Kỹ thuật ofdma ứng dụng trong mạng viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Dương Thị Lợi

KỸ THUẬT OFDMA ỨNG DỤNG TRONG MẠNG
VIỄN THƠNG

Chun ngành: Kỹ thuật truyền thơng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật truyền thơng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Phạm Dỗn Tĩnh

Hà Nội – Năm 2014


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. 10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................. 11
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 14
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE ................................................. 16
I. Giới thiệu công nghệ LTE ......................................................................................... 16
1.1 K ến tr
1.2 Đặ đ ểm

m n LTE................................................................................................ 16
m n LTE......................................................................................... 18

1.3 Tình hình triển khai 4G LTE t i Việt Nam ............................................................. 19
II. Kiến trúc hệ thống LTE theo tiêu chuẩn 3GPP ........................................................ 20
2.1 Kiến trúc hệ thống LTE cải tiến trong 3GPP .......................................................... 20
2.2 Cấu hình kiến trúc hệ thốn

ơ bản m ng truy nhập E-UTRAN ........................... 22

2.2.1 Tổng quan kiến trúc hệ thốn

ơ bản ................................................................... 22

2.2.2 Các thành phần logic trong kiến tr

ơ bản c a hệ thống .................................. 23

2.2.2.1 Thiết bị người dùng cuối (UE) ......................................................................... 23
2.2.2.2 E-UTRAN Node B (eNodeB) ............................................................................. 24
2.2.2.3 Thực thể quản lý di động- MME ....................................................................... 26
2.2.2.4 Serving Gateway (S-GW) .................................................................................. 28
2.2.2.5 Packet Data Network Gateway (P-GW) ............................................................ 30
2.2.2.6 Policy and Charging Resource Function(PCRF) ............................................ 32
2.2.2.7 Home Subscription Server (HSS) ...................................................................... 34
III. Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE ........................................................................... 34
3.1 G ớ th ệu hƣơn ................................................................................................... 34
3.2 RLC: radio link control – đ ều khiển liên kết vô tuyến .......................................... 37
3.3 MAC: đ ều khiển truy nhập mô trƣờng (Medium Access Control) ....................... 39
3.3.1 Kênh logic và kênh truyền tải (Logical Channels and Transport Channels) ..... 39

3.3.2 Ho h định đƣờng xuống. .................................................................................. 42

1


3.3.3 Ho h định đƣờng lên. ....................................................................................... 44
3.3.4 Hybrid ARQ ....................................................................................................... 47
3.4 PHY: physical layer - lớp vật lý .............................................................................. 51
3.5 Các tr ng thái LTE .................................................................................................. 54
3.6 Luồng dữ liệu .......................................................................................................... 56
IV. Tổng kết hƣơn ..................................................................................................... 57
CHƢƠNG I I : C NG NGHỆ ĐA TRUY NH P ĐƢỜNG XU NG OFDMA ......... 58
2.1. Tổng quan OFDM ................................................................................................... 58
2.1.1. Nguyên lý OFDM ................................................................................................. 59
2.1.2. Tính trực giao trong OFDM ................................................................................ 62
2.1.3. Các thông số ơ bản c a OFDM ....................................................................... 63
2.2. K thuật đ truy nhập ph n h th o tần số trự

o OFDMA ........................... 66

2.3. Sơ đồ truyền dẫn đƣờn xuốn OFDMA ............................................................... 67
2.3.1. Tài nguyên vật lý đƣờng xuống .......................................................................... 67
2.3.2. Các tín hiệu tham khảo đƣờng xuống ............................................................... 72
2.3.3. Các tín hiệu và kênh vật lý đƣờng xuống. .......................................................... 74
2.3.4. Kiến trúc máy phát tín hiệu vật lý. ...................................................................... 74
2.3.5. Ghép số liệu đƣờng xuống. ................................................................................. 75
2.3.6 . Xáo trộn. ............................................................................................................. 78
2.3.7. Sơ đồ đ ều chế .................................................................................................... 79
2.3.8. Thông tin lập lị h đƣờng xuống ......................................................................... 79
2.3.9. Mã hóa kênh. ....................................................................................................... 79

2.3.10. T o tín hiệu OFDM. .......................................................................................... 79
CHƢƠNG III: NGHI N C U NG DỤNG GIẢM PAPR VÀ N NG CAO DUNG
LƢ NG HỆ TH NG OFDM TRONG LTE ............................................................... 81
3.1 Giới thiệu................................................................................................................. 81
3.2 Khái niệm PAPR ..................................................................................................... 81
3.3 Hàm phân bố tích lũy bù CCDF .............................................................................. 82
3.4 Giới thiệu tổng quan các phƣơng pháp giảm PAPR ............................................... 83
3.5 K thuật làm biến d n tín h ệu ............................................................................ 84
2


3.5.1 Cắt biên độ (Amplitude Clipping) ....................................................................... 84
3.5.2 Cửa sổ đỉnh (Peak Windowing) ........................................................................... 84
3.5.3 Chia tỷ lệ đƣờng bao (Envelope Scaling) ............................................................ 85
3.5.4 Cập nhật pha ngẫu nhiên (Random phase update)............................................... 86
3.5.5 Ph p b ến đổ n n

ả Comp nd n Tr ns orm ................................................ 88

3.6 K thuật xáo trộn tín h ệu........................................................................................ 91
3.6.1 Khơng có thơng tin biên ....................................................................................... 91
3.6.1.1 Công thức biến đổi Hadamard ......................................................................... 91
3.6.1.2 Chèn dãy mã giả (Dummy sequence insertion) ................................................. 93
3.6.2 Sử dụn thông tin biên ......................................................................................... 94
3.6.2.1 Lược đồ chọn mức (Selective Level Mapping) ................................................. 94
3622
3623

tru n ri ng p n (PTS: Partial Transmit Sequence) ................................ 95
t u tg p

niqu ....................................................... 97

n Int rl ving t

3 6 2 4 m i u d nh riêng (Tone Reservation) ............................................................ 98
3.6.2.5

t u t Đơn ánh Tone (Tone Injection Technique) ....................................... 99

