Đồ án Quy hoạch mạng 4G LTE

142 trang hoanguyen 7840

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Quy hoạch mạng 4G LTE", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_quy_hoach_mang_4g_lte.pdf

Nội dung text: Đồ án Quy hoạch mạng 4G LTE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE GVHD: TS. Lê Quang Tuấn SVTH: Nguyễn Thị Thùy Dương MSSV: 06117013 TP.Hồ Chí Minh - Tháng 1/ 2011
PHẦN A GIỚI THIỆU
Đồ án tốt nghiệp Trang i LỜI CẢM ƠN Sau khoảng thời gian học tập tại trường, đây là khoảng thời gian khó quên đối với chúng em. Thầy cô đã chỉ bảo tận tình để giúp cho chúng em trang bị kiến thức để vững vàng bước vào đời. Để được như ngày hôm nay, em xin gởi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Điện Tử Viễn Thông cũng như các thầy cô trong khoa Điện-Điện tử đã hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho chúng em. Em xin gởi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy TS. Lê Quang Tuấn, công ty Viễn Thông Quốc nội (VTN), người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn để em có thể hoàn thành đề tài này. Xin gởi lời cám ơn đến ba má đã động viên giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần cho con bao nhiêu năm qua, đồng cảm ơn đến bạn bè đã luôn luôn ở bên cạnh mình . Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Người thực hiện Nguyễn Thị Thùy Dương
Đồ án tốt nghiệp Trang ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘ NG HÒA XÃ HỘICHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HỒ CHÍ MINH  QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thùy Dương MSSV: 06117013 Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM 1) Cơ sở ban đầu: 2) Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 3) Các bản vẽ: 4) Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Quang Tuấn 5) Ngày giao nhiệm vụ: 6) Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Giáo viên hướng dẫn Ngày tháng năm 2011 Chủ nhiệm bộ môn TS. Lê Quang Tuấn
Đồ án tốt nghiệp Trang iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày tháng năm 2011 Giáo viên hướng dẫn TS. Lê Quang Tuấn
Đồ án tốt nghiệp Trang iv NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Ngày tháng năm 2011 Ngày tháng năm 2011 Giáo viên phản biện 1 Giáo viên phản biện 2
Đồ án tốt nghiệp Trang v LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Thế nhưng, nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ mạng thông tin di động tương lai 4G? Ngược dòng thời gian Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G. Mạng 2G có thể phân ra 2 loại: mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA. Đánh dấu điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136) dùng TDMA phổ biến ở Mỹ. Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới. Sự thành công của mạng 2G là do dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả năng di động. Hình : Sơ đồ tóm lược quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ
Đồ án tốt nghiệp Trang vi thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển bởi Trung Quốc. Gần đây công nghệ WiMAX cũng được thu nhận vào họ hàng 3G bên cạnh các công nghệ nói trên. Tuy nhiên, câu chuyện thành công của mạng 2G rất khó lặp lại với mạng 3G. Một trong những lý do chính là dịch vụ mà 3G mang lại không có một bước nhảy rõ rệt so với mạng 2G. Mãi gần đây người ta mới quan tâm tới việc tích hợp MBMS (Multimedia broadcast and multicast service) và IMS (IP multimedia subsystem) để cung ứng các dịch vụ đa phương tiện. Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu? Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ. Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây. 4G là một giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định. 4G còn là hiện thể của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu ở các trường đại học, các viện, các công ty như Motorola, Qualcomm, Nokia, Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng được. Theo dòng phát triển Ở Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng. NTT DoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G. Quan điểm này được xem như là một “quan điểm tuyến tính” trong đó mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100Mb/s. Với cách nhìn nhận này thì 4G sẽ chính là mạng 3G LTE , UMB hay WiMAX 802.16m. Nhìn chung đây cũng là khuynh hướng chủ đạo được chấp nhận ở Trung Quốc và Hàn Quốc. Bên cạnh đó, mặc dù 4G là thế hệ tiếp theo của 3G, nhưng tương lai không hẳn chỉ giới hạn như là một mở rộng của mạng tế bào. Ví dụ ở châu Âu, 4G được xem như là khả năng đảm bảo cung cấp dịch vụ liên tục, không bị ngắt quãng với
Đồ án tốt nghiệp Trang vii khả năng kết nối với nhiều loại hình mạng truy nhập vô tuyến khác nhau và khả năng chọn lựa mạng vô tuyến thích hợp nhất để truyền tải dịch vụ đến người dùng một cách tối ưu nhất. Quan điểm này được xem như là “quan điểm liên đới”. Do đó, khái niệm “ABC-Always Best Connected” (luôn được kết nối tốt nhất) luôn được xem là một đặc tính hàng đầu của mạng thông tin di động 4G. Định nghĩa này được nhiều công ty viễn thông lớn và nhiều nhà nghiên cứu, nhà tư vấn viễn thông chấp nhận nhất hiện nay. Dù theo quan điểm nào, tất cả đều kỳ vọng là mạng thông tin di động thế hệ thứ tư 4G sẽ nổi lên vào khoảng 2010-2015 như là một mạng vô tuyến băng rộng tốc độ siêu cao. Ở Việt Nam , hiện nay 3G đang phát triển rầm rộ và để tiến lên 4G không còn xa nữa. Theo tin từ Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị này vừa hoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệ LTE (Long Term Evolution), công nghệ tiền 4G đầu tiên tại Việt Nam và Đông Nam Á. Đồ án nghiên cứu về Công nghệ 4G LTE là công nghệ còn mới mẻ và phù hợp với thực trạng hiện nay của Việt Nam. Nội dung của đồ án bao gồm 3 phần : Phần A : Giới thiệu Phần B : Nội dung Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan Chương 3 : Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP. HCM Chương 4 : Mô phỏng Phần C : Phụ lục và tài liệu tham khảo Trong quá trình thực hiện đề tài, người thực hiện có những hạn chế về khả năng và còn nhiều sai sót , rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè .
Đồ án tốt nghiệp Trang viii MỤC LỤC PHẦN A : GIỚI THIỆU LỜI CẢM ƠN i QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv MỤC LỤC viii MỤC LỤC HÌNH xii MỤC LỤC BẢNG xv PHẦN B : NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 1 1. 1. 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 2 1. 1. 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 3 1. 1. 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 6 1. 1. 4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) 7 1. 2 Tổng quan về mạng 4G [12] 8 1. 3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 10 1. 3. 1 Ưu điểm nổi bật 11 1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G 11 CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 14 2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 14 2.2 Cấu trúc của LTE [1] 24
Đồ án tốt nghiệp Trang ix 2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 29 2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) [2] 31 2.5 Một số đặc tính của kênh truyền 34 2.5.1 Trải trễ đa đường 34 2.5.2 Các loại fading 34 2.5.3 Dịch tần Doppler 35 2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE 35 2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE 36 2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] 36 2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] 46 2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1] 48 2.6.4 Mã hóa Turbo [18] 50 2.6.5 Thích ứng đường truyền [18] 51 2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [18] 52 2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [18] 52 2.7 Chuyển giao 53 2.7.1 Mục đích chuyển giao 53 2.7.2 Trình tự chuyển giao 54 2.7.3 Các loại chuyển giao 56 2.7.4 Chuyển giao đối với LTE [3] 59 2.8 Điều khiển công suất [3] 60 2.8.1 Điều khiển công suất vòng hở [8] 61 2.8.2 Điều khiển công suất vòng kín [8] 62 CHƯƠNG 3 : QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.HCM 65 3. 1 Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 65
Đồ án tốt nghiệp Trang x 3. 2 Dự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ 66 3. 2. 1 Dự báo lưu lượng 66 3. 2. 2 Phân tích vùng phủ 67 3. 3 Quy hoạch chi tiết 67 3. 3. 1 Quy hoạch vùng phủ 67 3. 3. 1. 1 Quỹ đường truyền [2] 68 3. 3. 1. 2 Các mô hình truyền sóng 77 3. 3. 1. 3 Tính bán kính cell 83 3. 3. 2 Quy hoạch dung lượng 85 3. 4 Quy hoạch cho TP Hồ Chí Minh 90 3.5 Tối ưu mạng 91 3.6 Điều khiển công suất kênh PUSCH của LTE [7] 92 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG 95 4.1 Các lưu đồ 95 4.2 Quy hoạch mạng LTE 96 4.2.1 Quy hoạch vùng phủ 97 4.2.1.1 Quỹ đường truyền 97 4.2.1.2 Các mô hình truyền sóng 98 4.2.1.3 Quy hoạch vùng phủ 100 4.2.2 Quy hoạch dung lượng của LTE 100 4.2.3 Tối ưu số trạm 102 4.2.4 So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA 103 4.3. Chuyển giao và Điều khiển công suất 105 4.3.1 Giao diện chính 105 4.3.2 Điều khiển công suất 106
Đồ án tốt nghiệp Trang xi 4.3.3 Chuyển giao 109 4.3.3.1 Trường hợp chuyển giao thành công 110 4.3.3.2 Trường hợp chuyển giao bị rớt 111 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 113 PHẦN C: PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1 : CÁC TỪ VIẾT TẮT 114 PHỤ LỤC 2 : HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 119 CHƯƠNG TRÌNH 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122
