Báo cáo -mạng di động 4G LTE

H th ng vi n thôngệ ố ễ

MỞ ĐẦU

Công nghệ viễn thông đã c ó n h ữ n g p h á t t r i ể n v ư ợ t b ậ c 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 thế hệ mạng di động đầu tiên 1G ,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.

Sau đó 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 kỹthuật WCDMA,

mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA và mạng TD-SCDMA được phát triển

bởi Trung Quốc.

Trong giai đoạn hiện tại, khái niệm về mạng di đông thứ tư 4G đã tồn tại và hình

thành các chuẩn kĩ thuật với mục đích người sử dụng có thể truy cập tất cả các dịch

vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lƣợng cao HDTV, điện

thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc

độ “siêu tốc”. Mạng 4G được triển dựa trên cơ sở hạ tầng của mạng di động 3G , giai

đoạn đầu của quá trình được gọi thế hệ “mạng di động tiền 4G LTE” . Đây là một

công nghệ mới đang được triển khai thí điểm ở một số quốc gia trên thế giới, tại Việt

Nam cũng đang được thử nghiệm bởi Viettel…

M ng di đ ng 4G LTEạ ộ


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

Hệ thống thông tin di động 3G là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 , là thế hệ phát triển sau hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) và hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G).

Chuẩn IMT-2000 (International Mobil Telecommunication -2000) cho hệ thống 3G được đưa ra bởi ITU năm 1992 với các ưu điểm :

Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao. Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ...). Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,...). Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ...). Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa

các hệ thống. IMT-2000 có khả năng cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps.

1.1 UMTS (W-CDMA)UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-CDMA, là

giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS. UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz , cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có. Đặc điểm của WCDMA :

WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh.

Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng, không giống như mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa. Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và cho phép mạng lưới có thể được phân chia linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ



được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP.

Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS tần số cấp phát trong 2 băng đường lên (1885 MHz– 2025 MHz) và đường xuống (2110 MHz – 2200 MHz).

Sự phát triển của WCDMA lên 3.5G là HsxPA

1 . 2 CDMA 2000Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với

các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS. CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps.

1.3 TD-SCDMAChuẩn được ít biết đến hơn là TD-SCDMA đang được phát triển tại Trung Quốc

bởi các công ty Datang và Siemens. Hiện tại có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G nên sẽ có nhiều chuẩn công nghệ 3G đi theo, tuy nhiên trên thực tế chỉ có 2 tiêu chuẩn quan trọng nhất đã có sản phẩm thƣơng mại và có khả năng đƣợc triển khai rộng rãi trên toàn thế giới là WCDMA (FDD) và CDMA 2000. WCDMA được phát triển trên cơ sở tương thích với giao thức của mạng lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm tới 65% thị trường thế giới. Còn CDMA 2000 nhằm tuơng thích với mạng lõi IS-41, hiện chiếm 15% thị trường.



CHƯƠNG II : CẤU TRÚC MẠNG LTE

2.1 Công nghệ LTEHệ thống LTE phát triển trên nền tảng GSM/UTMS , là một trong những công

nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G (hệ thống tiền 4G). 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 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. Khi 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.

Đặc tính cơ bản của hệ thống 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 : 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz; 20MHz. 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 UTMS

Thông số vật lí :

Kỹ thuật truy cập UL DTFS-OFDM (SC-FDMA)

DL OFDMA

Băng thông 1.4MHz, 3MHz , 5MHz, 10MHz, 1 MHz, 20MHz

TTI tối thiểu 1ms

Chiều dài CP Ngắn 4.7µs

Dài 16.7 µs

Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM

Ghép kênh không gian 1 lớp cho UL/UE

Lên đến 4 lớp cho DL/UE

Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL



2.2 Cấu trúc của LTE.

Sự khác nhau giữa SAE và LTE

Trước tiên ta xem 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.

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.



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

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.

Cấu trúc LTE liên kết với mạng khác:

Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập 3GPP



Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và không phải 3GPP



Cấu trúc hệ thống cho mạng truy cập3GPP và liên mạng với CDMA 2000

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRANKênh 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.

Kênh logic : được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:

-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:

-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

-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)

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

Giao thức của UTRAN



Giao thức của E-UTRAN

Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP



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

Chức năng của PDCP bao gồm:-Mã hóa (ciphering)-Chèn tiêu đề



CHƯƠNG III : TRUY CẬP VÔ TUYẾN VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG

TRONG LTE

3.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến

Giao diện không gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần số ( FDD) và song công phân chia theo thời gian ( TDD), mỗi chế độ có một cấu trúc khung riêng. Chế độ bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đƣờng lên và đƣờng xuống vì đƣờng lên và đƣờng xuống không bao giờ sử dụng đồng thời. Kỹ thuật này đƣợc sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phép tiết kiệm chi phí trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu.