3.6.2.6 Mở rộng khơng gian tín i u (Active constellation extention) ....................... 100
3.6.2.7 Lược đồ mã hóa k ối (Block Coding Schemes) ............................................. 102
3.6.2.8 Lược đồ mã hóa k ối con (Sub block coding scheme).................................... 103
3.6.2.9 Lược đồ mã hóa k ối ết hợp sửa lỗi (Block coding scheme with error
porrection) .................................................................................................................. 105
3.7 Các tiêu chí lựa chọn phƣơng pháp giảm PAPR ................................................. 106
3.7.1 Khả năn giảm PAPR ........................................................................................ 106
3.7.2 Tăng công suất ở tín h ệu truyền........................................................................ 106
3.7.3 Tăng BER ở bộ nhận .......................................................................................... 107
3.7.4 Giảm tố độ dữ l ệu ........................................................................................... 107
3.7.5 Mức độ tính tốn phức t p ................................................................................. 107
3.7.6 So sánh một vài phƣơng pháp giảm PAPR ........................................................ 108
3.8 Kết luận ................................................................................................................. 108
CHƢƠNG IV. M PH NG C C PHƢƠNG PH P GIẢM PAPR .......................... 110
3


4.1 Mô tả hệ thống mô phỏn ..................................................................................... 110
4.1.1 Tham số hệ thống mô phỏng .............................................................................. 110
4.1.2 Sơ đồ khố hệ thốn mô phỏn .......................................................................... 110

4.2 Phƣơng pháp clipping để giảm PAPR .................................................................. 111
4.2.1 So sánh khả năng giảm PAPR ........................................................................... 112
4.2.2 So sánh tỷ số BER .............................................................................................. 113
4.2.2.1 Kênh AWGN .................................................................................................... 113
4.2.2.2 Kênh Fading Rayleigh ..................................................................................... 114
4.2.2.3 So sánh BER ủ kênh AWGN và kênh Fading Rayleigh ............................... 115
4.3 Sử dụng phƣơng pháp lƣợc đồ chọn mức SLM ................................................... 116
4.3.1 Thuật toán sử dụn lƣợc đồ họn mức SLM .................................................... 116
4.3.2 Khả năn giảm PAPR ........................................................................................ 117
4.4 Tổn kết đánh giá các phƣơng pháp giảm PAPR đã mô phỏng ........................... 118
KẾT LU N ................................................................................................................. 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 120

4


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đo n Luận văn Th

s k thuật này là do tô n h ên ứu và đƣợ

thự h ện dƣớ sự hƣớn dẫn kho họ

TS. Ph m Dỗn Tĩnh. Cá kết quả do tơ

tự n h ên ứu và th m khảo từ á n uồn tà l ệu ũn nhƣ á

ơn trình n h ên

ứu kho họ khá đƣợ trí h dẫn đầy đ . Nếu ó vấn đề về s ph m bản quyền, tơ

x n hồn tồn hịu trá h nh ệm trƣớ Nhà trƣờn .
H Nội, ng …… t áng…… năm 2014
Học viên

Dƣơng Thị Lợi

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

Long Term Evolution

M n

Wideband Code Division Multiple

Đ truy nhập ph n h th o mã

Access

băn rộn

3GPP

The 3rd Generation Partnership Project

Dự án đố tá thế hệ thứ 3

ACK

Acknowledgement

Công nhận

ARQ

Automatic Repeat Request

Yêu ầu lặp l tự độn

Bearer Binding and Event Reporting

Hàm báo áo sự k ện và kết nố

Function

vận huyển

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh đ ều kh ển quản bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quản bá

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗ b t

BW

Band Width

Băn thông

Complementary Cumulative

Hàm ph n phố tí h lũy bổ

Distribution Function

sung

CDMA

Code division multiple access

Đ truy nhập ph n h th o mã

CP

Control Plane

Ph n hệ đ ều kh ển

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh đ ều kh ển huyên dụn

DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol

DL-SCH

Downlink Shared Channel

Kênh h sẻ đƣờn xuốn

DTCH

Dedicated Traffic Channel

Kênh lƣu lƣợn

DVB

Digital Video Broadcasting

Quản bá truyền hình số

EPC

Evolved Packet Core Network

M n lõ

eNodeB

E-UTRAN Node B

Nút B c a E-UTRAN

Evolved Universal Terrestrial Radio

Truy nhập vô tuyến mặt đất

Access

tổn quát ả t ến

LTE
WCDMA

BBERF

CCDF

E-UTRAN

6

ả t ến dà h n

G o thứ

ấu hình máy h

độn
hun dụn

ó ả t ến


Gh p kênh ph n h th o tần

FDD

Frequency-division duplexing

FFT

Fast Fourier Transforms

B ển đổ Four r nh nh

GPRS

General packet radio service

Dị h vụ vơ tuyến ó hun

GRE

Generic Routing Encapsulation

Đón

GTP

GPRS Tunneling Protocol

G o thứ đƣờn hầm GPRS

HSGW

HRPD Serving Gateway

Cổn phụ vụ HRPD

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập ó tố độ

HSS

Home Subscription Server

ICI

Inter Carrier Interchange

Nh ễu l ên són m n

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

B ến đổ n ƣợ Four r nh nh

IMS

IP Multimedia Subsystem

Ph n hệ đ phƣơn t ện IP

IMSI

International Mobile Subscriber Identity

ISI

Inter Symbo Interchange

MAC

Medium Access Control

số

ó định tuyến hun

o

Trun t m quản lý thuê b o
m n

h

Nhận d ện thuê b o d độn
quố tế
Nh ễu l ên kí h ệu
Đ ều kh ển truy nhập trun
bình