Đồ án tốt nghiệp Trang xii MỤC LỤC HÌNH Hình 2.1: So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE 24 Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của LTE 25 Hình 2.3: Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP 27 Hình 2.4 : Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và không phải 3GPP 28 Hình 2.6: Giao thức của UTRAN 31 Hình 2.7: Giao thức của E-UTRAN 32 Hình 2.8: Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP 32 Hình 2.9 : Truyền đơn sóng mang 36 Hình 2.10 : Nguyên lý của FDMA 36 Hình 2.11 : Nguyên lý đa sóng mang 36 Hình 2.12 : So sánh phổ tần của OFDM với FDMA 37 Hình 2.13 : Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM 37 Hình 2.14 : Các sóng mang trực giao với nhau 38 Hình 2.15 : Biến đổi FFT 39 Hình 2.16 : Thu phát OFDM 39 Hình 2.17: Chuỗi bảo vệ GI 40 Hình 2.18 Tác dụng của chuỗi bảo vệ 41 Hình 2.19 Sóng mang con OFDMA 42 Hình 2.20 OFDM và OFDMA 42 Hình 2.21 : Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE 43 Hình 2.22 : Cấu trúc của một khối tài nguyên 44 Hình 2.23 : Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo 45 Hình 2.24: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM 45
Đồ án tốt nghiệp Trang xiii Hình 2.25: PAPR cho các tín hiệu khác nhau 46 Hình 2.26: OFDMA và SC-FDMA 47 Hình 2.28 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 49 Hình 2.29: Ghép kênh không gian 50 Hình 2.30 Điều chế thích nghi 51 Hình 2.31: Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao 55 Hình 2.32 : Chuyển giao mềm 57 Hình 2.33 : Chuyển giao mềm - mềm hơn 58 Hình 2.34 : Chuyển giao cứng 58 Hình 2.35: Các loại chuyển giao 59 Hình 2.36: Điều khiển công suất vòng hở 62 Hình 2.37: Điều khiển công suất vòng kín 63 Hình 3. 1: Khái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE 65 Hình 3. 2 : Các tham số của mô hình Walfisch-Ikegami 79 Hình 3. 3: Quan hệ giữa băng thông kênh truyền và băng thông cấu hình 88 Hình 4.1 : Lưu đồ phần mô phỏng quy hoạch LTE 95 Hình 4.2 : Lưu đồ phần chuyển giao và điều khiển công suất 96 Hình 4.3: Giao diện phần quy hoạch mạng LTE 96 Hình 4.4: Quỹ đường truyền của LTE 97 Hình 4.5 Môi trường truyền sóng trong nhà 98 Hình 4.6 : Môi trường truyền sóng ngoài trời 99 Hình 4.7: Môi trường xe cộ 99 Hình 4.8: Quy hoạch vùng phủ LTE 100 Hình 4.9 : Quy hoạc dung lượng LTE 101 Hình 4.10: Tính toán tốc độ đỉnh 102
Đồ án tốt nghiệp Trang xiv Hình 4.11: Tối ưu số trạm 102 Hình 4.12 : So sánh quỹ đường truyền lên của LTE và WCDMA 103 Hình 4.13: So sánh quỹ đường truyền xuống của LTE và WCDMA 103 Hình 4.14: So sánh vùng phủ của LTE và WCDMA 104 Hình 4.15: Giao diện phần chuyển giao và điều khiển công suất 105 Hình 4.16: Nhập dữ liệu cho điều khiển công suất 106 Hình 4.17: Điều khiển công suất ở LTE 107 Hình 4.18: Nhập liệu của WCDMA 108 Hình 4.19: So sánh điều khiển công suất của LTE và WCDMA 109 Hình 4.20: Trường hợp chuyển giao thành công 110 Hình 4.21: Trường hợp chuyển giao bị rớt 111
Đồ án tốt nghiệp Trang xv MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1 : Các thông số lớp vật lý LTE 17 Bảng 2.2 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 18 Bảng 2.3 : So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE 19 Bảng 2.4 : So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE 21 Bảng 2.5 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 43 Bảng 3. 1 :Ví dụ về quỹ đường lên của LTE 71 Bảng 3. 2 : Ví dụ của quỹ đường xuống LTE 73 Bảng 3. 3 : So sánh quỹ đường truyền lên của các hệ thống 74 Bảng 3. 4 : So sánh về quỹ đường truyền xuống của các hệ thống 75 Bảng 3. 5 : Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng 85 Bảng 3. 6 : Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông 86 Bảng 3. 7 Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền[4] 88 Bảng 3.8 Diện tích và dân số từng quận của TP.HCM [11] 90 Bảng 3.9 Các lớp công suất của UE [10] 93
PHẦN B NỘI DUNG
Đồ án tốt nghiệp Trang 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4. Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G. 1. 1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ. Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được. Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 2 Hình 1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào 1. 1. 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập. 1. 1. 1. 1 Đặc điểm Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến. Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể. Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong cell. Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS. 1. 1. 1. 2 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1 Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Nó bao gồm các hạn chế sau : Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 3 Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading đa tia. Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng. Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi. Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác. Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.  Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2. 1. 1. 2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là GSM. Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác. Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM. Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số. Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập: Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau. Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 4 1. 1. 2. 1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA: Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung. Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và các bit dữ liệu. Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số. Các đặc điểm của TDMA - TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngược lại trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch. - Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể. - TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu. 1. 1. 2. 2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần. Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống. Tuy nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã. Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN. Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với tín hiệu băng thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán. Tín hiệu phân tán là một chuỗi mã giả ngẫu Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 5 nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu. Tất cả các users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể được phát đồng thời. Mỗi user có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và nó được xem là trực giao với các từ mã khác. Tại máy thu, sẽ có một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương quan với nó. Tất cả các mã khác được xem như là nhiễu. Để khôi phục lại tín hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát. Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác. Đặc điểm của CDMA - Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz. - Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp. - Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA. - Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt. - Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt. Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh. - CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và FDMA. Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm. - Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin di động tế bào. Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 6 1. 1. 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3. W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136. CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95. Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2. Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau: - 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng. - 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương. Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G): Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 7 - Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:  Đường lên : 1885-2025 MHz.  Đường xuống : 2110-2200 MHz. - Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:  Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.  Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông. - Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên xe, vệ tinh. - Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:  Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.  Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.  Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói. - Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện. 1. 1. 4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 8 Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu. 1. 2 Tổng quan về mạng 4G [12] 4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện 3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz. Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng. LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009. Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu. . . đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE. . . ) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể. LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 9 Di động WiMAX (IEEE 802. 