Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào đầu 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.
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. Cụ thể những yêu cầu đó được tóm tắt dưới đây:
+ Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng dung lượng truyền trên kênh đường xuống (downlink) có thể đạt 100 Mbps và trên kênh đường lên (uplink) có thể đạt 50 Mbps đối với băng thông 20MHz , khi làm việc ở các giải tần khác thì dung lượng truyền cũng tỉ lệ tương ứng.
+ Dải tần co giãn được: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ 1.4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz đến 20 Mhz. Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông. Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng.
+ Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm đi một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào ,chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần.
+ Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển: - Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển:
Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối ( UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms. Vì chính thời gian chuyển đổi này làm cho người dùng có thể cảm nhận được độ trễ khi truy cập một dich vụ trên internet sau một khoảng thời gian không hoạt động. LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trạng thái nối kết khi hoạt động ở dải tần 5 MHz. Trong mỗi băng tần rộng hơn 5 MHz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ. Số lượng thiết bị đầu cuối ở trạng thái nghỉ trong cell không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể.
- Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (cell) hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định. Điều này
22
ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game …,vì cần thời gian thực. Yêu cầu đối với LTE là độ trễ trên giao tiếp vô tuyến phải khoảng chừng 5 ms để độ trễ truyền từ UE này đến UE kia tương đương với độ trễ ở các mạng đường dây cố định.
- Sẽ không còn chuyển mạch kênh : Tất cả sẽ dựa trên IP. Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP. Trong 3GPP.Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các mạng cố định. EPC dựa trên các giao thức TCP/IP – giống như phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay, vì vậy cho phép cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện. Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông không dây và cố định khác. VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại.
- Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động. Phạm vi lên đến 30km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn 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. Bị giới hạn trong các cell có bán kính lên đến 100km. Dung lượng thì khoảng hơn 200 người/cell (với băng thông 5MHz).
- Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại. Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có.
- OFDMA ,SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE thay vì CDMA như trong 3G.
- Giảm chi phí: Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ. Các vấn đề đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí, chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng.
- Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác. Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE. Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE. Hơn
23
thế nữa, LTE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.
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 khác
1.2.2.3. Kiến trúc hệ thống LTE
Hệ thống LTE phân chia kiến trúc thành bốn phần chính: Thiết bị người dùng (UE), mạng truy nhập vô tuyến E- UTRAN, mạng lõi chuyển mạch gói (EPC) và phần dịch vụ.
24
Hình 1.8: Kiến trúc hệ thống LTE
Các thành phần trong hệ thống LTE bao gồm:
* Thiết bị người dùng (UE _ User Equipment) * E-UTRAN Nút B (eNodeB)
Chỉ có duy nhất một phần tử trong mạng truy nhập vô tuyến cải tiến E-UTRAN là eNodeB. Đây là trạm gốc vô tuyến, điều khiển tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến.
Hình dưới đây chỉ ra những kết nối giữa eNodeB và các nút logic xung quanh (UEs, MME, S-GW, eNodeBs khác) và tóm tắt các chức năng chính của các giao diện này.
Hình 1.9: Kết nối giữa eNodeB với các nút khác * Thực thể quản lý di động (MME).
Thực thể quản lý di động MME là thành phần điều khiển chính trong EPC. Nó chỉ hoạt động trong miền điều khiển (CP) mà không tham gia vào miền dữ liệu người dùng (UP).
Các chức năng chính của MME trong kiến trúc hệ thống LTE/SAE như sau: + Chức năng xác thực và bảo mật.
+ Chức năng quản lý di động.
25
Hình dưới đây chỉ ra các kết nối giữa MME và các nút logic xung quanh (UEs, eNodeB, S-GW, HSS, MME khác), tóm tắt các chức năng chính của các giao diện này.
Hình 1.10: Kết nối giữa MME và các nút khác
* Gateway phục vụ (S-GW)
Trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản, chức năng của S- GW là quản lý và chuyển mạch đường hầm dữ liệu người dùng. S- GW là một phần không thể thiếu của cơ sở hạ tầng mạng.
S-GW có vai trò thứ yếu trong chức năng điều khiển. Nó chỉ chịu trách nhiệm cho các tài nguyên của mình và nó ấn định tài nguyên đó theo các yêu cầu từ MME, P- GW hoặc PCRF.
Hình dưới đây chỉ ra cách mà S-GW kết nối vào các nút logic khác và các chức năng chính trong các giao diện này.
26
Hình 1.11: Kết nối giữa S-GW và các nút khác
* Gateway mạng dữ liệu gói (P-GW)
P-GW hay còn gọi là PDN-GW là bộ định tuyến biên giữa mạng EPC và các mạng dữ liệu gói bên ngoài. Đây là mức kết cuối di động cao nhất trong hệ thống LTE/SAE và thông thường nó hoạt động như điểm truy nhập IP cho thiết bị người dùng (UE). Nó thực hiện chức năng lọc và mở lưu lượng khi dịch vụ yêu cầu. Tương tự với S-GW, P-GW cũng là thành phần quan trọng của mạng.
Hình dưới đây chỉ ra kết nối giữa P-GW và các nút logic xung quanh nó và các chức năng chính trong các giao diện này.
27
Hình 1.12: Kết nối giữa P-GW và các nút khác
* Chức năng quy định chính sách và tính cước (PCRF)
PCRF là một thành phần mạng chịu trách nhiệm điều khiển tính cước và chính sách (PCC).
Hình 1.13: Kết nối giữa PCRF với các nút khác
28
HSS là nơi chứa dữ liệu cho tất cả thuê bao. Nó cũng ghi lại vị trí thuê bao như ở mức MME. HSS cũng lưu trữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao có thể được sử dụng, thông tin về các kết nối PDN mà thuê bao được phép kết nối đến và có được phép chuyển vùng tới mạng khách hay không.