Multicast-broadcast single-frequency

M n đơn tần quản bá đ

network

hƣớn

MCCH

Multicast Control Channel

Kênh đ ều kh ển đ hƣớn

MM

Mobility management

Quản lý d độn

MME

Mobility Management Entity

Thự thể quản lý d độn

MTCH

Multicast Traffic Channel

Kênh lƣu lƣợn đ hƣớn

NAK

Non-Acknowledgement

Khôn phản hồ

OFCS

Offline Charging System

Hệ thốn tính ƣớ s u

Orthogonal Frequency-Division

Đ truy nhập ph n h th o tần

Multiple Access

số trự

MBSFN

OFDMA

7

o


P- GW

Packet Data Network Gateway

Cổn m n dữ l ệu ó

PAPR

Peak-To-Average Power Ratio

Tỉ lệ ơn suất đỉnh-trung bình

PCC

Policy and Charging Control

PCCH

Paging Control Channel

Kênh đ ều kh ển tìm ọ

Policy and Charging Enforcement

Hàm ƣỡn bứ

Function

tính ƣớ

Policy and Charging Resource

Hàm tài nguyên chính sách và

Function

tính ƣớ

PDCP

Packet Data Convergence Protocol

G o thứ hộ tụ dữ l ệu ó

PDN

Packet Data Network

M n dữ l ệu ó

P-GW

Packet Data Network Gateway

Cổn m n dữ l ệu ó

PMIP

Proxy Mobile IP

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ ôn suất

PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

QAM

Quadrature amplitude modulation

Đ ều hế b ên độ vuôn

QoS

Quality of Service

Chất lƣợn dị h vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khó dị h ph vuôn

RF

Radio frequency

Tần số vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Đ ều kh ển l ên kết vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Đ ều kh ển tà n uyên vô tuyến

RRM

Radio resource Management

Quản lý tà n uyên vô tuyến

SAE

System Architecture Evolution

K ến tr

Single Carrier Frequency Division

Đ truy nhập ph n h th o tần

Multiple Access

số đơn són m n

SDU

Service Data Unit

Đơn vị dữ l ệu dị h vụ

S-GW

Serving Gateway

Cổn phụ vụ

PCEF

PCRF

SC-FDMA

Đ ều kh ển hính sá h và tính
ƣớ

8

hệ thốn

hính sá h và

ó

ó

ả t ến


Gh p kênh ph n h th o thờ

TDD

Time-division duplexing

TDMA

Time Division Multiple Access

TD-

Time Division Synchronous Code

Đ truy nhập ph n h theo

SCDMA

Division Multiple Access

thờ

UE

User Equipment

Th ết bị n ƣờ dùn

UICC

Universal Integrated Circuit Card

Thẻ v m h phổ dụn

UL-SCH

Uplink shared channel

Kênh h sẻ đƣờn lên

Universal Mobile Telecommunications

Hệ thốn thôn t n d độn

System

tổn quát

UP

User Plane

Ph n hệ n ƣờ sử dụn

USIM

Universal Subscriber Identity Module

UMTS

UTRAN

WiMAX

WCDMA

gian
Đ truy nhập ph n h th o
thờ

an
n đồn bộ mã

Mô đun nhận d ện thuê b o
chung

Universal Terrestrial Radio Access

M n truy nhập vô tuyến mặt

Network

đất tổn quát

Worldwide Interoperability for

L ên h ệp mở rộn truy nhập v

Microwave Access

sóng

Wideband Code Division Multiple

Đ truy nhập phân chia theo mã

Access

băn rộng

9


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các tham số khối tài nguyên .................................................................... 77
Bảng 2 2: Độ rộng băng t n khối tài nguyên v t lý và số khối tài nguyên v t lý phụ
thuộ v o độ rộng băng t n. ..................................................................................... 77
Bảng 2.3: Các tham số OFDM ................................................................................. 80
ảng 3 1: ảng t ống k giá trị P PR ủ t t ả á k ối d li u v i 4 s ng m ng
v đi u ế PS .................................................................................................... 102
ảng 3 2: So sán

á p ương p áp l m giảm P PR ............................................. 108

10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Kiến trúc mạng LTE trong quan h v i các mạng khác ............................. 17
Hình 1.2: Kiến trúc 3GPP cải tiến t o ư ng phẳng ............................................... 21
Hình 1.3: Kiến trúc mạng E-UTRAN .......................................................................... 22
Hình 1.4: Các kết nối eNodeB t i các node logic khác và các chứ năng

ín ....... 25

Hình 1.5: Các kết nối MME t i các node logic khác và các chứ năng

ín ........... 28

Hình 1.6: Các kết nối S-GW t i các node logic khác và các chứ năng

ín .......... 30

Hình 1.7: P-GW kết nối t i các node logic khác và các chứ năng chính ................. 33
Hình 1.8: PCRF kết nối t i các node logic khác và các chứ năng

ín ................. 33

Hình 1.9: Kiến trúc giao thứ LTE đường xuống) ................................................... 36
Hình 1.10: P ân đoạn và hợp đoạn RLC .................................................................... 38
Hình 1.11: Ví dụ v sự ánh xạ các kênh logic v i các kênh truy n dẫn ..................... 42
Hình 1.12: Vi c lựa chọn định dạng truy n dẫn trong đường xuống (bên trái) và
đường lên (bên phải) ................................................................................................... 46
Hình 1.13: Giao thức hybrid- RQ đồng bộ v k ông đồng bộ. ................................. 49
Hình 1.14: Nhi u tiến trình hybrid-ARQ song song ................................................... 49

Hình 1.15: Mơ hình xử lý l p v t lý đơn giản cho DL-SCH ....................................... 52
Hình 1.16: Mơ hình xử lý l p v t lý đơn giản cho UL-SCH ....................................... 53
Hình 1.17: Các trạng thái LTE. .................................................................................. 55
Hình 1.18: Một ví dụ v luồng d li u LTE ................................................................ 57
Hình 2.1. So sánh OFDM và FDMA .......................................................................... 58
Hình 2.2: P ương p áp đi u chế đ s ng m ng ......................................................... 59
Hìn 2 3: Sơ đồ khối của một h thống OFDM .......................................................... 60
Hình 2.4: Phổ của các sóng mang trực giao .............................................................. 63
Hình 2.5: Phổ của tín hi u OF M ơ sở 5MHz ...................................................... 65
Hình 2.6: C p phát sóng mang con ở OFDM và OFDMA ......................................... 67
Hình 2.7. Tài nguyên v t lý đường xuống của LTE ................................................. 68
Hình 2.8: C u trúc mi n thời gian – t n số đường xuống của LTE ........................ 70
Hình 2.9: C u trú k ung on v k