Giao diện không gian LTE cũng hỗ trợ phát đa phƣơng tiện và các dịch vụ phát quảng bá đa điểm (MBMS). Một công nghệ tƣơng đối mới cho nội dung phát sóng nhƣ truyền hình kỹ thuật số tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm- đa điểm. Các thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiên đƣợc xuất hiện trong UMTS phiên bản 6. LTE xác định là một cấp cao hơn dịch vụ MBMS phát triển (eMBMS), mà nó sẽ hoạt động qua một mạng đơn tần số phát quảng bá / đa điểm(MBSFN), bằng cách sử dụng một dạng sóng đồng bộ thời gian chung mà có thể truyền tới đa ô trong một khoảng thời gian nhất định. MBSFN cho phép kết hợp qua vô tuyến của truyền đa ô tới UE, sử dụng tiền tố vòng (CP) để bảo vệ các sự sai khác do trễ khi truyền tải, để các UE truyền tải nhƣ là từ một tế bào lớn duy nhất. Công nghệ này giúp cho LTE có hiệu suất cao cho truyền tải MBMS. Các dịch vụ eMBMS sẽ đƣợc xác định đầy đủ trong thông số kỹ thuật của 3GPP phiên bản 9.

3.2 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.

3.2.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM



Truyền đơn sóng mang

Nguyên lý của FDMA

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

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.



So sánh phổ tần của OFDM với FDMA

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.



-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.-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.

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.



Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữa

miền thời gian và miền tần số.

Biến đổi FFT

Chiều dài biến đổi FFT là 2n 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.



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

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:

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.

a ) Không có GI



b) Có GI

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,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.



Sóng mang con OFDMA

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.



Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE

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:

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 :

Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM

PAPR cho các tín hiệu khác nhau

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.

3.2.2 Kỹ thuật SC-FDMACác 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

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.



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.

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.



Thu phát SC-FDMA trong miền tần số

3.2.3 Kỹ thuật MIMO

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



tạo ra các dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đó làm tăng dung lượng kênh

truyền.

Mô hình SU-MIMO và MU-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



(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.

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.



KẾT LUẬN

Công nghệ LTE là một công nghệ mới, đã và đang được tiếp tục nghiên cứu và triển khai trên toàn thế giới, với khả năng truyền tải tốc độ cao kiến trúc mạng đơn giản , sử dụng băng tần hiệu quả và hoàn toàn tương thích với các hệ thống GSM & WCDMA và dựa trên một mạng toàn IP . LTE có thể trở thành hệ thống thông tin di động toàn cầu trong tương lai. Vì vậy việc tìm hiểu về công nghệ LTE là cần thiết và có ý nghĩa thực tế.

Đề tài đề cập một cách tổng quan về công nghệ LTE, trọng tâm gồm các phần :

o Tổng quan về hệ thống di động 3G

o Cấu trúc mạng LTE

o Truy cập vô tuyến trong LTE

o Kỹ thuật sử dụng trong LTE



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. ww w .Vntele c om. o rg

2. Lộ trình phát triển 3G lên 4G –TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng

3. Lộ trình triển khai LTE –Tập đoàn viễn thông Viettel

4. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang –Phan Minh Đức


http://www.Vntelecom.org/


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………..1

I.TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G…………………………2

1.1 UMTS (W-CDMA)…………………………………………………………...2

1.2 CDMA 2000…………………………………………………………………..3

1.3 TD-SCDMA…………………………………………………………………..3

II.CẤU TRÚC MẠNG LTE………………………………………………………....4

2.1 Công nghệ LTE……………………………………………………………….4

2.2 Cấu trúc LTE…………………………………………………………………6

2.3 Các kênh sử dụng trong E-UNTRAN……………………………………….12

2.4 Giao thức của LTE (LTE protocols)………………………………………...14

III.TRUY CẬP VÔ TUYẾN VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG LTE .....17

3.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến………………………………………………17

3.2 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE…………………………………………….17

3.2.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM……………… 17

3.2.2 Kỹ thuật SC-FDMA……………………………………………………….29

3.2.2 Kỹ thuật MIMO……………………………………………………………31

KẾT LUẬN……………………………………………………………………………34

TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………..35


Báo cáo -mạng di động 4G LTE

Documents

Transcript of Báo cáo -mạng di động 4G LTE