chính yếu là dựa trên thông tin văn bản.(contentforwhich users pay over and above standard network charges. Mainly text based information ).
Tạp chí trực tuyến, dịng âm thanh chất lƣợng cao.(E- newspapers, high quality audio streaming)
Riêng
tƣ(personalization)
Chủ yếu là âm thanh
chuông(ringtone), cũng bao
Âm thanh thực(thu âm gốc từ ngƣời nghệ sĩ), các trang
gồm màn hình chờ (screensavers)và nhạc chờ(ring tone) web cá nhân ( realtones(original artist recordings), personalized mobile web sites)
Games Tải về và chơi game trực
tuyến(downloadable and online games)
Kinh nghiệm game trực tuyến vững chắc qua cả mạng cố định và di động (a consistent online gaming experience across both fixed and mobile networks)
Video/TV theo yêu cầu (video/TV on demand)
Chạy và có thể tải video(streamed and
downloadable video content)
Các dịch vụ quảng bá tivi(Broadcast television service), , Tivi theo đúng yêu cầu(true on demand), dòng video chất lƣợng cao(high quality video streaming)
Nhạc Tải đầy đủ các track và các
dịch vụ âm thanh(full track downloads and analogue radio services )
Lƣu trữ và tải nhạc chất lƣợng cao
Nội dung tin nhắn và cross media(content messaging and cross media) Tin nhắn đồng cấp sử dụng ba thành phần cũng nhƣ tƣơng tác với các media khác.(peer- to-peer messaging using third party content as well as interaction with other media)
Phân phối tỷ lệ rộng của các video clip, dịch vụ karaoke, video cơ bản quảng cáo di động(wide scale distribution of video clips, karaoke
services. Video-based mobile advertising)
M-comerce( thƣơng mại qua điện thoại)
Thực hiện các giao dịch và thanh toán qua mạng di động.(commission on
Điện thoại cầm tay nhƣ thiết bị thanh toán, với các chi tiết thanh toán qua mạng tốc độ
transactions (including gambling) and payment facilities undertaken over moblie networks)
cao để cho phép các giao dịch thực hiện nhanh chóng ( Mobile handsets as
payment devices, with payment details carried over high speed networks to enable rapid completion of transactions) Mạng dữ liệu di động(mobile data netwoking) Truy cập đến các mạng nội bộ và cơ sở dữ liệu cũng nhƣ cách sử dụng của các ứng dụng nhƣ CRM(Access to corporate intranets and database as well as the use of application such as CRM)
Chuyển đổi file P2P, các ứng dụng kinh doanh, ứng dụng chia sẻ, thông tin M2M, di động intranet/extranet.(P2P file transfer, business applications, application sharing, M2M
communication, mobile intranet/extranet)
2.1.6 Tình hình triển khai mạng LTE tại Việt Nam
VNPT và tập đồn viễn thơng Altech Telecom (Nga) đã kí kết thỏa thuận hợp tác lập liên doanh RusViet Telecom để cung cấp dịch vụ dựa trên nền tảng công nghệ di động thế hệ tiền 4G LTE.
Ngay sau khi đƣợc Bộ Thông tin và Truyền thông cấp giấy phép thử nghiệm dịch vụ cơng nghệ 4G, Tập đồn Bƣu chính Viễn thơng Việt Nam (VNPT) đã nỗ lực khẩn trƣơng triển khai và lắp đặt thành công trạm BTS công nghệ LTE đầu tiên tại Việt Nam vào ngày 10/10/2010.
VNPT là một trong năm doanh nghiệp đƣợc Bộ Thông tin và Truyền thông cấp giấy phép thử nghiệm dịch vụ công nghệ 4G với thời hạn giấy phép là 1 năm. Ngay sau
khi có đƣợc giấy phép này, VNPT đã khẩn trƣơng tiến hành thực hiện dự án thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE.