đường xuống ................................................ 70

11


Hình 2.10: Một khối tài nguyên ................................................................................. 72
Hình 2.11: C u trúc tín hi u tham khảo đường xuống trong trường hợp CP bình
t ường (7 ký hi u OFDM trong một khe). ................................................................. 73
Hìn 2 13: Sơ đồ khối tạo tín hi u băng gố đường xuống. ....................................... 75
Hìn 2 14: Lư i tài nguyên thời gian-t n số đường xuống ........................................ 76
Hìn 3 1: Sơ đồ tổng quát á p ương p áp giảm P PR ............................................ 83
Hìn 3 2: Sơ đồ k ối p ương p áp
Hìn 3 3: T u t tốn tạo p
Hìn 3 4: T uộ tín

ủ

i t l đường b o............................................. 85

ngẫu n i n ................................................................... 88
á p ương p áp biến đổi n n giải ................................... 89

Hìn 3 5: Tín i u tru n k i k ông sử dụng LT v sử dụng LT ................................ 91
Hìn 3 6: Lượ đồ

t ống sử dụng ông t ứ H d m rd ......................................... 92

Hìn 3 7: Lượ đồ

nd

giả................................................................................... 93

Hìn 3 8: Sơ đồ k ối p ương p áp SLM...................................................................... 94
Hìn 3 9: Sơ đồ k ối p ương p áp PTS ...................................................................... 95
Hìn 3 10: Lượ đồ sử dụng g p xen ......................................................................... 97
Hìn 3 11: Mở rộng
Hìn 3 12: Mơ tả vi

m điểm tí

ự v i đi u

ế QPS .................................... 101

mở rộng k ơng gi n tín i u đổi v i p ương p áp đi u

ế 16-

QAM .......................................................................................................................... 101
Hìn 3 13: Đường b o ủ tín i u OF M ủ d
Hìn 3 14: Sơ đồ k ối
Hìn 4 1: Mơ ìn mơ p

t ống OF M d ng m

t ông tin

ros ....................... 103

k ối kết ợp sử lỗi ............ 105

ng t o p ương p áp Mot r

rlo ................................. 110

Hìn 4 2: Sơ đồ má p át.......................................................................................... 111
Hìn 4 3: Mơ ìn k n ............................................................................................ 111
Hìn 4 4: Sơ đồ má t u............................................................................................ 111
Hìn 4 5: Đồ t ị

m

F v i tín i u gố v

á mứ

lipping k á n

u ....... 112

Hình 4.6: BER của tín hi u clipping và không clipping qua kênh truy n AWGN .... 114
Hình 4.7: BER của tín hi u clipping và khơng clipping qua kênh Fading Rayleigh 115
12


Hình 4.8: BER của tín hi u clipping v i CR =2 khi qua kênh AWGN và Fading
Rayleigh ..................................................................................................................... 116
Hình 4.9: Đồ thị hàm CCDF của PAPR khi sử dụng p ương p áp SLM ................ 117

13


MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển vƣợt bậc c a công nghệ d độn đã th
cầu về tố độ truy cập dữ liệu trên các thiết bị ngày một tăn
cấp các chứ năn

đẩy nhu

o. N oà v ệc cung

ơ bản về tho i, sms, m n đ động hiện t i cần đáp ứn

á đò

hỏi về xem video trực tuyến, game online hay các dịch vụ thời gian thự khá . Để
đáp ứng nhu cầu đó đị hỏi phải có một m n d động thế hệ mới có khả năn truy
cập dữ liệu tố độ cao, khả năn ph sóng lớn, băn tần rộn nhƣn vẫn đảm bảo
việc ho t động thông suốt với m n d động thế hệ ũ. Đó là lý do m n d động thế
hệ kế tiếp LTE r đời.
Phiên bản thƣơn m

LTE đầu t ên đƣợc giới thiệu từ nhữn năm 2009, từ đó

ho đến nay các nhà m n đã khơn n ừng phát triển và sử dụn LTE nhƣ một giải
pháp cho m n d động thế hệ kế tiếp 4G. Cho đến hiện nay, cơng nghệ LTE đã ph
sóng hầu hết trên thế giới với tố độ truy cập dữ liệu lên tớ hàn trăm Mb t/s đáp
ứn đầy đ nhữn tính năn mà á th ết bị d động mang l . LTE ũn là nền tảng
cho việ r đời c a các dịch vụ trực tuyến thời gian thự nhƣ v d o tố độ cao, xem
truyền hình trực tuyến hay thay thế m ng ADSL t i những khu vực không thể triển
khai các thiết bị m ng có dây.
Để ó đƣợc tố độ truy cập dữ liệu cao, nhiễu thấp ũn nhƣ

ải quyết các vấn

đề về fading trong LTE yêu cầu cần có một phƣơn pháp đ truy nhập phù hợp để
đ t đƣợc hiệu quả mon đợi. Việc ứng dụn phƣơn pháp đ truy nhập phân chia
theo tần số trự

o đã đáp ứn đầy đ nhu cầu đó, OFDMA cho phép LTE phân

bổ tài ngun vơ tuyến một cách nhanh chóng, phổ cơng suất đƣợc sử dụng một
cách hiệu quả, khả năn khử nhiễu liên kênh, liên ký tự và đặc biệt là khả năn
chống chịu l i trễ fading trong kênh vô tuyến. Đó là nhữn đặc tính cần thiết cần có
c a một phƣơn pháp đ truy nhập để đáp ứng những u cầu mà cơng nghệ LTE

