TỔNG QUAN về 4g LTE

TỔNG QUAN VỀ 4G LTE
Nội dung
I. Quá trình hình thành 4G LTE
1.1 Quá trình phát triển
1.2 Kì vọng đối với 4G LTE
II. Các đặc điểm kỹ thuật của 4G LTE
2.1 Cấu trúc mạng 4G LTE
2.2 Kỹ thuật đa truy nhập đường downlink OFDMA
2.3 Kỹ thuật đa truy nhập đường uplink SC-FDMA
2.4 Phương pháp chống hiện tượng đa đường (multipath) dùng Cyclic Prefix
2.5 Công nghệ MIMO
2.6 Cấu trúc dữ liệu của LTE
2.7 Các đặc tính kỹ thuật về tốc độ và bán kính cell
III.Tổng kết

1


I. Quá trình hình thành 4G LTE



4G LTE được phát triển bởi tổ chức 3GPP, từ 3G WCDMA Rel99  Rel5  Rel6  Rel7
4G LTE Rel8, 9 và 10.
LTE được kì vọng có tốc độ dữ liệu và hiệu suất sử dụng phổ tần vượt trội so với 3G trong
khi độ trễ tín hiệu giảm và linh hoạt hơn trong việc lựa chọn băng tần và cấp phát tài ngun
vơ tuyến.

1.1 Q trình phát triển cơng nghệ di động 4G
LTE (Long Term Evolution) là công nghệ di động thế hệ thứ tư ra đời năm 2009, được phát triển
bới 3GPP từ công nghệ di động thế hệ thứ ba UMTS.



Trước thời điểm ra đời của LTE, 2 tổ chức tồn tại song song 3GPP và 3GPP2 cùng hướng
tới tiêu chuẩn IMT-2000 dành cho 3G. 3GPP2 tập trung vào hướng phát triển cdmaOne,
cdma 2000 và EV-DO trong khi 3GPP tập trung vào GSM, WCDMA và HSPA. Cả 2 tổ
chức cùng hướng tới phát triển công nghệ di động thế hệ thứ 4, tuy nhiên chỉ có LTE của
3GPP được chọn là bước tiến tiếp theo cho công nghệ di động 4G và do đó, LTE có khả
năng tương thích với 3G UMTS và 2G GSM cao hơn so với cdma 2000 và cdmaOne.
 4G LTE Rel8, Rel9 và Rel10 và HSPA+ Rel8 và Rel9 là 2 nhánh phát triển song song của
3GPP.
1.2 Kì vọng đối với 4G LTE

2







Tốc độ truyền dữ liệu trên 100 Mbps DL và trên 50 Mbps UL cho LTE Rel8. Tốc độ dữ liệu
tại biên cell cao gấp 2, 3 lần so với HSPA Rel6.
Độ trễ đường truyền thấp: Dưới 10ms với luồng dữ liệu và dưới 100ms với luồng báo hiệu.
Hiệu suất sử dụng phổ tần cao.
Cho phép lựa chọn băng tần và cấp phát tài nguyên vô tuyến một cách linh hoạt.

Theo dõi quá trình phát triển từ 3G WCDMA, 4G LTE Rel8 đã tạo ra 1 bước tiến lớn.