Chỉ sau 39 ngày nỗ lực triển khai với sự ủng hộ của các cơ quan quản lí Nhà nƣớc, vào ngày 10/10 vừa qua, trạm BTS LTE đầu tiên đã đƣợc lắp đặt. Đây không chỉ là trạm BTS công nghệ LTE đầu tiên ở Việt Nam mà còn là đầu tiên trong khu vực các nƣớc Đông Nam Á.
Trạm BTS công nghệ LTE này đƣợc đặt tại nhà Internet, lô 2A, làng Quốc tế Thăng Long, Cầu Giấy, Hà Nội (trụ sở của cơng ty Điện tốn và truyền số liệu VDC). Với tốc độ truy cập Internet lên đến 60Mb/s, dịch vụ truy cập Internet vô tuyến LTE hứa hẹn sẽ mang tới cho khách hàng các ứng dụng địi hỏi băng thơng lớn nhƣ video, HDTV, giải trí trực tuyến,…
Theo dự kiến, giai đoạn 1 dự án thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE của VNPT-VDC sẽ phủ sóng tồn bộ khu vực Hà Nội trƣớc ngày 26/10, ngày khai mạc hội nghị thƣợng đỉnh về Thƣơng mại và Đầu tƣ ASEAN (ASEAN-BIS) 2010.
Hình 2.6 Hệ thống mạng lõi
2.2 Cấu trúc mạng
Nhƣ đã đề cập, LTE đƣợc thiết kế để hỗ trợ cho các dịch vụ chuyển mạch gói, đối lập với chuyển mạch kênh truyền thống. Nó hƣớng đến cung cấp các kết nối IP giữa các UE (User Equipment) và PDN (Packet Data Network), mà khơng có bất kì sự ngắt quãng nào đối với những ứng dụng của ngƣời dùng trong suốt quá trình di chuyển. Trong khi thuật ngữ LTE đề cập quanh sự tiến triển việc truy cập vô tuyến thơng qua E-UTRAN (Evolved-UTRAN), nó cịn đƣợc kết hợp cùng với các phƣơng diện cải tiến “ không vô tuyến” dƣới thuật ngữ SAE (System Architecture Evolution)_bao gồm mạng lõi gói cải tiến EPC (Evolved Packet Core). LTE cùng với SAE tạo thành hệ thống gói cải tiến EPS (Evolved Packet System).
Hình 2.7 Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN
Hình 2.7 cho thấy các thành phần chính của một mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến LTE. So sánh với UMTS, mạng vơ tuyến ít phức tạp hơn. Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số Node. Vì vậy, ngƣời ta đã quyết định rằng các RNC nên đƣợc gỡ bỏ, và chức năng của chúng đã đƣợc chuyển một phần sang các trạm cơ sở và một phần sang nút Gateway của mạng lõi. Để phân biệt với các trạm cơ sở UMTS, các trạm cơ sở của LTE đƣợc gọi là Enhanced NodeB (eNodeB). Bởi vì khơng cịn phần tử điều khiển ở trung ƣơng trong mạng vô tuyến nữa nên giờ đây các trạm cơ sở thực hiện chức năng quản lí dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và bảo đảm chất lƣợng dịch vụ. Tuy nhiên các RNC vẫn điều khiển các kênh truyền tải dành cho dịch vụ thoại chuyển kênh.
Hình 2.8 Cấu trúc EPS
EPS dùng khái niệm “EPS bearers” tạm dịch là thông báo EPS để định tuyến IP từ Gateway trong PDN đến UE. Một thơng báo là một gói IP đƣợc gọi là QoS (Quality of Service) giữa Gateway và UE.
Hình 2.9 Các thành phần trong mạng EPS
EPS cung cấp cho ngƣời dùng một kết nối IP đến một PDN để truy cập Internet, cũng nhƣ là thực thi các dịch vụ nhƣ VoIP. Một thơng báo EPS điển hình đƣợc kết hợp với một QoS. Nhiều thơng báo có thể đƣợc thiết lập cho một ngƣời dùng để cung cấp nhiều dòng QoS khác nhau hoặc để kết nối đến các PDN khác nhau. Ví dụ