đặt ra.
Trên nhữn

ơ sở đó, luận văn tốt nghiệp cung cấp nhữn thôn t n ơ bản nhất

về công nghệ LTE, về kiến trúc hệ thống, các giao diện vô tuyến… Đặc biệt, luận
văn tập trung vào việc nghiên cứu công nghệ đ truy nhập phân chia theo tần số trực

14


giao OFDMA và ứng dụng c a nó trong cơng nghệ LTE nhằm tăn h ệu quả kênh
truyền và tố độ truy nhập cho m ng.
Trong quá trình thực hiện đề tài do cịn nhiều h n chế về thơn t n ũn nhƣ
thời gian hồn thành nên khơng tránh khỏi những thiếu xót. Tơi rất mon đƣợc sự
đánh

á, nhận xét và góp ý c a các Thầy ơ để luận văn ó thể hồn thiện hơn. Tơ

xin trân trọng cảm ơn TS. Phạm Doãn Tĩnh đã định hƣớn ,

p đỡ tận tình trong

suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
H Nội, ng …… t áng…… năm 2014
Học viên

Dƣơng Thị Lợi

15


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE
I. Giới thiệu công nghệ LTE
1.1 Kiến tr c mạng LTE
LTE là một huẩn ho ôn n hệ truyền thôn dữ l ệu khơn d y và là một sự
t ến hó
độ dữ l ệu

á

huẩn GSM/UMTS. Mụ t êu
á m n dữ l ệu khôn d y bằn

LTE là tăn dun lƣợn và tố
á h sử dụn

á k thuật đ ều hế

và DSP xử lý tín h ệu số mớ đƣợ phát tr ển vào đầu thế kỷ 21 này. Một mụ t êu
o hơn là th ết kế l

và đơn

ản hó kiến trúc m ng thành một hệ thốn dự trên

nền IP vớ độ trễ truyền dẫn tổn

ảm đán kể so vớ k ến tr

khơn d y LTE khơn tƣơn thí h vớ

m n 3G. G o d ện

á m n 2G và 3G, do đó nó phả ho t

độn trên một phổ vô tuyến r ên b ệt.
LTE đƣợ hãn NTT DoCoMo
n h ên ứu về t êu huẩn mớ

Nhật đề xuất đầu t ên vào năm 2004, á

hính thứ bắt đầu vào năm 2005 [25]. Thán 5 năm

2007, l ên m nh Sán k ến thử n h ệm LTE/SAE LSTI đƣợ thành lập, l ên m nh
này là sự hợp tá tồn ầu

ữ

á hãn

un

v ễn thơn vớ mụ t êu k ểm n h ệm và th
kh

ấp th ết bị và hãn

un

ấp dị h vụ

đẩy t êu huẩn mớ để đảm bảo tr ển

ơn n hệ này trên tồn ầu àn hợp àn tốt [26][27]. T êu huẩn LTE đƣợ

hoàn thành vào thán 12 năm 2008 và dị h vụ LTE đầu t ên đƣợ hãn TeliaSonera
kh

trƣơn ở Oslo và Stockholm vào n ày 14 thán 12 năm 2009, đó là kết nố dữ

l ệu vớ một mod m USB. Năm 2011, á dị h vụ LTE đƣợ kh
trƣờn Bắ M , vớ v ệ hãn MetroPCS

ớ th ệu mẫu đ ện tho

trợ LTE đầu t ên là S msun G l xy Indul
[28][29] và t ếp s u đó là hãn V r zon

trƣơn ở thị
thơn m nh hỗ

vào n ày 10 thán 2 năm 2011

ớ th ệu mẫu đ ện tho thôn m nh hỗ trợ

LTE thứ h là HTC ThunderBolt vào n ày 17 thán 3 ùn năm [30][31]. B n đầu,
á nhà m n CDMA ó kế ho h n n

ấp á t êu huẩn

nh tr nh là UMB và

WiMAX, nhƣn tất ả á nhà m n CDMA lớn nhƣ Verizon, Sprint và MetroPCS
ở M , Bell và Telus ở C n d , au by KDDI ở Nhật Bản, SK Telecom ở Hàn Quố
và China Telecom/China Unicom ở Trun Quố
huyển lên huẩn LTE. Sự t ến hó

đã thơn báo họ dự định sẽ

LTE là LTE Advanced, đã đƣợ

16

huẩn hó


vào thán 3 năm 2011. Dị h vụ dự k ến sẽ đƣợ

un

ấp bắt đầu vào năm

2013[32].
Đặ tả k thuật LTE hỉ r tố độ tả xuốn đỉnh đ t 300 Mb t/s, tố độ tả lên
đỉnh đ t 75 Mbit/s và QoS quy định ho ph p trễ truyền dẫn tổn thể nhỏ hơn 5 ms
trong m ng truy nhập vơ tuyến. LTE ó khả năn quản lý á th ết bị d độn
huyển độn nh nh và hỗ trợ á luồn dữ l ệu quản bá và đ đ ểm. LTE hỗ trợ
băn thôn l nh ho t, từ 1,25 MHz tớ 20 MHz và hỗ trợ ả song công phân chia

theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian TDD . K ến tr
dự trên IP, đƣợ

ọ là Lõi gói tiến hóa EPC và đƣợ th ết kế để th y th y thế

M ng lõi GPRS, hỗ trợ huyển
Nod B vớ
k ến tr

đơn

m n

ôn n hệ m n

o l ên tụ

ho ả tho

và dữ l ệu tớ tr m

ũ hơn nhƣ GSM, UMTS và CDMA2000 [33]. Các

ản và h phí vận hành thấp hơn ví dụ, mỗ tế bào E-UTRAN sẽ hỗ

trợ dun lƣợn tho và dữ l ệu ấp 4 lần so vớ HSPA [34].