* Miền dịch vụ (Services Domain)
Miền dịch vụ có thể bao gồm nhiều hệ thống con và các do đó có thể chứa nhiều nút logic. Dưới đây là các loại dịch vụ có thể cung cấp và loại cơ sở hạ tầng cần để cung cấp các dịch vụ:
+ Các dịch vụ nhà mạng dựa trên IMS
+ Các dịch vụ nhà mạng không dựa trên IMS
+ Những dịch vụ khác không được cung cấp bởi nhà mạng
1.2.2.4. Các đặc điểm của công nghệ LTE
Từ quan điểm kỹ thuật, mục đích cơ bản của LTE là cung cấp các tốc độ số liệu cao hơn cho cả truyền dẫn đường lên và đường xuống. Ngoài việc tăng tốc độ số liệu thực, LTE còn làm giảm trễ gói; giới hạn xác định tình trạng phản ứng lại của trò chơi điện tử, VoIP, thoại video và các dịch vụ thời gian thực.
Từ khía cạnh nhà khai thác, độ rộng băng tần kênh linh hoạt và chế độ hòa hợp FDD/TDD của LTE cho phép sử dụng sóng mang hiện tại và nguồn phổ tần trong tương lai một cách hiệu quả hơn. LTE cũng cung cấp một nền tảng mạnh mẽ hơn cho các nhà khai thác để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng hấp dẫn trong miền di động.
Sau đây là các đặc điểm quan trọng của LTE:
- Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu: LTE được xây dựng trên một mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên công nghệ OFDM. Được chỉ rõ trong 3GPP Release 8, giao diện không gian LTE kết hợp đa truy nhập và điều chế dựa trên OFDMA cho đường xuống, cùng với SC-FDMA cho đường lên. OFDM chia phổ tần khả dụng thành hàng nghìn sóng mang con cực hẹp, mỗi trong số chúng mang một phần của tín hiệu. Ở LTE, hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được tăng cường lên nhờ các sơ đồ điều chế bậc cao hơn như là 64QAM, FEC tinh vi như là bit đuôi, mã hóa xoắn, mã hóa turbo, cùng với các kỹ thuật vô tuyến bổ sung như MIMO và định dạng chùm lên đến 4 anten mỗi trạm. Kết quả là thông lượng trung bình gấp 5 lần của HSPA, tốc độ số liệu đường xuống cực đại về mặt lý thuyết là 300 Mbit/s cho mỗi phổ tần 20 MHz, tốc độ đường lên theo lý thuyết của LTE có thể đạt 75 Mbit/s cho mỗi phổ tần 20 MHz.
29
- Hiệu quả sử dụng phổ tần cao: Hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn của LTE cho phép các nhà khai thác cung cấp ngày càng tăng số lượng khách hàng trong vùng phổ tần đang tồn tại và trong tương lai với chi phí phân phối mỗi bit được giảm xuống.
- Kế hoạch tần số linh hoạt: LTE có thể được cung cấp tối ưu trong ô có kích thước lên đến 5 km, khả dụng trong ô có bán kính lên đến 30 km, và sự thực thi bị giới hạn trong các ô có bán kính lên đến 100 km.
- Giảm độ trễ: Bằng cách giảm thời gian round-trip xuống còn 10 ms hoặc thậm chí ít hơn (so với 40-50 ms cho HSPA), LTE cho phép người sử dụng được đáp ứng nhanh hơn. Điều này cho phép các dịch vụ tương tác, thời gian thực như là trò chơi điện tử nhiều người, hội thảo video/audio chất lượng cao.
- Môi trường toàn IP: Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP. Trong 3GPP, sự khởi đầu này được xem như Tiến hóa kiến trúc hệ thống (SAE) và hiện nay được gọi là Lõi gói cải tiến (EPC). Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các mạng cố định. EPC dựa trên các giao thức TCP/IP – giống như phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện. Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông không dây và cố định khác.
- Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và phải truy nhập đến các dịch vụ số liệu cơ sở, thậm chí khi họ nằm trong vùng không phủ sóng LTE. Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, liền, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE. Hơn thế nữa, LTE/SAE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.
- Khả năng giảm chi phí: Đưa ra những tính năng như RAN đa nhà cung cấp hoặc mạng tự tối ưu SON sẽ giúp giảm OPEX và cung cấp tiềm năng giảm chi phí trên mỗi bit thấp hơn.
1.2.2.5. Ưu điểm của LTE
So với WiMAX, LTE không chỉ có ưu điểm từ nguồn gốc của mình, mà các tính năng của nó cũng phù hợp với các thiết bị điện thoại di động hơn. Một số ưu điểm chính của hệ thống này là:
30
- Giá thành rẻ, không đòi hỏi thiết bị sử dụng những chip xử lý đắt tiền riêng biệt.
- Hỗ trợ thiết bị di chuyển với tốc độ lên tới 250km/h so với 120km/h của WiMAX
- Tốc độ tối đa lên tới 100 Mb/s
- Một thiết bị phát sóng LTE có khả năng hỗ trợ nhiều thiết bị đầu cuối hơn so với thiết bị phát sóng WiMAX
- Một ưu điểm nữa của LTE là hoạt động tốt cả trong truyền dẫn tín hiệu đàm thoại lẫn dữ liệu với năng lực truyền dẫn dữ liệu cao, độ trễ thấp, dễ ứng dụng, kết cấu đơn giản với giá thành thấp và nâng cao tính năng ứng dụng cho người dùng cuối. LTE