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz. UMB (Ultra Mobile Broadband) : UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel- Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA. UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz. Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE. Mục tiêu và cách tiếp cận 4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số. Các mục tiêu mà 4G hướng đến : Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz. Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm. Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới. Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz)/ Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà. Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 10 Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng. Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa. Các điểm cần xét đến Vùng bao phủ, môi trường vô tuyến, phổ, dịch vụ, mô hình thương mại và số người sử dụng. Các kỹ thuật được sử dụng Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý - Không sử dụng CDMA - MIMO : để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng. - Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SC- FDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống : để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp. - Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở đường xuống : tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh. - Mã hóa sửa lỗi Turbo : để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu. Lập biểu kênh độc lập : để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian. Thích nghi đường truyền : điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi. 1. 3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G. Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 11 3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA. 1. 3. 1 Ưu điểm nổi bật Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA. Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với WCDMA 1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G Hiệu suất phổ cao - OFDM ở DL  Chống nhiễu đa đường  Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động - SC-FDMA ở UL  PAPR thấp  Người dùng trực giao trong miền tần số - MIMO Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 12 Tốc độ dữ liệu cao -Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng tốc độ dữ liệu. (sử dụng MIMO) Độ trễ thấp -Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn -Trễ HO và thời gian ngắt ngắn : TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản Giá thành rẻ -Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng Chất lượng dịch vụ cao -Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ : LTE sử dụng các dải tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900 MHz, 800 MHz. -Luôn luôn thử nghiệm ( giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến) -Giảm độ trễ khứ hồi ( round trip delay) Tần số tái sử dụng linh hoạt Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1. -Sử dụng hai dải tần số:  Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn  Dải 2 : phổ còn lại -Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt -Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì : do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 13  Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó. Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo. Chương 1 : Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G
Đồ án tốt nghiệp Trang 14 CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai. Cơ sở hạ tầng 4G được thiết kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng. Để thực hiện điều đó, cần tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng. Chương này sẽ trình bày hệ thống di động 4G LTE :các đặc điểm kỹ thuật, so sánh LTE với WiMAX, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó liên kết với các mạng khác ra sao, các kênh sử dụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sử dụngcho đường lên, đường xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên quan đến giao diện vô tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất. 2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA. Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA. Thêm vào đó, FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp. Không giống như FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm. Điều này làm giảm Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 15 giá thành cho bộ song công trong UE. Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA. Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6. Động cơ thúc đẩy - Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và đáp ứng nhu cầu của người sử dụng - Người dùng đòi hỏi tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn - Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói - Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi của người dùng về giảm giá thành (CAPEX và OPEX) - Giảm độ phức tạp - Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc không phải một cặp dải thông Các giai đoạn phát triển của LTE - Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP. - Mục tiêu hướng đến là dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel. 6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần (100Mbps). Tải lên: gấp 2 đến 3 lần (50Mbps). - Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3 –“EUTRA”- phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ thuật được chấp nhận. Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng trong thương mại. - Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA được sử dụng cho đường lên. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 16 Mục tiêu của LTE - Tốc độ dữ liệu cao - Độ trễ thấp - Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu Các đặc tính cơ bản của LTE - Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6 GHz. - Tốc độ: DL : 100Mbps( ở BW 20MHz) UL : 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát. - Độ trễ : nhỏ hơn 5ms - Độ rộng BW linh hoạt :1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. - Tính di động : Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần. - Phổ tần số: Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD Độ phủ sóng từ 5-100 km Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz. - Chất lượng dịch vụ : Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS. VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS. - Liên kết mạng: Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 17 Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo. Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại. - Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Trong thực tế, hiệu suất thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sự lựa chọn cho phổ tần của chính nó. Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật. Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi. Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP. Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7- 2.1 GHz) Băng tần chỉ định dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ. Các thông số lớp vật lý của LTE [14] Bảng 2.1 : Các thông số lớp vật lý LTE Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA) DL OFDMA Băng thông 1.4MHz, 3 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz TTI tối thiểu 1ms Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 18 Khoảng cách sóng mang con 15KHz 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 2.2 : Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp Lớp 1 2 3 4 5 Tốc độ DL 10 50 100 150 300 đỉnh UL 5 25 50 50 75 Mbps Dung lượng cho các chức năng lớp vật lý Băng thông RF 20MHz Điều chế DL QPSK, 16QAM, 64QAM UL QPSK, 16QAM QPSK, 16QAM, 64QAM Dịch vụ của LTE Qua việc kết nối của đường 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 phương tiện. Tất cả các dịch vụ sẽ Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 19 cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch vụ, đặc biệt là với mong đợi của người dùng về đường truyền TV độ rõ nét cao. Đối với khách hàng là doanh nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ cao, chất lượng 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 thương mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đa người chơi và chia sẻ tập tin. Bảng 2.3 : So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE Dịch vụ Môi trường (3G) Môi trường 4G Thoai (rich voice) Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất lượng cao Tin nhắn P2F(P2F SMS, MMS, các email ưu tiên Các tin nhắn photo, IM, messaging) thấp email di động, tin nhắn video Lướt Truy cập đến các dịch vụ Duyệt siêu nhanh, tải các nội web(browsing) online trực tuyến, Trình duyệt dung lên các mạng xã hội. WAP thông qua GPRS và mạng 3G. Thông tin cước Người dùng trả qua hoặc trên Tạp chí trực tuyến, dòng âm phí(paid mạng tính cước chuẩn. Chính thanh chất lượng cao. information) yếu là dựa trên thông tin văn bản. Riêng Chủ yếu là âm thanh Âm thanh thực(thu âm gốc tư(personalization) chuông(ringtone), cũng bao từ người nghệ sĩ), các trang gồm màn hình chờ web cá nhân. (screensavers)và nhạc chờ(ring tone) . Games Tải về và chơi game trực Kinh nghiệm game trực Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 20 tuyến. tuyến vững chắc qua cả mạng cố định và di động. Video/TV theo yêu Chạy và có thể tải video. Các dịch vụ quảng bá tivi, cầu (video/TV on Tivi theo đúng yêu cầudòng demand) video chất lượng cao. Nhạc Tải đầy đủ các track và các Lưu trữ và tải nhạc chất dịch vụ âm thanh. lượng cao Nội dung tin nhắn Tin nhắn đồng cấp sử dụng ba Phân phối tỷ lệ rộng của các thành phần cũng như tương video clip, dịch vụ karaoke, tác với các media khác. video cơ bản quảng cáo di động. M- Thực hiện các giao dịch và Điện thoại cầm tay như thiết comerce( thương thanh toán qua mạng di động. bị thanh toán, với các chi tiết mại qua điện thanh toán qua mạng tốc độ thoại) cao để cho phép các giao dịch thực hiện nhanh chóng. Mạng dữ liệu di Truy cập đến các mạng nội bộ Chuyển đổi file P2P, các ứng động(mobile data và cơ sở dữ liệu cũng như dụng kinh doanh, ứng dụng netwoking) cách sử dụng của các ứng chia sẻ, thông tin M2M, di dụng như CRM. động intranet/extranet. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 21 So sánh LTE với HSPA và WiMAX [17] Bảng 2.4 : So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE Các tiêu chí HSUPA WiMAX LTE Phiên bản 3GPP release 6 802.16e (2005) 3GPP release 8 (3/2009) Cơ sở hạ Bắt đầu năm Bắt đầu năm 2007 Bắt đầu năm 2010 tầng và các 2007 thiết bị có giá trị Dải tần hoạt 700MHz, 850 2.5GHz, 2.6GHz, 700MHz, 850 MHz,1.5 động MHz,1.5 GHz, 3.5GHz, 3.65 GHz, 5.8 GHz, 1.8 GHz, 1.7/2.1 1.8 GHz, GHz, GHz, 2.1GHz, 2.3GHz, 1.7/2.1 GHz 2.6GHz Các thông Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu lên Tốc độ dữ liệu lên số hướng lên 5.6 Mbps 75Mbps/25 Mbps đối 100Mbps/50 Mbps đối đến đối với kênh với kênh 10MHz với với kênh 10MHz với 5MHz, bán 2x2 MIMO, bán kính 2x2 MIMO, bán kính kính cell là cell lên đến 2-7Km, cell lên đến 5Km, lớn 680m 100-200 người dùng hơn 400 người dùng Khả năng Tương thích lùi Không tương thích lùi Kế thừa chuẩn 3GPP, tương thích với Release 99 với 3GPP hoặc 3GPP2 nhưng khác kỹ thuật nên lùi đòi hỏi thiết bị mới ở RAN nếu dải tần khác nhau được sử dụng 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 Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 22 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. 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 TDDs. 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 LTE. Trên thế giới, 4G dù chưa phải phổ biến song cũng đã có quốc gia và các hãng viễn thông triển khai. Chẳng hạn như Ericsson. Tháng 1/2009, Ericsson và nhà mạng tại Thụy Điển đã triển khai thương mại TeliaSonera mạng LTE/4G đầu tiên tại Thụy Điển. Tới tháng 1/2010 đã triển khai diện rộng mạng TeliaSonera trên toàn quốc ở Na Uy và Thụy Điển. Ngoài ra, Ericsson đã ký hợp đồng triển khai LTE trong thời gian tới với các nhà mạng AT&T (Mỹ), MetroPCS, Verizon Wireless (Mỹ), NTT Docomo (Nhật). Ericsson cũng đã tiến hành các thử nghiệm LTE/4G với các mạng Telstra, SingTel, T-Mobile Hungary, Zain Saudia Arabia. Với Việt Nam, ở thời điểm này, cơ quan quản lý nhà nước chưa đưa ra quyết định sẽ đi lên 4G bằng Wimax hay LTE mà quan điểm sẽ tổ chức một hội thảo giữa Bộ với các doanh nghiệp để tìm ra sự lựa chọn hợp lý nhất. Theo phân tích của các chuyên gia, hiện tại Wimax có lợi thế đi trước LTE. Không chỉ trên thế giới mà ngay cả ở Việt Nam, mạng Wimax đã được triển khai cung cấp thử nghiệm từ năm 2004 tới giờ. Còn LTE, lại được cho rằng phải tới khoảng năm 2012-2013 mới trở Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 23 nên phổ biến. Xong, so với Wimax, LTE lại có một thế mạnh được cho là rất quan trọng. LTE nếu được triển khai cho phép tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn dù vẫn phải đầu tư thêm thiết bị. Còn Wimax, nếu muốn triển khai thì phải xây dựng từ đầu một mạng mới. Với Việt Nam, trong bối cảnh hiện nay, theo nhiều chuyên gia, vẫn chưa đến thời điểm chín muồi để phát triển 4G cho dù đó là Wimax hay LTE. Ở thời điểm này, Việt Nam vẫn chưa có kế hoạch triển khai 4G. Nếu có, phải ít nhất là năm 2012. Và với mốc thời gian này, biết đâu, LTE lại thắng thế hơn Wimax? Nhưng dù có lựa chọn công nghệ gì đi chăng nữa, điều quan trọng nhất mà người dùng Việt đặt kỳ vọng ở các nhà khai thác mạng, cung cấp dịch vụ đó là làm sao đáp ứng được ba tiêu chuẩn. Một chuyên gia của Ericsson chia sẻ.Thứ nhất, đó là tính thân thiện và đơn giản của dịch vụ công nghệ cung cấp. Đa số người dùng trước đây chưa biết nhiều về Internet do đó tính thân thiện giúp họ sử dụng lần đầu tiên mà không bị nhầm lẫn là điều rất quan trọng. Thứ hai đó chính là những nội dung tiếng Việt mà họ có thể hưởng thụ từ dịch vụ.Và thứ ba, là giá cả hợp lý. Đặc biệt là dịch vụ trả trước. Có thể nói, đa số người sử dụng không hiểu về sự liên quan giữa Megabyte và giá cả nên chính sách giá phải dễ hiểu. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 24 2.2 Cấu trúc của LTE [1] Cấu trúc cơ bản SAE của LTE Hình 2.1: So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE Hình trên cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE. Song song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng SAE. Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi phí và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP. Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những kênh gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 25 Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng, mạng có thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập. Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi. Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là EPC. Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node. Vì vậy, người phát triển đã chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B). Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến. Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2. Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia làm hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME. X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau. Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của LTE Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 26 Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi trong hệ thống 3G, và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói. Vì vậy, nó có một cái tên mới: Evolved Packet Core (EPC). Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm. EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển. Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác. EPC gồm có một vài thực thể chức năng. - MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên. - Gateway dịch vụ (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với E-UTRAN. Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật 3GPP khác. - P-Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến mạng Internet. - PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra bảng giá và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP Multimedia Subsystem) cho mỗi người dùng. - HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả dữ liệu của người dùng. Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong trung tâm của nhà khai thác. Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub-system) dựa trên các nhà khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác. IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng truy nhập nào. IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA2000, truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũng Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 27 như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau có thể tương thích với nhau. IMS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Nó đã và đang được tập trung nghiên cứu cũng như thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghiệp. Tuy nhiên IMS cũng gặp phải những khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín để thuyết phục các nhà cung cấp mạng đầu từ triển khai nó. Kiến trúc IMS được cho là khá phức tạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác nhau. IMS dựa trên các nhà khai thác: là IMS đã được tích hợp sẵn trong cấu trúc của hệ thống 3GPP - IMS không dựa trên các nhà khai thác: là IMS không được định nghĩa trong các chuẩn. Các nhà khai thác có thể tích hợp dịch vụ này trong mạng của họ. Các UE kết nối đến nó qua vài giao thức được chấp thuận và dịch vụ video streaming là 1 ví dụ. - Các dịch khác không được cung cấp bởi 3GPP và cấu trúc phụ thuộc vào yêu cầu của dịch vụ. Cấu hình điển hình sẽ được UE kết nối đến máy chủ qua mạng chẳng hạn như kết nối đến trang chủ cho dịch vụ lướt web. Cấu trúc của LTE liên kết với các mạng khác Hình 2.3: Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 28 Hình 2.4 : Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và không phải 3GPP Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và liên mạng với CDMA 2000 Hệ thống 3GPP hiện tại (GSM và WCDMA/HSPA) và 3GPP2 (CDMA2000 1xRTT, EV-DO) được kết hợp vào hệ thống mới thông qua những giao diện chuẩn hóa, miễn là tối ưu tính di động với LTE. Với hệ thống 3GPP, điều này có nghĩa là Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 29 một giao diện báo hiệu giữa SGSN (Serving GPRS Support Node) và mạng lõi mới, với hệ thống 3GPP2 cũng có một giao diện báo hiệu giữa CDMA RAN và mạng lõi mới. Ví dụ tín hiệu điều khiển cho di động được xử lý bởi node Mobility Management Entity (MME), tách rời với Gateway. Điều này thuận tiện cho việc tối ưu trong triển khai mạng và hoàn toàn cho phép chia tỉ lệ dung lượng một cách linh động. Home Subscriber Server (HSS) nối đến Packet Core qua một giao diện IP, và không phải SS7 như đã sử dụng trong mạng GSM và WCDMA. Mạng báo hiệu cho điều khiển chính sách và tính cước được dựa trên giao diện IP. Hệ thống GSM và WCDMA/HSPA hiện tại được tích hợp vào hệ thống mới qua những giao diện được chuẩn hóa giữa SGSN và mạng lõi mới. Người ta cố gắng kết hợp truy nhập CDMA cũng sẽ đưa đến tính di động liên tục giữa LTE và CDMA, cho phép sự mềm dẻo trong việc chuyển lên LTE. LTE-SAE tiếp nhận khái niệm QoS theo từng lớp. Điều này cung cấp một giải pháp đơn giản và đến bây giờ vẫn hiệu quả cho những nhà khai thác có được sự phân biệt giữa những dịch vụ gói. 2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN Kênh vật lý : các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu người dùng bao gồm : - PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) : phụ tải có ích (payload) - PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) : PUSCH được dùng để mang dữ liệu người dùng. Các tài nguyên cho PUSCH được chỉ định trên một subframe cơ bản bởi việc lập biểu đường lên. Các sóng mang được chỉ định là 12 khối tài nguyên (RB) và có thể nhảy từ subframe này đến subframe khác. PUSCH có thể dùng các kiểu điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM. - PUCCH(Physical Uplink Control Channel): có chức năng lập biểu, ACK/NAK. - PDCCH(Physical Downlink Control Channel): lập biểu, ACK/NAK. - PBCH(Physical Broadcast Channel): mang các thông tin đặc trưng của cell. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 30 Kênh logic : được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm: [18] - Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Được sử dụng để truyền thông tin điều khiển hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell. Trước khi truy nhập hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết được hệ thống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông hệ thống. - Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối di động vì mạng không thể biết được vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế cần phát các bản tin tìm gọi trong nhiều ô (vùng định vị). - Kênh điều khiển riêng (DCCH) : được sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới/từ một đầu cuối di động. Kênh này được sử dụng cho cấu hình riêng của các đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác nhau. - Kênh điều khiển đa phương (MCCH) : được sử dụng để truyền thông tin cần thiết để thu kênh MTCH. - Kênh lưu lượng riêng (DTCH) : được sử dụng để truyền số liệu của người sử dụng đến/từ một đầu cuối di động. Đây là kiểu logic được sử dụng để truyền tất cả số liệu đường lên của người dùng và số liệu đường xuống của người dùng không phải MBMS. - Kênh lưu lượng đa phương (MTCH) : Được sử dụng để phát các dịch vụ MBMS. Kênh truyền tải : bao gồm các kênh sau [18] - Kênh quảng bá (BCH) : có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung cấp. - Nó được sử dụng để phát thông tin trên kênh logic. - Kênh tìm gọi (PCH) : được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh PCCH, PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm công suất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trước. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 31 - Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) : là kênh truyền tải để phát số liệu đường xuống trong LTE. Nó hỗ trợ các chức năng của LTE như thích ứng tốc độ động và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số. Nó cũng hổ trợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống như cơ chế CPC trong HSPA. DL-DCH TTI là 1ms. - Kênh đa phương (MCH) : được sử dụng để hỗ trợ MBMS. Nó được đặc trưng bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh. Trong trường hợp phát đa ô sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải được điều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN. 2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) [2] Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng như chức năng của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề. Vì vậy, các giao thức liên quan của lớp vô tuyến được chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNC bây giờ chuyển thành giữa UE và eNodeB. Hình 2.6: Giao thức của UTRAN Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 32 Hình 2.7: Giao thức của E-UTRAN Giao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm L1 và MAC mới. Hình 2.8: Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 33 Chức năng của MAC(Medium Access Control) bao gồm : - Lập biểu - Điều khiển ưu tiên (Priority handling) - Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC, cũng như trong WCDMA có chức năng sau: o Truyền lại trong trường hợp giao nhận ở các lớp thấp (MAC và L1) bị hỏng, tương tự trong trường hợp ở chế độ ACK của RLC ở UTRAN o Phân đoạn để phù hợp cho các giao thức đơn vị dữ liệu o Cung cấp các kênh vật lý cho các lớp cao hơn Chức năng của PDCP bao gồm: - Mã hóa (ciphering) - Chèn tiêu đề Trong suốt năm 2006, PDCP vẫn được giả sử trong mạng lõi, nhưng quyết định hiện tại là đưa PDCP vào eNodeB bao gồm mã hóa. Điều này làm cho chức năng vô tuyến của LTE tương tự như của HPSA cải tiến. Trong giao diện điều khiển, chức năng của giao thức RRC thì cũng giống như bên UTRAN. Giao thức RRC cấu hình các thông số kết nối, điều khiển báo cáo đo lường thiết bị đầu cuối, các lệnh chuyển giao Mã ASN1 được sử dụng cho RRC của LTE, nó dãn cách sự khác biệt giữa các phiên bản ở đường tương thích lùi. Giao thức RRC sẽ bao gồm ít trạng thái hơn EUTRAN. Chỉ có trạng thái “tích cực” hay “rỗi” được dự đoán bởi vì đặc tính linh động của sự phân bố nguồn tài nguyên. Các trạng thái của RRC trong LTE là: - RRC-rỗi: thiết bị sẽ quan sát bản tin paging và sử dụng cell cho di động. Không có RRC nào lưu trữ trong bất kỳ eNodeB cá nhân nào. UE chỉ có duy nhất một ID nhận dạng nó ở trong vùng di chuyển. - RRC-kết nối: biết vị trí của UE ở cell nào và dữ liệu được phát và nhận. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 34 Kết nối RRC tồn tại đến một eNodeB. Điều khiển chuyển giao bởi mạng được sử dụng cho di động. 2.5 Một số đặc tính của kênh truyền Ta tìm hiểu một số đặc tính của kênh truyền ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu, các đặc tính này bao gồm trải trễ, fading, dịch tần Doppler, ảnh hưởng của dịch tần Doppler đối với tín hiệu OFDM, nhiễu MAI, và cách khắc phục nhiễu MAI. 2.5.1 Trải trễ đa đường Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục. Đối với LTE, sử dụng kỹ thuật OFDM đã tránh được nhiễu xuyên ký tự ISI. 2.5.2 Các loại fading Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua. 2.5.2.1 Rayleigh fading Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu bị suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh. 2.5.2.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem như là phẳng. Nếu trải trễ thời gian đa đường là D(s) thì băng thông kết hợp Wc(Hz) xấp xỉ bằng: Wc 1/ 2 D Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 35 Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số. Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông của tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc tần số. 2.5.3 Dịch tần Doppler Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Cụ thể là: khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau : v f f (2.1) 0 c Trong đó f là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát, v là vận tốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng. Đối với LTE, để khắc phục hiện tượng dịch tần Doppler, người ta chọn khoảng cách giữa các sóng mang đủ lớn (∆f = 15 Khz). 2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE Đối với LTE, ở đường lên sử dụng kỹ thuật SC-FDMA, nó cũng nhạy cảm với dịch tần. Các user khác nhau luôn có dịch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset). Khi tồn tại nhiều CFO, tính trực giao giữa các sóng mang bị mất. Nhiễu liên sóng mang (ICI : Inter Carrier Interference) và MAI (Multi Access Interference) tạo ra đã làm giảm chất lượng của tín hiệu thu được. Một phương pháp triệt ICI cũng như MAI, là dựa trên các ký hiệu hoa tiêu khối (block type pilots). Các user khác nhau giao tiếp với trạm gốc tại các khe thời gian khác nhau. Phương pháp này lấy trực tiếp thành phần nhiễu bằng cách lợi dụng các ký hiệu hoa tiêu khối, vì vậy nó không cần sử dụng ước lượng CFO nhiều lần. Sau đó, ma trận can nhiễu có thể được khôi phục lại và ảnh hưởng của các CFO có thể được triệt dễ Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 36 dàng bằng cách sử dụng phương pháp đảo ma trận. Phương pháp triệt nhiễu MAI cụ thể được đề cập ở [19]. 2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên. Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai ghép. 2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] Hình 2.9 : Truyền đơn sóng mang Hình 2.10 : Nguyên lý của FDMA Hình 2.11 : Nguyên lý đa sóng mang Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 37 chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường. Hình 2.12 : So sánh phổ tần của OFDM với FDMA Hình 2.13 : Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các ưu điểm sau: - OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 38 - Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống. - Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau. - OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang. - Cấu trúc máy thu đơn giản. - Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số. - Tương thích với các bộ thu và các anten tiên tiến. Hình 2.14 : Các sóng mang trực giao với nhau Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong các hệ thống thông tin di động là cần dịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời. Dịch tần phá hỏng tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập. Vì vậy nó rất nhạy cảm với dịch tần. Ở LTE chọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, đối với khoảng cách này là khoảng cách đủ lớn đối với dịch tần Doppler. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 39 Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữa miền thời gian và miền tần số. Hình 2.15 : Biến đổi FFT n Chiều dài biến đổi FFT là 2 với n là số nguyên. Với LTE chiều dài có thể là 512 hoặc 1024 Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi điều chế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song. Sau đó được đưa đến bộ biến đổi IFFT. Mỗi ngõ vào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt (thành phần tần số riêng biệt của tín hiệu miền thời gian) và mỗi sóng mang được điều chế độc lập với các sóng mang khác. Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu được chèn thêm tiền tố vòng (CP) và phát đi. Ở bộ thu ta làm ngược lại. Hình 2.16 : Thu phát OFDM Mục đích của việc chèn thêm tiền tố vòng là có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference). Một mẫu tín hiệu có độ dài Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 40 là TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau: Hình 2.17: Chuỗi bảo vệ GI Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có chiều dài là T = TS+TG. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ, hình a, tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp TG ≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM. Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là: TG ≥τ MAX với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 41 a ) Không có GI b) Có GI Hình 2.18 Tác dụng của chuỗi bảo vệ OFDM lượng tử hóa trong miền tần số dựa trên ước lượng đáp ứng tần số của kênh. Do đó nó hoạt động đơn giản hơn WCDMA và nó không phụ thuộc vào chiều dài của kênh (chiều dài của đa đường trong các chip) như khi lượng tử WCDMA. Trong WCDMA các cell khác nhau được phân biệt bởi các mã trải phổ khác nhau nhưng trong OFDM trải phổ không có giá trị, nó sử dụng các ký hiệu tham khảo riêng biệt giữa các cell hoặc giữa các anten khác nhau. LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho tuyến lên. OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là công nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng của mô hình điều chế số OFDM Kỹ thuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm. Ở các thời điểm khác nhau, Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 42 nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau. Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng. Hình 2.19 Sóng mang con OFDMA Hình 2.20 OFDM và OFDMA Tài nguyên thời gian - tần số được chia nhỏ theo cấu trúc sau : 1 radio frame có chiều dài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chiều dài là 1ms, và mỗi subframe nhỏ lại được chia thành 2 slot với chiều dài của mỗi slot là 0.5ms. Mỗi slot sẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 6 ký tự OFDM trong trường hợp CP mở rộng. Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không dựa vào từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource Block). Mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot và khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz dẫn đến kết quả băng thông tối thiểu của nó là 180 KHz. Đơn vị nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài nguyên (RE), nó bao gồm một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký tự OFDM. Một RB bao gồm 84 RE (tức 7 x12) trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 72 RE (6x12) trong trường hợp chiều dài CP mở rộng. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 43 Hình 2.21 : Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE Bảng 2.5 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền Băng thông kênh truyền 1.4 3 5 10 15 20 (MHz) Số khối tài nguyên 6 15 25 50 75 100 Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 44 Hình 2.22 : Cấu trúc của một khối tài nguyên Tín hiệu tham khảo (RS) : LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt để dễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộ thời gian Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau: Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 45 Hình 2.23 : Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo Các tín hiệu tham khảo này được phát ở ký tự OFDM thứ nhất và thứ năm của mỗi slot và ở sóng mang thứ sáu của mỗi subframe. Tín hiệu tham khảo cũng được sử dụng để ước lượng tổn hao đường truyền sử dụng công suất thu tín hiệu tham khảo (RSRP). Nhược điểm của OFDM là gì? Ta xét các hình sau Hình 2.24: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 46 Hình 2.25: PAPR cho các tín hiệu khác nhau Từ các hình trên ta thấy, dạng sóng OFDM thể hiện sự thăng giáng đường bao rất lớn dẫn đến PAPR cao. Tín hiệu với PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất có tính tuyến tính cao để tránh làm méo dạng tín hiệu. Để đạt được mức độ tuyến tính này, bộ khuếch đại phải làm việc ở chế độ công tác với độ lùi (so với điểm bão hòa cao). Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng công suất (tỷ số công suất phát với công suất tiêu thụ một chiều) thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với các thiết bị cầm tay. Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DTFS-OFDM với tên gọi là SC- FDMA và áp dụng cho LTE. 2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE. PAPR giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lý tín hiệu của SC- FDMA vẫn có một số điểm tương đồng với OFDMA, do đó, tham số hướng DL và UL có thể cân đối với nhau. Giống như trong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 47 thông tin. Tuy nhiên các ký hiệu này phát đi lần lượt chứ không phải song song như trong OFDMA. Vì thế, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát. Vì thế các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA. Tuy nhiên trong các hệ thống thông tin di động bị ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường, SC-FDMA được thu tại các BTS bị nhiễu giữa các ký tự khá lớn. BTS sử dụng bộ cân bằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này. Hình 2.26: OFDMA và SC-FDMA Hình trên cho thấy sự khác nhau trong quá trình truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian. Trên hình này ta coi mỗi người sử dụng được phân thành 4 sóng mang con (P = 4) với băng thông con bằng 15KHz, trong đó mỗi ký hiệu OFDMA hoặc SC-FDMA truyền 4 ký hiệu số liệu được điều chế QPSK cho mỗi người sử dụng. Đối với OFDMA 4 ký hiệu số liệu này được truyền dồng thời với băng tần con cho mỗi ký hiệu là 15KHz trong mỗi khoảng thời gian hiệu dụng TFFT của một ký hiệu OFDMA, trong khi đó đối với SC-FDMA, 4 ký hiệu số liệu này được truyền lần lượt trong khoảng thời gian bằng 1/P (P = 4) thời gian hiệu dụng ký hiệu SC-FDMA với băng tần con bằng P x 15KHz (4 x 15 KHz) cho mỗi ký hiệu. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 48 Trong OFDM, biến đổi Fourier nhanh FFT dùng ở bên thu cho mỗi khối ký tự, và đảo FFT ở bên phát. Còn ở SC-FDMA sử dụng cả hai thuật toán này ở cả bên phát và bên thu. Hình 2.27 : Thu phát SC-FDMA trong miền tần số 2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1] MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu. Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE. Giới hạn chính của kênh truyền thông tin là can nhiễu đa đường giới hạn về dung lượng theo quy luật Shannon. MIMO lợi dụng tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu để cải thiện dung lượng có sẵn cho bởi kênh truyền. Bằng cách sử dụng nhiều anten ở bên phát và thu với việc xử lý tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 49 tạo ra các dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đó làm tăng dung lượng kênh truyền. Hình 2.28 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO Hình trên là ví dụ về SU-MIMO 2x2 và MU-MIMO 2x2. SU-MIMO ở đây hai dòng dữ liệu trộn với nhau (mã hóa) để phù hợp với kênh truyền nhất. 2x2 SU- MIMO thường dùng trong tuyến xuống. Trong trường hợp này dung lượng cell tăng và tốc độ dữ liệu tăng. MU-MIMO 2x2 ở đây dòng dữ liệu MIMO đa người dùng đến từ các UE khác nhau. Dung lượng cell tăng nhưng tốc độ dữ liệu không tăng. Ưu điểm chính của MU-MIMO so với SU-MIMO là dung lượng cell tăng mà không tăng giá thành và pin của hai máy phát UE. MU-MIMO phức tạp hơn SU-MIMO. Trong hệ thống MIMO, bộ phát gửi các dòng dữ liệu qua các anten phát. Các dòng dữ liệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đường truyền giữa các anten phát và các anten thu. Sau đó bộ thu nhân các vector tín hiệu từ các anten thu, giải mã thành thông tin gốc. Đối với tuyến xuống, cấu hình hai anten ở trạm phát và hai anten thu ở thiết bị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản, cấu hình sử dụng bốn anten đang được xem xét. Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian với lợi thế hơn các kỹ thuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử dụng và kỹ thuật điều chế tín hiệu, SU cho phép tăng tốc độ dữ liệu (data rate) bằng số lần của số lượng anten phát. Ghép kênh không gian cho phép phát chuỗi bit dữ liệu khác nhau trên cùng một khối tài nguyên tuyến xuống. Những dòng dữ liệu này có thể là một người dùng Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 50 (SU-MIMO) hoặc những người dùng khác nhau (MU-MIMO). Trong khi SU- MIMO tăng tốc độ dữ liệu cho một người dùng, MU-MIMO cho phép tăng dung lượng. Dựa vào hình 2.29, ghép kênh không gian lợi dụng các hướng không gian của kênh truyền vô tuyến cho phép phát các dữ liệu khác nhau trên hai anten. Hình 2.29: Ghép kênh không gian Kỹ thuật phân tập đã được biết đến từ WCDMA release 99 và cũng sẽ là một phần của LTE. Thông thường, tín hiệu trước khi phát được mã hóa để tăng hiệu ứng phân tập. MIMO được sử dụng để khai thác việc phân tập và mục tiêu là làm tăng tốc độ. Việc chuyển đổi giữa MIMO truyền phân tập và ghép kênh không gian có thể tùy thuộc vào việc sử dụng kênh tần số. Đối với đường lên, từ thiết bị đầu cuối di động đến BS, người ta sử dụng mô hình MU-MIMO (Multi-User MIMO). Sử dụng mô hình này ở BS yêu cầu sử dụng nhiều anten, còn ở thiết bị di động chỉ dùng một anten để giảm chi phí cho thiết bị di động. Về hoạt động, nhiều thiết bị đầu cuối di động có thể phát liên tục trên cùng một kênh truyền, nhiều kênh truyền, nhưng không gây ra can nhiễu với nhau bởi vì các tín hiệu hoa tiêu (pilot) trực giao lẫn nhau. Kỹ thuật được đề cập đến, đó là kỹ thuật đa truy nhập miền không gian (SDMA) hay còn gọi là MIMO ảo. 2.6.4 Mã hóa Turbo [18] Để sửa những bit bị lỗi do sự thay đổi kênh và nhiễu, mã hóa kênh được sử dụng. Với kênh chia sẻ hướng xuống của LTE (DL-SCH), sử dụng một bộ mã hóa Turbo với tốc độ 1/3, theo sau là một bộ so khớp tốc độ để thích ứng với tốc độ mã. Trong mỗi khung con chiều dài 1ms, một hoặc hai từ mã có thể được mã hóa và truyền đi. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 51 2.6.5 Thích ứng đường truyền [18] Thích ứng đường truyền giải quyết vấn đề liên quan đến cách thiết lập các thông số truyền dẫn của đường truyền vô tuyến để xử lý các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến. Nó sử dụng điều chế thích nghi (Adaptive Modulation). Phương pháp này cho phép hệ thống điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống LTE có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế. Hình 2.30 Điều chế thích nghi Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 52 Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn. 2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [18] Lập biểu phụ thuộc kênh giải quyết vấn đề cách thức chia sẻ các tài nguyên vô tuyến giữa những người sử dụng (các đầu cuối di động) khác nhau trong hệ thống để đạt được hiệu suất sử dụng tài nguyên tốt nhất. Lập biểu phụ thuộc kênh cho phép giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng, vì thế cho phép nhiều người sử dụng hơn trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu chất lượng dịch vụ. Nguyên lý lập biểu cũng như việc chia sẻ các tài nguyên giữa những người sử dụng, ít nhất về mặt lý thuyết, phụ thuộc vào các đặc tính của giao diện vô tuyến, vào việc đường truyền là đường truyền lên hay truyền xuống và vào việc truyền dẫn của những người sử dụng với nhau có trực giao hay không. Thích ứng đường truyền và lập biểu phụ thuộc kênh liên quan mật thiết với nhau và thường thì chúng được coi như là một chức năng liên kết. 2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [18] Do tính chất ngẫu nhiên của các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến, không bao giờ có thể đạt được thích ứng chất lượng kênh vô tuyến tức thời một cách hoàn hảo. HARQ vì thế rất hữu ích. HARQ với kết nối mềm được sử dụng trong LTE, cho phép đầu cuối di động yêu cầu truyền lại nhanh chóng những khối vận chuyển bị lỗi, và cung cấp một công cụ cho thích ứng tốc đồ ngầm định. Giao thức bên dưới là nhiều xử lý hybrid ARQ dừng và chờ (stop-and-wait) song song nhau. Trong ARQ, đầu thu sử dụng một mã phát hiện lỗi để kiểm tra gói dữ liệu có bị lỗi hay không. Đầu phát được thông báo bằng NAK hoặc ACK. Nếu gói dữ liệu bị lỗi và có thông báo NAK, gói đó sẽ được truyền lại. Một sự kết hợp của FEC (Forward Error Correction) và ARQ được biết như là HARQ. HARQ trong thực tế phần lớn được xây dựng xung quanh mã CRC để phát hiện lỗi và mã Turbo để sửa lỗi, như trong trường hợp của LTE. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 53 Trong HARQ với kết nối mềm, những gói nhận được bị sai, được lưu trong một bộ đệm và sau đó được kết hợp với truyền lại để đạt được một gói đáng tin cậy. Trong LTE, Incremental Redundancy (IR) được áp dụng, nghĩa là những gói được truyền lại không giống những gói đã truyền đầu tiên, mà nó mang thông tin bổ sung. 2.7 Chuyển giao Chuyển giao là phương tiện cần thiết để thuê bao có thể di chuyển trong mạng. Khi thuê bao chuyển động từ vùng phủ sóng của một cell này sang một cell khác thì kết nối với cell mới phải được thiết lập và kết nối với cell cũ phải được hủy bỏ. 2.7.1 Mục đích chuyển giao Lý do cơ bản của việc chuyển giao là kết nối vô tuyến không thỏa mãn một bộ tiêu chuẩn nhất định và do đó hoặc UE hoặc E-UTRAN sẽ thực hiện các công việc để cải thiện kết nối đó. Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gói, chuyển giao được thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gói không thành công. Các điều kiện chuyển giao thường gặp là: điều kiện chất lượng tín hiệu, tính chất di chuyển của thuê bao, sự phân bố lưu lượng, băng tần Điều kiện chất lượng tín hiệu là điều kiện khi chất lượng hay cường độ tín hiệu vô tuyến bị suy giảm dưới một ngưỡng nhất định. Chuyển giao phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được thực hiện cho cả hướng lên lẫn hướng xuống của đường truyễn dẫn vô tuyến. Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng xảy ra khi lưu lượng của cell đạt tới một giới hạn tối đa cho phép hoặc vượt quá ngưỡng giới hạn đó. Khi đó các thuê bao ở ngoài rìa của cell (có mật độ tải cao) sẽ được chuyển giao sang cell bên cạnh (có mật độ tải thấp). Số lượng chuyển giao phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thuê bao. Khi UE di chuyển theo một hướng nhất định không thay đổi, tốc độ di chuyển của UE càng cao thì càng có nhiều chuyển giao thực hiện trong E-UTRAN. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 54 2.7.2 Trình tự chuyển giao Trình tự chuyển giao gồm có ba pha : pha đo lường, pha quyết định và pha thực hiện. Đo lường là nhiệm vụ quan trọng trong quá trình chuyển giao vì hai lý do cơ bản sau: Mức tín hiệu trên đường truyền dẫn vô tuyến thay đổi rất lớn tùy thuộc vào fading và tổn hao đường truyền. Những thay đổi này phụ thuộc vào môi trường trong cell và tốc độ di chuyển của thuê bao. Số lượng các báo cáo đo lường quá nhiều sẽ làm ảnh hưởng đến tải hệ thống. Để thực hiện chuyển giao, trong suốt quá trình kết nối, UE liên tục đo cường độ tín hiệu của các cell lân cận và thông báo kết quả tới mạng, tới eNodeB. Pha quyết định chuyển giao bao gồm đánh giá tổng thể về QoS của kết nối so sánh nó với các thuộc tính QoS yêu cầu và ước lượng từ các cell lân cận. Tùy theo kết quả so sánh mà ta có thể quyết định thực hiện hay không thực hiện chuyển giao. eNodeB kiểm tra các giá trị của các báo cáo đo đạc để kích hoạt một bộ các điều kiện chuyển giao. Nếu các điều kiện này bị kích hoạt, eNodeB phục vụ sẽ cho phép thực hiện chuyển giao. Căn cứ vào quyết định chuyển giao, có thể phân chia chuyển giao ra thành hai loại như sau: Chuyển giao quyết định bởi mạng (NEHO). Chuyển giao quyết định bởi thuê bao di động (MEHO). Trong trường hợp chuyển giao thực hiện bởi mạng (NEHO), eNodeB thực hiện quyết định chuyển giao. Trong trường hợp MEHO, UE thực hiện quyết định chuyển giao. Trong trường hợp kết hợp cả hai loại chuyển giao NEHO và MEHO, quyết định chuyển giao được thực hiện bởi sự phối hợp giữa eNodeB với UE. Ngay cả trong trường hợp chuyển giao MEHO, quyết định cuối cùng về việc thực hiện chuyển giao là do eNodeB. ENodeB có trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) của toàn bộ hệ thống. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 55 Hình 2.31: Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao Quyết định chuyển giao dựa trên các thông tin đo đạc của UE và eNodeB cũng như các điều kiện để thực hiện thuật toán chuyển giao. Nguyên tắc chung thực hiện thuật toán chuyển giao được thể hiện trên hình trên. Các thuật ngữ và các tham số sau được sử dụng trong thuật toán chuyển giao: Ngưỡng giới hạn trên: là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực đại cho phép thỏa mãn một chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu. Ngưỡng giới hạn dưới: là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực tiểu cho phép thỏa mãn một chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu. Do đó mức tín hiệu của nối kết không được nằm dưới ngưỡng đó. Giới hạn chuyển giao: là tham số được định nghĩa trước được thiết lập tại điểm mà cường độ tín hiệu của cell bên cạnh (cell B) vượt quá cường độ tín hiệu của cell hiện tại (cell A) một lượng nhất định. Tập tích cực: là một danh sách các nhánh tín hiệu (các cell) mà UE thực hiện kết nối đồng thời tới mạng truy nhập vô tuyến (E-UTRAN). Giả sử thuê bao UE trong cell A đang chuyển động về phía cell B, tín hiệu hoa tiêu của cell A bị suy giảm đến mức ngưỡng giới hạn dưới. Khi đạt tới mức này, xuất hiện các bước chuyển giao theo các bước sau đây: Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 56 (1) Cường độ tín hiệu A bằng với mức ngưỡng giới hạn dưới. Còn tín hiệu B sẽ được RNC nhập vào tập tích cực. Khi đó UE sẽ thu tín hiệu tổng hợp của hai kết nối đồng thời đến UTRAN. (2) Tại vị trí này, chất lượng tín hiệu B tốt hơn tín hiệu A nên nó được coi là điểm khởi đầu khi tính toán giới hạn chuyển