Hình 1.1: iến trú mạng LTE trong qu n

17

v i á mạng k á


1.2 Đặc điểm c a mạng LTE
Phần lớn t êu huẩn LTE hƣớn đến v ệ n n

ấp 3G UMTS để uố

ùn

ó

thể thự sự trở thành ơn n hệ truyền thôn d độn 4G. Một lƣợn lớn ôn v ệ
là nhằm mụ đí h đơn

ản hó k ến tr

hệ thốn , vì nó huyển từ m n UMTS sử

dụn kết hợp huyển m h kênh và huyển m h ó s n hệ thốn k ến tr
toàn IP. E-UTRAN là


o d ện vơ tuyến

LTE. Nó ó á tính năn

phẳn

hính s u:

Tố độ tả xuốn đỉnh lên tớ 299.6 Mb t/s và tố độ tả lên đ t 75.4 Mbit/s

phụ thuộ vào k ểu th ết bị n ƣờ dùn

vớ 4x4 nt n sử dụn độ rộn băn thôn

là 20 MHz) [2].


Trễ truyền dẫn dữ l ệu tổn thể thấp thờ

n trễ đ -về dƣớ 5 ms cho các gói

IP nhỏ tron đ ều k ện tố ƣu , trễ tổn thể ho huyển
nố nhỏ hơn so vớ á


o thờ

n th ết lập kết

ôn n hệ truy nhập vô tuyến k ểu ũ.

Cả th ện hỗ trợ ho tính d độn , th ết bị đầu uố d

huyển vớ vận tố lên

tớ 350 km/h hoặ 500 km/h vẫn ó thể đƣợ hỗ trợ phụ thuộ vào băn tần [1].



OFDMA đƣợ dùn

ho đƣờn xuốn , SC-FDMA dùn

ho đƣờn lên để t ết

k ệm ôn suất [2].


Hỗ trợ ả h

hệ thốn dùn FDD và TDD ũn nhƣ FDD bán son

ôn vớ

cùng côn n hệ truy nhập vô tuyến [4].


Hỗ trợ ho tất ả á băn tần h ện đ n đƣợ

á hệ thốn IMT sử dụn

ITU-R.


Tăn

tính l nh ho t phổ tần: độ rộn phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz,

10 MHz, 15 MHz và 20 MHz đƣợ

huẩn hó

W-CDMA yêu ầu độ rộn băn

thông là 5 MHz, dẫn tớ một số vấn đề vớ v ệ đƣ vào sử dụn
á quố

ôn n hệ mớ t

mà băn thôn 5 MHz thƣờn đƣợ ấn định ho nh ều m n , và

thƣờn xuyên đƣợ sử dụn bở á m n nhƣ 2G GSM và CDMA One) [4].


Hỗ trợ kí h thƣớ tế bào từ bán kính hàn

hụ m femto và picocell lên tớ

các macrocell bán kính 100 km. Tron dả tần thấp hơn dùn

ho á khu vự nơn

thơn, kí h thƣớ tế bào tố ƣu là 5 km, h ệu quả ho t độn hợp lý vẫn đ t đƣợ ở
30 km, và kh lên tớ 100 km thì h ệu suất ho t độn

18

tế bào vẫn ó thể hấp


nhận đƣợ . Tron khu vự thành phố và đô thị, băn tần
Ch u

u đƣợ dùn để hỗ trợ băn thôn d độn tố độ

o hơn nhƣ 2,6 GHz ở
o. Tron trƣờn hợp

này, kí h thƣớ tế bào ó thể hỉ ịn 1 km hoặ thậm hí ít hơn [1].


Hỗ trợ ít nhất 200 đầu uố dữ l ệu ho t độn tron mỗ tế bào ó băn thơn

5 MHz.


Đơn

ản hó k ến tr : phí m n E-UTRAN hỉ ồm á eNode B [4]



Hỗ trợ ho t độn

vớ

CDMA2000 . N ƣờ dùn

một khu vự sử dụn

á

huẩn ũ ví dụ nhƣ GSM/EDGE, UMTS và

ó thể bắt đầu một uộc ọ hoặ truyền dữ l ệu tron

huẩn LTE, nếu t

một đị đ ểm khơn

ó m n LTE thì

n ƣờ dùn vẫn ó thể t ếp tụ ho t độn nhờ á m n GSM/GPRS hoặ UMTS
dùn

WCDMA h y thậm

hí là m n

3GPP2 nhƣ CDMA One hoặ

CDMA2000) [4].


G o d ện vô tuyến huyển m h ó [4].



Hỗ trợ ho MBSFN M n quản bá đơn tần . Tính năn này ó thể un

á dị h vụ nhƣ Mob l TV dùn

ơ sở h tần LTE, và là một đố th

ấp

nh tr nh

ho truyền hình dự trên DVB-H [2].
1.3 Tình hình triển khai 4G LTE tại Việt Nam
Tiếp theo sự r đời c a các m n thôn t n d động 3G, m n d động thế hệ
mớ 4G đ n đƣợc hàng lo t nhà m ng trên thế giới nhắ đến trong những chiến
dịch truyền thông. M ng 4G sẽ rút ngắn đán kể thời gian truyền tải c a các dòng
dữ liệu đến và đ khỏi thiết bị, đồng thời mang l i lợi ích cho những giao tiếp mang
tính tr o đổi liên tục. Đến thờ đ ểm hiện t i, Bộ Thông tin và Truyền thôn đã ấp
5 giấy phép thử nghiệm 4G cho các doanh nghiệp gồm: VNPT, Viettel, CMC, VTC
và FPT. Tron đó, V tt l, VNPT và FPT là nhữn đơn vị đã bắt đầu tiến hành thử
nghiệm công nghệ 4G và đều cho những kết quả khả quan.
Th o đ

d ện Bộ Thôn t n và Truyền thôn khẳn định: “V ệt N m đã phát

tr ển ôn n hệ, đặ b ệt đố vớ
3,5G và hắ

hắn sẽ tr ển kh

ôn n hệ d độn , từ á thế hệ 2G, 2,5G, 3G,

m n 4G LTE nhƣn phả

do nh n h ệp mớ tr ển kh 3G đƣợ 3 năm, ần ó thờ

19

ó lộ trình phù hợp. Các
n kh thá h ệu quả h


tần đầu tƣ, 3G t
tớ 21Mb/

VN h ện n y đã là 3,5G, 3,8G, tố độ tố đ HSPA++ ó thể lên

y về k thuật ”. Tron quy ho h phát tr ển v ễn thôn quố

năm 2015, V ệt N m mớ x m x t tr ển kh
t ếp th o trên ơ sở đấu

ấp ph p ôn n hệ 4G và á thế hệ

á, th tuyển. Nhƣn th o xu hƣớn h ện n y on đƣờn tất

yếu để v ễn thôn V ệt N m hộ nhập vớ sự phát tr ển
thế

,s u

ôn n hệ v ễn thôn

ới. Cá nhà m n ở V ệt N m ó mon muốn đẩy nh nh thờ h n ấp ph p

tr ển kh
quố

4G th y vì phả đợ tớ năm 2015 nhƣ Quy ho h phát tr ển v ễn thơn
đến năm 2020

Chính ph quy định.

Tuy nhiên, các nhà m n

ũn

ần chuẩn bị các tiền đề công nghệ ũn nhƣ

vốn để chuẩn bị cho việc phát triển 4G LTE tron tƣơn l

khôn x . Côn nghệ

LTE vẫn đ n t ếp tụ đƣợc phát triển, hoàn thiện và có nhiều cải tiến do vậy các
nhà m ng cần nắm bắt để tiếp cận các công nghệ 4G tiên tiến nhất khi triển khai t i
Việt Nam.
II. Kiến trúc hệ thống LTE theo tiêu chuẩn 3GPP
Trong phần này, chúng ta tìm hiểu về kiến trúc hệ thống LTE theo tiêu chuẩn
3GPP và chứ năn

ơ bản c a các phần tử m ng trong hệ thống LTE [2].

2.1 Kiến trúc hệ thống LTE cải tiến trong 3GPP
Khi giao diện vô tuyến đƣợc cải tiến, đ ều rõ ràng là kiến trúc hệ thốn

ũn

cần đƣợc cải tiến để phù hợp với giao diện vô tuyến ấy. Hầu hết đều hƣớng tới việc
tố ƣu hó hệ thống dành cho các dịch vụ chuyển m ch gói, bên c nh đó một trong
những mục tiêu thiết kế giao diện vô tuyến nhƣ lo i bỏ chuyển giao mềm ũn mở
r

ơ hội mới trong thiết kế kiến trúc chung c a hệ thống. Ngoài ra, việ r đời High

SpeedPacket Access (HSPA đã hứng minh rằng tất cả các chứ năn vơ tuyến có
thể mang l i hiệu quả kh đặt chung trong NodeB t o ra nhữn

ơ sở mới cho việc

nghiên cứu về kiến trúc tổng thể hệ thống.
V ệ n h ên ứu ho ả t ến k ến tr
(SAE s u đó đã đ th o sự phát tr ển

hệ thốn -System Architecture Evolution
o d ện vô tuyến vớ nhữn mụ t êu th ết

kế:
 Tố ƣu hó cho á dị h vụ huyển m h ó nói chung.

20

 Hỗ trợ tố đ

ho lƣu lƣợn tố độ

về tố độ truy ập
 Cả th ện thờ

o

n ƣờ dùn

n đáp ứn

 Cả th ện trễ ph n phố
 Đơn

o đáp ứn nhữn yêu ầu n ày một

ho v ệ kí h họ t và khở t o són m n .

ó.

ản hó tổn thể hệ thốn so vớ 3GPP h ện ó và á hệ thốn d độn

khác.
 Tố ƣu hó

á ph ên làm v ệ vớ á m n truy nhập 3GPP khác.

 Tố ƣu hó

á ph ên làm v ệ vớ á m n truy ập khôn d y khác.

Hình 1.2: iến trú 3GPP ải tiến t o ư ng p ẳng
Hầu hết á mụ t êu th ết kế đều ám hỉ đến v ệ phát tr ển một k ến trúc. K ến
tr

phẳn vớ v ệ tố

ản hó

ảm độ trễ và ả th ện h ệu suất

á n t ít tham gia vào q trình làm v ệ sẽ làm
m n . V ệ phát tr ển th o hƣớn này đã bắt

đầu đƣợ thự h ện tron ph ên bản 7 vớ khá n ệm Direct Tunnelcho phép ph n hệ
n ƣờ dùn (UP) bỏ qu SGSN, và đặt á
Hình 1.2 ho thấy nhữn
trong k ến tr

hứ năn

RNC lên NodeB HSPA.

ả t ến và làm thế nào để thự h ện v ệ này ở mứ

SAE.

21

o


2.2 Cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản mạng truy nhập E-UTRAN
2.2.1 Tổng quan kiến tr c hệ thống cơ bản
Hình 1.3 mơ tả k ến tr

và á thành phần m n tron

UTRAN AN (Access Network). Cá kết nố và n tlo

ấu hình k ến tr

E-

thể h ện tron hình đ d ện

cho các ấu hình k ến trúc ơ bản hệ thốn . Nhữn yếu tố và các hứ năn

ần

th ết tron mọ trƣờn hợp khi E-UTRAN tham gia vào m n d độn . Các k ến
trúc hệ thốn khá đƣợ mô tả tron

á phần t ếp th o ũn b o ồm một số hứ

năn bổ sun .
Hình dƣớ ũn

ho thấy k ến tr

đƣợ

h thành 4 thành phần hính: Th ết bị

n ƣờ dùn (UE), Evolved UTRAN (E-UTRAN), Evolved Packet Core Network
(EPC), và phần dị h vụ..

Hình 1.3: iến trú mạng E-UTRAN
Cá thành phần này ó hứ năn tƣơn đƣơn tron hệ thốn 3GPP h ện ó.
Sự phát tr ển k ến tr

mớ đƣợ

ớ h n truy nhập vô tuyến và m n lõ , tƣơn

22


ứn vớ E-UTRAN và EPC. K ến tr

UE và phần dị h vụ vẫn

ữ n uyên, nhƣn

hứ năn đã ó nh ều ả t ến và th y đổ ho từn thành phần
UE, E-UTRAN và EPC kết nố vớ nh u qu dự trên IP. Đ y là một phần
hệ thốn EPS- Evolved Packet System. Chứ năn

ấp kết nố dự trên IP, và nó đƣợ tố ƣu hó
vụ sẽ đƣợ

un

ấp trên nền IP, á

hính

lớp này là cung

o ho mụ đí h đó. Tất ả á dị h

o d ện và n t huyển m h kênh trong k ến

trúc 3GPP trƣớ đó khơng có trong E-UTRAN và EPC. Cơn n hệ IP ũn

h ếm

ƣu thế tron v ệ truyền tả dữ l ệu và tất ả mọ thành phần đƣợ th ết kế để ho t
độn trên nền IP.
Sự phát tr ển trong E-UTRAN đƣợ tập trun trên một nút eNodeB. Tất ả á
hứ năn vô tuyến đƣợ thu nhỏ ở đó, tứ là các eNodeB là đ ểm kết th

ho tất

ả á

ản là

o thứ l ên qu n đến vô tuyến. Tron m n , E-UTRAN hỉ đơn

một m n lƣớ á eNodeB kết nố vớ eNodeB l ền kề bằn

o d ện X2.

Một tron nhữn th y đổ về k ến trúc lớn tron lĩnh vực m n lõ là EPC
khôn

hứ thành phần huyển m h kênh và khôn kết nố trự t ếp vớ m n

huyển m h kênh thôn thƣờn nhƣ ISDN hay PSTN. Chứ năn EPC tƣơn
đƣơn vớ m ền huyển m h ó

m n 3GPP h ện t . Tuy nhiên, nhữn th y

đổ đán kể trong v ệ bố trí hứ năn và k ến tr

hầu hết á nod đƣợ

o là

hoàn toàn mớ tron phần này.
Cả h

Hình 1.2 và Hình 1.3 ho thấy thành phần SAE-GW. Nhƣ hình sau hỉ

ra, thành phần đ

d ện ho sự kết hợp

hai ổn , Serving Gateway (S-GW) và

Packet Data Network Gateway (P-GW) định n hĩ
kết hợp h
nh ên á

ho UP xử lý trong EPC. V ệ

thành phần này thành SAE-GW là một kị h bản tr ển kh
huẩn đƣợ định n hĩ

khả th tuy

ho 2 thành phần này kh h n ho t độn r ên rẽ

ũn đã đƣợ đƣ r .
2.2.2 Các thành phần logic trong kiến tr c cơ bản c a hệ thống
2.2.2.1 Thiết bị người dùng cuối (UE)
UE là th ết bị mà n ƣờ dùn
th ết bị ầm t y nhƣ đ ện tho

uố sử dụn để l ên l . Thôn thƣờn nó là một

thơn m nh hoặ một thẻ dữ l ệu nhƣ nhữn n ƣờ

23


sử dụn h ện n y trong 2G và 3G, hoặ nó ó thể đƣợ nh n vào một th ết bị nào

đó ví dụ nhƣ máy tính xách tay. UE ũn

hứ USIM – Universal Subscriber

Identity Module - là một modul r ên b ệt vớ phần òn l
đƣợ

UE, mà thƣờn

ọ là th ết bị đầu uối (TE). USIM là một ứn dụn đƣợ đặt vào một thẻ

thơng minh ó thể tháo rờ đƣợ

ọ là UICC- Universal Integrated Circuit Card.

USIM đƣợ sử dụn để xá định và xá thự n ƣờ dùn và để lấy đƣợ khóa bảo
mật bảo vệ v ệ truyền tả

o d ện vô tuyến.

Về mặt hứ năn , UE là một nền tản
vớ m n
ầu

ho v ệ th ết lập, duy trì và lo bỏ á l ên kết thôn t n l ên kết các nhu
n ƣờ dùn

huyển

uố . Đ ều này b o ồm á

hứ năn quản lý d độn nhƣ

o và báo cáo vị trí th ết bị đầu uố , và trong các UE thự h ện theo

hƣớn dẫn

m n . Có lẽ qu n trọn nhất, UE un

ho n ƣờ dùn
một uộ

ho á ứn dụn truyền thơn , tín h ệu

ấp

o d ện n ƣờ sử dụn

uố để á ứn dụn nhƣ VoIP l nt ó thể sử dụn để th ết lập

ọ tho .

2.2.2.2 E-UTRAN Node B (eNodeB)
Các eNodeB là một tr m phát són vơ tuyến k ểm sốt tất ả á

hứ năn liên

qu n đến vô tuyến. Cá tr m eNodeB thôn thƣờn đƣợ ph n bố tron toàn bộ
vùn ph

m n , các eNodeB sẽ đƣợ đặt

nh á

nt n vô tuyến.

Về mặt hứ năn , eNodeB ho t độn nhƣ một ầu nố lớp 2
là đ ểm kết uố
l ệu

ữ

tất ả á

ữ UE và EPC,

o thứ vô tuyến về phí UE, và huyển t ếp dữ

á kết nố vô tuyến và kết nố dự trên IP tƣơn ứn đố vớ EPC. Trong

vai trò này, các eNodeB thự h ện mã khố / ả mã dữ l ệu ph n hệ n ƣờ dùn
ũn nhƣ n n/

ả n n IP h d r, ó n hĩ là tránh v ệ

ử dữ l ệu tuần tự hoặ dữ

l ệu lặp tron IP header.
Các eNodeB ũn

hịu trá h nh ệm k ểm soát nh ều hứ năn ph n hệ đ ều

kh ển (CP) và quản lý tà n uyên vơ tuyến RRM , tứ là k ểm sốt v ệ sử dụn
o d ện vơ tuyến, tron đó b o ồm, ph n bổ n uồn lự dự trên yêu ầu, lƣu
lƣợn ƣu t ên và lập lị h theo QoS, và l ên tụ giám sát tình hình sử dụn tà
nguyên.

24