Về tốc độ truyền dữ liệu, LTE Rel8 được kì vọng sẽ đạt tới 100 Mbps DL và 50 Mbps UL
tốc độ truyền data lớp vật lý với băng thông kênh 10 MHz. Đây là một bước nhảy vọt về tốc
độ truyền dữ liệu khi xét tới khởi điểm của 3G WCDMA Rel99 chỉ là 384 kbps (DL&UL)
cho tới HSPA+ Rel7 với 42 Mbps DL và 11.5 Mbps UL. Mặc dù vậy, LTE Rel8 vẫn chưa
được coi là 4G bởi chưa đáp ứng được chuẩn 1Gbps của ITU đối với công nghệ di động thế
hệ thứ tư, điều mà chỉ LTE – Advance Rel10 mới làm được.
 Về hiệu suất sử dụng phổ tần, LTE Rel8 đạt được 10 bps/Hz với băng tần 10 MHz và tốc độ
dữ liệu 100 Mbps. Đây rõ ràng là một sự cải thiện đáng kể từ 3G WCDMA với 4.2 bps/Hz
tương ứng 42Mbps peak trên băng tần 10 MHz của Rel7.
 Độ trễ của LTE Rel8 được giảm đi ở cả luồng báo hiệu và luồng dữ liệu: Dưới 100 ms cho
luồng báo hiệu chuyển trạng thái UE từ Idle mode sang connected mode và dưới 5ms cho
luồng dữ liệu truyền đi và về UE khi xét 1 gói dữ liệu nhỏ truyền trong điều kiện không tải.
Khi so sánh với 3G WCDMA, phải mất tới trung bình 1s cho luồng báo hiệu UE từ Idle
mode sang connected mode và 50ms cho luồng dữ liệu small packet truyền đi cũng trong
điều kiện không tải.
 LTE mang tới sự linh hoạt cho nhà mạng trong việc lựa chọn băng tần 700 Mhz, 900 MHz,
1800 MHz, 2100 MHz hoặc 2600 MHz .. với băng thông kênh truyền 1.4, 3, 5, 10, 15 hoặc
20 MHz. LTE cũng hỗ trợ cả 2 cơ chế TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency
Divion Duplex), cho phép lựa chọn hoặc tách độ rộng băng thông kênh truyền đối xứng cho
2 đường uplink và downlink (FDD) hoặc sử dụng cùng một độ rộng băng thông kênh truyền
nhưng tách biệt về mặt thời gian (TDD). Việc lựa chọn kỹ thuật đa truy nhập của LTE cũng
mang tới sự linh hoạt rất lớn trong việc cấp phát tài nguyên cho người dùng.
II. Các đặc điểm kỹ thuật của 4G LTE
 Cấu trúc hệ thống tinh giảm, tách riêng luồng báo hiệu và dữ liệu.
 Áp dụng công nghệ điều khiển đa truy nhập OFDMA downlink và SC-FDMA uplink.
 Áp dụng công nghệ anten MIMO.
 Áp dụng kỹ thuật chống hiệu ứng đa đường Cyclic Prefix.
 Cấu trúc dữ liệu cho phép cấp phát tài nguyên vô tuyến linh hoạt.
2.1 Cấu trúc mạng 4G LTE





Gồm 2 thành phần chính: Thành phần vơ tuyến E-UTRAN (Evolved – Universal Terrestrial
Access Network) và thành phần Packet Core EPC (Evolved Packet Core).
Loại bỏ node mạng RNC so với 3G.
Tách riêng luồng báo hiệu (control plane) và dữ liệu (user plane).
3


2.1.1 Topology

Mạng 4G thường được nhăc tới với thuật ngữ EPS (Evolved Packet System). EPS bao gồm 2
thành phần: Thành phần vô tuyến E-UTRAN (Evolved – Universal Terrestrial Access Network)
và thành phần Packet Core EPC (Evolved Packet Core). Mặc dù thuật ngữ LTE thường được
dùng để chỉ mạng 4G nói chung, thực chất LTE dùng để đề cập tới bước phát triển lên 4G từ 3G
UMTS chỉ dành cho thành phần vô tuyến và SAE được dùng để đề cập tới bước phát triển từ 3G
của Packet Core.
Khi so sánh với cấu trúc của mạng 3G hiện tại:





LTE có cấu trúc tương tự nhưng đã bỏ đi node mạng RNC, phần chức năng của RNC được
gộp với chức năng của NodeB vào node mạng eNodeB đảm nhiệm.
Cấu trúc của Packet Core của 4G có sự thay đổi với việc tách riêng của luồng báo hiệu và
luồng dữ liệu. Cấu trúc Packet Core bao gồm 2 thành phần là MME đảm nhiệm chức năng
xử lý tất cả luồng báo hiệu (Control Plane) giữa E-UTRAN và EPC và P/S-GW đảm nhiệm
xử lý luồng dữ liệu (User Plane). MME thực chất là phiên bản nâng cấp phần mềm của

SGSN và P-S/GW là phiên bản nâng cấp phần mềm từ GGSN của mạng 3G.
Với việc cấu trúc mạng 4G loại bỏ đi 1 thành phần node mạng RNC trong khi tất cả luồng
báo hiệu của UE được xử lí riêng biệt tại phần tử MME, độ trễ (latency) trên mảng báo hiệu
đã giảm đi đáng kể so với mạng 3G.

4


2.1.2 Flow kết nối và chức năng cụ thể của các phần tử chính mạng 4G





Luồng báo hiệu (control plane) kết nối từ UE tới eNodeB thuộc E-UTRAN và được quản lý
bởi MME cho các thủ tục về xác thực thuê bao (luồng từ MME tới HSS), charge cước
(MME tới S-GW và PCRF), các thủ tục thiết lập kết nối, mobility, … (MME tới S/P-GW)
Luồng dữ liệu (user plane) kết nối từ UE tới eNodeB thuộc E-UTRAN và kết nối tới SAE
GW (S/P-GW) trước khi nối tới mạng ngoài.
5












-

Chức năng của các thành phần chính trên mạng 4G LTE:
eNodeB (Evolved NodeB) là phần tử mạng duy nhất của hệ thống quản lý chức năng vô
tuyến, hoạt động như cầu nối giữa UE và EPC. EnodeB là điểm cuối của tất cả các giao thức
vơ tuyến về phía UE và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản
về phía EPC. Các chức năng của eNodeB gồm có:
o Điều khiển quá trình truyển tải dữ liệu (báo hiệu và data) từ UE theo giao diện vô tuyến
và truyền tải dữ liệu tới EPC.
o Quản lí, cấp phát tài ngun vơ tuyến và lập lịch truyền dữ liệu cho UE.
o Quản lí tính di động (mobility) của UE, chuyển giao liên eNodeB hoặc định tuyến tới
MME và S-GW tương ứng cho UE trong quá trình di chuyển.
MME (Mobility Management Entity) là phần tử mạng thuộc EPC chịu trách nhiệm cho
luồng báo hiệu (control plane) giữa thành phần vô tuyến E-UTRAN và thành phần mạng lõi
EPC. Các chức năng của MME gồm có:
o Chức năng xác thực và bảo mật đối với UE
o Quản lí q trình UE detach/attach ra khỏi hoặc vào mạng.
o Quản lí tính di động của UE, lựa chọn S-GW và P-GW tương ứng
o Theo dõi trạng thái của UE và quản lý cơ chế paging.
o Quản lí EPS bearer
S-GW (Serving Gateway) là node mạng kết thúc giao diện hướng tới E-UTRAN đối với
luồng dữ liệu (user plane) và chuyển tiếp dữ liệu data tới EPC. Các chức năng chính của SGW gồm có:
o Định tuyến và chuyển tiếp các gói dữ liệu dữ liệu người sử dụng.
o Điểm chốt trong quá trình UE di chuyển liên e-NodeB và từ 4G sang 3G.
o Charge cước đối với các thuê bao roaming
P-GW (Packet Data Network Gateway) là node mạng nằm tại biên của EPC, giao tiếp với
mạng dữ liệu bên ngồi. Các chức năng của P-GW gồm có:
o Cấp phát địa chỉ IP cho UE

o Quản lí các chính sách về QoS
o Quản lí cơ chế charging
o Lọc gói tin Packet filtering
PCRF (Policy and Charging Resource Function) là node mạng chịu trách nhiệm lưu giữ
và thực thi các chính sách về charge cước thuê bao.
HSS (Home Subscription Server) là node mạng lưu giữ tồn bộ thơng tin profile của th
bao, dịch vụ thuê bao đăng ký ….
Một số giao diện chính của mạng 4G được quy ước như sau:
Giao diện
X2
S1
S5/S8
S11

Kết nối
Giữa các eNodeB
Giữa eNodeB và EPC
Giữa S-GW và P-GW
Giữa MME và S-GW
6


2.2 Kỹ thuật đa truy nhập đường Downlink OFDMA





OFDMA khắc phục được những nhược điểm của TDMA (2G) và CDMA (3G) đồng thời là
sự kết hợp ưu điểm của các kỹ thuật này.

OFDMA dựa trên phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, trong đó
dải tần cho phép được chia nhỏ thành rất nhiều các sóng mang con có dải tần hẹp 15 kHz và
trực giao với nhau.
OFDMA có hiệu suất sử dụng phổ tần cao nhưng cũng có tỉ lệ cơng suất PAR (Peak-toAverage), do đó khơng thể áp dụng cho đường uplink.

Theo dõi q trình phát triển từ cơng nghệ đa truy nhập từ 1G, 2G, 3G tới 4G:
Xuất phát điểm từ 1G FDMA: Điều chế đơn sóng mang, mỗi user được cấp 1 dải tần hẹp trong
dải tần cho phép và được phép sử dụng dải tần hẹp đó trong tồn bộ thời gian sử dụng dịch vụ.
Phát triển từ FDMA, 2G TDMA: Điều chế đơn sóng mang, mỗi user cũng được cấp 1 dải tần hẹp
như với FDMA, nhưng thay vì được một mình sử dụng dải tần hẹp đó, mỗi user sẽ được cấp 1
time slot xác định và các user được cấp cùng dải tần sẽ thay nhau truyền trong khoảng thời gian
của timeslot được cấp.
Tiến tới 3G CDMA: Đã khơng cịn có sự phân chia về tần số và thời gian cho user. Thay vào đó
tất cả các user đều cùng truyền trong một miền thời gian, cùng được điều chế đơn sóng mang và
được phân biệt với nhau bằng mã trực giao.

7


Và đối với 4G, 3GPP đã lựa chọn kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian và tần số với
công nghệ đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division
Multiple Access). OFDMA là kỹ thuật đa truy nhập dựa trên phương pháp ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), trong đó dải tần cho
phép được chia nhỏ thành rất nhiều các sóng mang con (sub-carrier) có dải tần hẹp 15 kHz và
trực giao với nhau.

Phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là trường hợp đặc biệt của
phương pháp điều chế đa sóng mang (multi-carrier modulation), trong đó 1 luồng dữ liệu tại
transmitter được phân tách thành nhiều luồng dữ liệu truyền song song, mỗi luồng dữ liệu đó sẽ
được đưa vào điều chế lên 1 sóng mang con (sub-carrier) và cuối cùng được ghép tại đầu ra của

transmitter. Các công nghệ đa truy nhập của FDMA, TDMA và CDMA đều sử dụng phương
pháp điều chế đơn sóng mang, luồng dữ liệu tại mỗi transmitter chỉ được điều chế lên 1 sóng
mang duy nhất.
Khi so sánh với các phương pháp điều chế đa sóng mang khác, điều đặc biệt của OFDM là ở chỗ
các sóng mang con (sub-carrier) có phổ tần chồng lên nhau và có tính trực giao với nhau. Tính
trực giao của các sóng mang con được đảm bảo tại mỗi thời điểm lấy mẫu của 1 luồng dữ liệu
điều chế trên 1 sóng mang con nhất định, dữ liệu lấy mẫu từ các sóng mang con khác đều bằng 0.
Với tính trực giao, đảm bảo các sóng mang con khơng gây nhiễu lẫn nhau.

8


Với các đặc tính như trên, OFDMA sẽ có ưu điểm và nhược điểm như sau:


Ưu điểm:
o OFDMA cho phép truyền luồng dữ liệu tổng hợp từ nhiều luồng dữ liệu trên sóng mang
con với tốc độ cao hơn nhiều so với việc truyền đơn sóng mang CDMA của 3G.
o Thêm vào đó, khi yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu tăng lên, tương ứng bắt buộc khoảng thời
gian cho 1 kí hiệu (symbol interval) sẽ phải ngắn lại. Đến một chừng mực nào đó, việc
truyền dữ liệu tốc độ cao tương đương với symbol có thời gian ngắn với phương pháp
điều chế đơn sóng mang như hiện tại đối với 3G CDMA sẽ có giới hạn, đến ngưỡng
symbol interval nhỏ hơn nhiều so với trễ đường truyền (propagation delay) thì nhiễu
xuyên ký hiệu ISI sẽ trở trành một vấn đề trầm trọng. Với việc truyền dữ liệu tốc độ thấp
(tương đương symbol interval ngắn) trên nhiều sóng mang con, OFDMA đã vợt qua giới
hạn này của 3G CDMA khi vấn đề với ISI sẽ được giảm đi đáng kể.
o Với việc các sóng mang con liên tiếp chồng lấn phổ tần số lên nhau, hiệu suất sử dụng
phổ tần cũng tăng lên đáng kể mà vấn đảm bảo không gây nhiễu lần nhau.
 Nhược điểm:
o LTE phải có thiết kế đảm bảo các sóng mang con ln trực giao, chống lại hiện tượng

dịch tần Doppler khi người dùng di chuyển với tốc độ cao. OFDM sẽ mất đi ý nghĩa nếu
tính trực giao của các sóng mang con khơng được đảm bảo.
o OFDM có tỉ lệ cơng suất peak/average (PAR) cao. Một cách tự nhiên, khi áp dụng điều
chế đa sóng mang, truyền với nhiều sóng mang con sẽ có thể dẫn tới hiện tượng chênh
lệch lớn về cơng suất giữa các sóng mang con. Mức độ chênh lệch càng lớn sẽ buộc
power amplifier của transmitter bù lại lượng cơng suất thiếu của một số các sóng mang
con so với sóng mang con có cơng suất peak. Mặc dù đây không phải chưa phải là vấn đề
9


với đường downlink từ eNodeB tới UE, đường uplink sẽ khiến UE tốn nhiều công suất
dành cho việc bù lại này, từ đó tăng giá thành và giảm tuổi thọ pin của đầu cuối cũng như
làm giảm đi hiệu suất cơng suất phát. Đây cũng là lí do OFDM khơng áp dụng được cho
đường uplink, mà cần phải có 1 phương pháp khác khắc phục hạn chế này.
2.3 Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA (Single Carrier FDMA)
SC-FDMA là trường hợp đặc biệt của OFDMA, khắc phục được nhược điểm tỷ lệ PAR cao của
OFDMA.
Với hạn chế của OFDMA về tỉ lệ PAR cao như đã trình bày ở trên, phải cần có phương pháp sử
dụng điều chế đơn sóng mang nhưng vẫn giữ lại được các ưu điểm của OFDMA. Và SC-FDMA
được lựa chọn là kỹ thuật đa truy nhập đường lên cho LTE bởi SC-FDMA thực chất là một
trường hợp đặc biệt của OFDMA trong đó SC- FDMA giữ lại hầu hết nguyên lý của OFDMA và
thỏa mãn điều kiện điều chế đơn sóng mang. SC-FMDA khơng điều chế 1 ký hiệu (symbol) lên 1
sóng mang con sub-carrier như OFDMA mà sẽ tách các bit của 1 symbol và ghép lên 1 sóng
mang con sub-carrier để từ đó tạo thành 1 carrier duy nhất.
Như ví dụ của hình vẽ bên dưới, đối với OFDM, 4 symbol được điều chế trên 4 sub-carrier, với
độ rộng mỗi sub-carrier 15kHz trong khi đối với SC-FDMA, 4 symbol được truyền chỉ trên 1
carrier có độ rộng 60 kHz. Để thực hiện được việc này, thiết bị đầu cuối uplink phải bổ sung
thêm thành phần DFT precoding với mục đích tách bit đơn lẻ của 1 symbol và mapping lần lượt
lên các sóng mang con trước khi tổng hợp dữ liệu truyền đi với mục đích đạt được việc truyền
trên 1 carrier tại đầu ra của tín hiệu cuối cùng.

Với các đặc tính như trên, SC-FDMA sẽ có ưu điểm và nhược điểm như sau:



Ưu điểm: Khắc phục được nhược điểm tỉ lệ công suất peak/average (PAR) cao của OFDMA
mà giữ nguyên các ưu điểm của OFDMA.
Tăng độ phức tạp về mặt thiết bị cho các thiết bị đầu cuối và eNodeB.

10


2.4 Kỹ thuật Cyclic Prefix chống lại hiệu ứng đa đường.



Cyclic Prefix (CP) là thành phần bit dư thừa đặt ở đầu mỗi symbol để chống lại hiện tượng
ISI sinh ra do hiệu ứng đa đường.
Lựa chọn độ dài của CP là trade-off giữa khả năng chống đa đường và hiệu suất sử dụng phổ
tần.

Hiệu ứng đa đường (multipath) là một trong những vấn đề lớn của lĩnh vực di động. Hiện tượng
này là kết quả của quá trình va đập, phản xạ từ các vật thể trong môi trường truyền. Tại đầu thu
sẽ nhận nhiều tín hiệu tại nhiều thời điểm khác nhau, dẫn tới hiện tượng nhiễu xuyên ký hiệu
(ISI). Hiệu ứng đa đường nếu không được giải quyết tốt sẽ tạo ra sự thăng giáng rất lớn về chất
lượng tín hiệu.

3G WCDMA đã khắc phục hiện tượng đa đường bằng cách sử dụng bộ thu RAKE với thuật tốn
cho trước để tổng hợp tất cả các tín hiệu đa đường tạo ra tín hiệu tốt nhất.
Tuy nhiên, khi yêu cầu về tốc độ dữ liệu ngày càng cao như đối với 4G thì khi tới mức độ nhất

định, bộ thu RAKE tại đầu thu đòi hỏi mức độ phức tạp quá cao, làm tăng chi phí và tuổi thọ pin
của thiết bị đầu cuối. Do đó, một phương pháp khác (Cyclic Prefix) đã được áp dụng cho 4G để
khắc phục hạn chế này.
Cyclic Prefix là phương pháp sử dụng 1 số lượng bit nhất định tại phần cuối của 1 symbol, được
copy lên phần đầu của symbol đó. Phần tiền tố dư thừa này được gọi là Cyclic Prefix.

11


Không dùng Cyclic Prefix

Sử dụng Cyclic Prefix



Nếu không sử dụng Cyclic Prefix, thành phần tín hiệu phản xạ của symbol thứ N, do đến
chậm, sẽ gây nhiễu cho symbol thứ N+1 và làm mất đi tính trực giao của OFDM. Mỗi
symbol sẽ có thời gian symbol interval = Tn.
 Mỗi symbol sau khi thêm phần tiền tố này sẽ có thời gian dài hơn Tn+ Tcp. Tại đầu thu, quá
trình giải điều chế với mỗi symbol sẽ quy ước loại bỏ đi 1 lượng đúng bằng Cyclic Prefix, từ
đó đảm bảo tín hiệu đa đường của symbol thứ N khơng gây nhiễu cho symbol N+1.
 Để đảm bảo điều này, độ dài của Cyclic Prefix phải đủ dài để lớn hơn độ trễ lớn nhất của tất
cả các đường phản xạ tức là phần dư thừa được loại bỏ khi giải điều chế đã bao gồm thành
phần nhiễu do đa đường. Tuy nhiên, độ dài này không thể tăng tới 1 con số quá lớn do tính
chất của việc chèn thêm 1 số lượng bit dư thừa vào phần đầu của mỗi symbol làm hiệu suất
sử dụng phổ tần giảm đi. Một Cyclic Prefix thông thường sẽ kéo dài 4.7 micro second,
tương đương với trễ đường truyền 1.4 Km.
2.5 Công nghệ MIMO (Multiple Input- Multiple Output)



MIMO là công nghệ sử dụng nhiều anten thu phát tại thiết bị đầu cuối và tại eNodeB.
Áp dụng MIMO có những ưu điểm so với 3G: Tăng tốc độ truyền dữ liệu, tăng hiệu suất phổ
tần và dung lượng hệ thống, mở rộng vùng phủ tại biên cell và có khả năng chống hiệu ứng
fading tốt hơn.

2.5.1 Khái niệm
MIMO là công nghệ anten được giới thiệu từ năm 1998 áp dụng trong lĩnh vực thơng tin vơ
tuyến trong đó dữ liệu truyền đồng thời trên nhiều anten thu phát để có được độ lợi phân tập sau
khi tổng hợp tín hiệu ở thiết bị thu.

12


Một hệ thống MIMO được chia thành MIMO Downlink và MIMO Uplink. Với 1 hệ thống
MIMO có cấu hình X x Y Downlink sẽ yêu cầu X TRX tại eNodeB và Y TRX tại UE và MIMO
X x Y Uplink sẽ có X TRX tại UE và Y TRX tại eNodeB. Tuy nhiên tại thời điểm hiện tại, do
khả năng hỗ trợ của hầu hết UE trên thị trường chỉ hạn chế 1 Tx, hệ thống MIMO 2x2 hoặc 4x4
Downlink (hay gọi tắt là MIMO 2Rx hoặc 4Rx) sẽ chỉ có 1Tx/2Rx hoặc 1Tx/4Rx tại UE.
Các cấu hình MIMO áp dụng thực tế:
Cấu hình MIMO
2Rx (MIMO 2x2 Downlink)
4Rx (MIMO 4x4 Downlink)

NodeB
Số lượng Tx
Số lượng Rx
2
2
4

4

UE
Số lượng Tx
1
1

Số lượng Rx
2
4

Ghi chú: Số lượng Rx tại UE phụ thuộc vào dòng thiết bị đầu cuối. UE Cat 2 tới Cat 4 hỗ trợ 2
Rx. Từ Cat 5 trở đi, UE có khả năng hỗ trợ 4 Rx.
2.5.2 Cơ chế hoạt động
MIMO có 3 cơ chế tồn tại đồng thời là beam-forming , spatial diversity và spatial multiplexing
với điều kiện hoạt động và độ lợi phân tập (gain) khác nhau. Việc áp dụng cơ chế nào cho từng
UE dựa vào điều kiện hoạt động của mỗi cơ chế.


Điều kiện hoạt động:

Dựa trên điều kiện vô tuyến do UE đo đạc và báo cáo lên eNodeB, bộ lập lịch (scheduler) của
eNodeB sẽ chọn ra cơ chế hoạt động thích hợp đối với từng UE.


Cơ chế hoạt động:
Cơ chế

Đặc điểm

Mục đích sử dụng

Điều kiện áp dụng

Kết quả

Beamforming

Tất cả công suất phát
downlink đượctập trung vào
1 nhánh anten (Tx) có khả
năng chống nhiễu tốt nhất

Cải thiện chất
lượng vùng phủ tại
biên cell

Trong điều kiện chất
lượng các kênh
truyền cho UE tồi, áp
dụng cho đường
downlink

Độ lợi phân tập
Array Gain – mức độ
cải thiện SNR tại
nhánh anten phát

Spatial
Diversity

Truyền cùng 1 dữ liệu trên
các nhánh anten (Tx), các tín
hiệu nhận được tại đầu thu sẽ
được chọn lọc để thu được
tín hiệu tốt nhất

Tăng khả năng
chống lại hiệu ứng
fading

Trong điều kiện chất
lượng các kênh
truyền cho UE tồi, áp
dụng cho đường
uplink

Độ lợi phân tập
Diveristy Gain – tỷ lệ
thuận với số lượng
anten phân tập
thu/phát

Spatial
Multiplexing

Tách từ 1 luồng dữ liệu tốc
độ cao tách thành luồng dữ
liệu độc lập có tốc độ chậm
hơn trên các nhánh (Tx)

anten phát

Tăng tốc độ dữ
liệu, dung lượng
hệ thống và hiệu
suất sử dụng phổ
tần

Trong điều kiện chất
lượng các kênh
truyền cho UE tốt

Độ lợi phân tập
Multiplexing Gain –
tăng tốc độ lên số lân
tỷ lệ thuận với số
lượng anten thu/phát

13


Beam-forming

Spatial Diversity

Spatial Multiplexing



Ưu điểm của việc sử dụng MIMO ở 4G LTE so với 3G WCDMA

o Tăng chất lượng vùng phủ tại biên cell (cell edge) khi sử dụng cơ chế beamforming của
MIMO.
o Tăng khả năng chống lại hiệu ứng fading với cơ chế Spatial Diveristy, mức độ cải thiện tỉ
lệ thuận với số lượng anten thu phát được sử dụng.
o Tăng tốc độ dữ liệu, dung lượng hệ thống và hiệu suất sử dụng phổ tần khi sử dụng cơ
chế spatial multiplexing của MIMO
 Nhược điểm của MIMO là làm tăng độ phức tạp khi đòi hỏi nhiều anten hơn ở eNodeB và
thiết bị đầu cuối của người dùng.
2.6 Cấu trúc khung dữ liệu của LTE
Cấu trúc khung dữ liệu của LTE có 2 loại khác nhau, phụ thuộc vào cơ chế được chọn là FDD
hay TDD.
2.6.1 Cấu trúc khung LTE FDD Type 1
Dưới góc nhìn cấu trúc khung vật lý, với cơ chế FDD, 1 khung dữ liệu (radio frame) có độ dài 10
ms, chia làm 10 sub-frame có độ dài mỗi sub-frame 1ms. Trong đó, mỗi sub-frame bao gồm 2
time slot, mối time slot có độ dài 0.5 ms.

14


Trong đó, cấu trúc của 1 time slot là tổng hợp của tất cả các OFDM symbol trên tất cả các sóng
mang con sub-carrier. Trong trường hợp dải tần kênh 10 MHz được sử dụng, mỗi time slot sẽ l 1
mảng (array) của 600 sub-carrier trong đó mỗi sub-carrier chứa 7 OFDM symbol.

Dưới góc nhìn tài ngun được cấp phát cho UE, 1 Resource Block (RB) là đơn vị tài nguyên
nhỏ nhất được cấp phát cho 1 user. RB có độ rộng tần 180 kHz, chứa 12 sóng mang con subcarrier. Trong 1 RB lại được phân chia thành đơn vị nhỏ hơn là Resource Element (RE), với 1
RE tương ứng với 1 symbol trên 1 sub-carrier. Qua đó, tài nguyên vô tuyến được cấp cho user
theo cả miền thời gian và tần số một cách linh hoạt.

15

2.6.2 Cấu trúc khung LTE TDD Type 2
Cấu trúc khung dữ liệu của LTE TDD tương tự với LTE FDD. Tuy nhiên, với đặc điểm của cơ
chế TDD khi cả 2 đường downlink và uplink đều truyền trên 1 băng tần và phân biệt nhau về
miền thời gian, cấu trúc khung dữ liệu cũng được tách tương ứng, cụ thể

Tương tự như đối với LTE FDD, một radio frame truyền trên kênh có độ dài 10ms. Với mỗi
radio frame, để đáp ứng đặc điểm của cơ chế TDD, mỗi frame được tách thành 2 half-frame có
độ dài 5 ms. Mỗi half-frame được chia tiếp thành 5 sub-frame, mỗi sub-frame dài 0.1 ms. Cấu
trúc của sub-frame đối với TDD hoàn toàn tương tự với FDD. Điều khác biệt ở cấu trúc halfframe của TDD là ở chỗ, tại mỗi half-frame, sub-frame 0 và 5 luôn dành cho truyền downlink. S
sub-frame 1 và 6 là guard band của đường downlink và uplink.
2.7 Các đặc tính kỹ thuật về tốc độ và bán kính cell của 4G LTE
2.7.1 Tốc độ dữ liệu peak trên lý thuyết
Dải tần

Cấu hình
MIMO

Điều chế

2Rx
10 MHz

Tốc độ dữ liệu thực (không bao gồm báo hiệu)
77 Mbps DL/24 Mbps UL

64 QAM
4 Rx

150 Mbps DL/24 Mbps UL

16


2Rx

116 Mbps DL/36 Mbps UL

4 Rx

230 Mbps DL/36 Mbps UL

2Rx

155 Mbps DL/49 Mbps UL

4 Rx

300 Mbps DL/49 Mbps UL

15 MHz

20 MHz

2.7.2 Throughput trung bình của cell (Average Cell Throughput)



Throughput trung bình của cell tỷ lệ thuận với độ rộng của dải tần, từ throughput 1 Mbps
cho dải tần 1.4 MHz tới 13.5 Mbps cho dải tần 20 MHz khi xét tới ví dụ cùng khoảng cách

trạm-trạm (ISD) 500m.
 Throughput trung bình của cell tỷ lệ nghịch với khoảng cách trạm-trạm, từ 11Mbps cho
500m khoảng cách trạm-trạm xuống còn 3 Mbps với 9000m khoảng cách trạm-trạm, khi xét
tới cùng dải tần 15 MHz.
2.7.3 Bán kính cell (Cell range)



Bán kính cell được tính tốn dựa trên tổng suy hao trên đường truyền vô tuyến.
Xét với cùng một độ rộng dải tần, bán kính cell giảm dần với khi băng tần LTE tăng từ 900
MHz tới 2600 MHz và tăng dần với loại địa hình triển khai từ thành phố tới vùng làng quê.

17




Bán kính cell tỷ lệ nghịch với throughput trung bình của cell. Các cell có thiết kế với bán
kính càng lớn thì sẽ có throughput trung bình càng thấp và ngược lại.

III.Tổng kết







Sử dụng phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM kết hợp điều chế
bậc cao 64 QAM và công nghệ MIMO, 4G LTE Rel8 có tốc độ truyền dữ liệu vượt trội so

với 3G.
Với cấu trúc mạng tinh giảm và phân tách luồng control plane/user plane kết hợp với cấu
trúc khung dữ liệu 10ms, LTE 4G đạt được một bước tiến nữa về độ trễ cho cả luồng báo
hiệu và dữ liệu.
Với việc sử dụng OFDM và MIMO, hiệu suất sử dụng phổ tần của LTE 4G cũng tăng lên
đáng kể so với 3G.
Và điểm khác biệt cuối cùng của 4G LTE với 3G WCDMA nằm ở mức độ linh hoạt trong
việc lựa chọn triển khai băng tần cũng như linh hoạt trong cấp phát tài nguyên vô tuyến cho
người dùng.

18