giao. (3) Cường độ tín hiệu B bằng hoặc tốt hơn ngưỡng giới hạn dưới. Tín hiệu A bị xóa khỏi tập tích cực bởi RNC. Kích cỡ của tập tích cực có thể thay đổi được và thông thường ở trong khoảng từ 1 đến 3 tín hiệu. Trình tự chuyển giao giữa hai cell trong LTE thực hiện như sau: UE truyền báo cáo đo lường đến eNodeB. Trong báo cáo này là đo lường cho một cell đích với mức RSRP cao hơn cell đang phục vụ. eNodeB nguồn quyết định chuyển giao là cần thiết, khi đó xác định cell đích phù hợp và yêu cầu truy cập đến eNodeB đích đang điều khiển cell đích. eNodeB đích chấp nhận yêu cầu chuyển giao và cung cấp cho eNodeB nguồn các thông số đòi hỏi cho UE để truy cập đến cell đích để chuyển giao có thể thực thi, các thông số đó bao gồm cell ID, tần số sóng mang và tài nguyên chỉ định cho đường xuống và đường lên. eNodeB nguồn gởi một bản tin “mobility from E-UTRA” đến UE UE nhận được bản tin, ngắt kết nối vô tuyến với eNodeB nguồn và thiết lập kết nối mới với eNodeB đích. Trong suốt thời gian này đường truyền dữ liệu bị ngắt. 2.7.3 Các loại chuyển giao Tùy theo hình thức sử dụng trong các cơ chế chuyển giao, có thể phân chia chuyển giao thành các nhóm như: chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 57 2.7.3.1 Chuyển giao mềm và mềm hơn Chuyển giao mềm và mềm hơn dựa nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt“ (“Make before break”). Chuyển giao mềm hay chuyển giao giữa các cell là chuyển giao được thực hiện giữa các cell khác nhau, trong đó trạm di động bắt đầu thông tin với một trạm gốc mới mà vẫn chưa cắt thông tin với trạm gốc cũ. Chuyển giao mềm chỉ có thể được thực hiện khi cả trạm gốc cũ lẫn trạm gốc mới đều làm việc ở cùng một tần số. MS thông tin với 2 sector của 2 cell khác nhau (chuyển giao 2 đường) hoặc với 3 sector của 3 cell khác nhau (chuyển giao 3 đường). Chuyển giao mềm hơn là chuyển giao được thực hiện khi UE chuyển giao giữa 2 sector của cùng một cell hoặc chuyển giao giữa 2 cell do cùng một BS quản lý. Đây là loại chuyển giao trong đó tín hiệu mới được thêm vào hoặc xóa khỏi tập tích cực, hoặc thay thế bởi tín hiệu mạnh hơn ở trong các sector khác nhau của cùng BS. Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn, BS phát trong một sector nhưng thu từ nhiều sector khác nhau. Khi cả chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn được thực hiện đồng thời, trường hợp này gọi là chuyển giao mềm - mềm hơn. Chuyển giao mềm - mềm hơn: MS thông tin với hai sector của cùng một cell và một sector của cell khác. Các tài nguyên mạng cần cho kiểu chuyển giao này gồm tài nguyên cho chuyển giao mềm hai đường giữa cell A và B cộng với tài nguyên cho chuyển giao mềm hơn tại cell B. Hình 2.32 : Chuyển giao mềm Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 58 Hình 2.33 : Chuyển giao mềm - mềm hơn 2.7.3.2 Chuyển giao cứng Chuyển giao cứng được thực hiện khi cần chuyển kênh lưu lượng sang một kênh tần số mới. Các hệ thống thông tin di động tổ ong FDMA và TDMA đều chỉ sử dụng phương thức chuyển giao này. Hình 2.34 : Chuyển giao cứng Chuyển giao cứng dựa trên nguyên tắc “cắt trước khi nối” (Break Before Make) có thể được chia thành: chuyển giao cứng cùng tần số và chuyển giao cứng khác tần số. Trong quá trình chuyển giao cứng, kết nối cũ được giải phóng trước khi thực hiện kết nối mới. Do vậy, tín hiệu bị ngắt trong khoảng thời gian chuyển giao. Tuy nhiên, thuê bao không có khả năng nhận biết được khoảng ngừng đó. Trong trường hợp chuyển giao cứng khác tần số, tần số sóng mang của kênh truy cập vô tuyến mới khác so với tần số sóng mang hiện tại. Ưu điểm của chuyển giao cứng là tiếp tục một cuộc gọi khi vượt qua mạng hiện hành, cung cấp các dịch vụ mở rộng, giảm rớt các cuộc gọi, bao phủ và tích hợp mạng LTE so với nhiều mạng có sẵn. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 59 Nhược điểm của chuyển giao cứng là có thể xảy ra rớt cuộc gọi do chất lượng của kênh mới chuyển đến trở nên quá xấu trong khi kênh cũ đã bị cắt. 2.7.4 Chuyển giao đối với LTE [3] Hệ thống WCDMA sử dụng chuyển giao mềm cho cả đường lên và đường xuống. Hệ thống HSPA sử dụng chuyển giao mềm cho đường lên nhưng không sử dụng cho đường xuống. Ở hệ thống LTE, không sử dụng chuyển giao mềm, chỉ có chuyển giao cứng, do đó hệ thống trở nên đơn giản hơn. Trong hệ thống trước, mạng lõi quản lý RNC, RNC quản lý các trạm BS và BS lại quản lý các UE. Vì thế khi UE chuyển qua vùng RNC khác phục vụ, thì mạng lõi chỉ biết đến RNC đang phục vụ UE. Mọi chuyển giao được điều khiển bởi RNC Nhưng đối với E-UTRAN, mạng lõi có thể thấy mọi chuyển giao. Hình 2.35: Các loại chuyển giao Chuyển giao cùng tần số (intra-frequency) được thực hiện giữa các cell trong cùng một eNodeB. Chuyển giao khác tần số (intra-frequency) được thực hiện giữa các cell thuộc các eNodeB khác nhau. UE sẽ thực hiện trên dự đoán đo lường RSRP (Reference Signal Receive Power) và RSRQ (Reference Signal Receive Quality) dựa trên tín hiệu tham khảo RS (Reference Signal) nhận được từ cell đang phục vụ và từ cell ảnh hưởng mạnh nhất. Giải thuật chuyển giao dựa trên giá trị RSRP và RSRQ, chuyển giao được thiết lập khi các thông số này từ cell ảnh hưởng cao hơn cell đang phục vụ. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 60 Ở WCDMA, chúng ta dùng CPICH RSCP để quyết định chuyển giao thì ở LTE ta sẽ dùng RSRP. RSRP là công suất thu tín hiệu tham khảo, nó là trung bình công suất của tất cả các thành phần tài nguyên (mang tín hiệu tham khảo) qua toàn bộ băng thông. Nó có thể được đo lường ở tín hiệu OFDM mang tín hiệu tham khảo. Đo lường RSRP cung cấp cường độ tín hiệu cụ thể của cell. Đo lường này được sử dụng làm ngõ vào cho chuyển giao và quyết định chọn lại cell. RSSI được định nghĩa như tổng công suất băng rộng nhận được quan sát bởi UE từ tất cả các nguồn, bao gồm cell phục vụ và cell không phục vụ, can nhiễu kênh và nhiễu nhiệt trong băng thông đo lường cụ thể. RSSI không được báo cáo khi đo lường mà nó được xem là ngõ vào để tính toán RSRQ. Việc đo lường RSRQ cung cấp chất lượng tín hiệu của cell cụ thể. Giống như RSRP, việc đo lường này được dùng để xác định các ứng cử viên cell theo chất lượng tín hiệu của chúng. Đo lường này được sử dụng như ngõ vào của chuyển giao và quyết định chọn lại cell, đo lường RSRP không cung cấp đủ độ tin cậy cho quyết định chuyển giao. RSRQ được định nghĩa là tỷ số N.RSRP/RSSI trong đó N là số RB của băng thông đo lường RSSI của LTE. Việc đo lường này cả tử số và mẫu số phải được thực hiện với cùng số RB. Trong khi RSRP chỉ ra độ mạnh tín hiệu, RSRQ bổ sung mức can nhiễu bởi vì nó bao gồm RSSI. Vì vậy RSRQ cho phép kết hợp giữa cường độ tín hiệu với can nhiễu để báo cáo một cách hiệu quả. Khi thực hiện đo lường để chuyển giao thì độ chênh lệch mức RSRP và RSRQ phải ở một mức chênh lệch mới quyết định chuyển giao. Đối với 2 cell cùng tần số, độ chênh lệch RSRP từ +/- 2 dB đến +/- 3 dB, độ chênh lệch RSRQ từ +/- 2,5 đến 4 dB. Đối với 2 cell khác tần số thì độ chênh lệch RSRP là +/- 6 dB, độ chênh lệch RSRQ từ +/- 3 đến 4 dB. 2.8 Điều khiển công suất [3] Ở WCDMA, ta sử dụng điều khiển công suất cả đường lên và đường xuống. Nhưng đối với LTE, chỉ cần sử dụng điều khiển công suất đường lên. Điều khiển công suất đường lên trong hệ thống thông tin di động với các mục đích quan trọng sau: nó cân bằng công suất phát đối với QoS yêu cầu, tối thiểu can nhiễu và tăng tuổi thọ pin của thiết bị đầu cuối. Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Đồ án tốt nghiệp Trang 61 Để đạt được các mục đích này, điều khiển công suất đường lên phải thích nghi với các đặc tính của kênh truyền vô tuyến, bao gồm tổn hao, che bóng, fading nhanh, cũng như can nhiễu đến từ các user khác - ở trong vòng một cell hay ở các cell lân cận. Đòi hỏi cho việc quản lý can nhiễu ở đường lên ở LTE khá là khác so với WCDMA. Ở WCDMA, đường lên không trực giao và việc quản lý can nhiễu đầu tiên là can nhiễu giữa các user khác nhau trong cùng một cell. Các user đường lên ở WCDMA chia sẻ cùng tài nguyên về thời gian - tần số và chúng tạo ra can nhiễu tăng trên nhiễu nhiệt tại bộ thu của NodeB. Điều này được biết như “Rise over Thermal” (RoT), và nó phải được điều khiển cẩn thận và được chia sẻ giữa các user. Tăng tốc độ dữ liệu ở đường lên cho user ở WCDMA thì giảm được hệ số trải phổ và tăng công suất phát tương ứng. Nhưng ngược lại, ở hướng lên LTE thì dựa trên trực giao, việc quản lý can nhiễu giữa các user trong cùng một cell thì ít quan trọng hơn ở WCDMA. Thay đổi tốc độ dữ liệu đường lên ở LTE thì băng thông phát thay đổi và thay đổi MCS, trong khi công suất phát trên đơn vị băng thông (chẳng hạn như PSD) có thể không đổi đối với một MCS. Hơn nữa, ở WCDMA điều khiển công suất được thiết kế với truyền dẫn liên tục cho các dịch vụ chuyển mạch kênh, trong khi ở LTE, lập biểu nhanh cho các UE được áp dụng tại khoảng thời gian 1ms. Điều này được phản ánh trong thực tế là điều khiển công suất ở WCDMA được dự đoán với vòng lặp trì hoãn là 0,67 ms và bước điều khiển công suất thông thường là +/- 1 dB . Trong khi đó LTE cho phép bước điều khiển công suất rộng hơn (không phải dự đoán), với vòng lặp trì hoãn khoảng 5 ms. Kỹ thuật điều khiển công suất ở LTE kết nối cả vòng hở và vòng kín. Hồi tiếp vòng kín chỉ cần thiết để bù cho trường hợp UE ước lượng công suất phát không thỏa mãn. 2.8.1 Điều khiển công suất vòng hở [8] Điều khiển công suất vòng hở ước lượng tổn hao đạt được sau khi đo lường RSRP và tính toán công suất phát dựa trên phương trình sau: Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan