Đề tài Lớp vật lý của E-UTRAN

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG 1
***

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN
Giáo viên hướng dẫn : Gv. Nguyễn Viết Đảm
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thành Tiến
Lớp : D2005VT2
Hà Nội - 2009











N
G
U
Y
Ễ
N

T

H
À
N
H

T
I
Ế
N

L
Ớ
P

V
Ậ
T

L
Ý

C
Ủ
A

E
-
U
T
R
A
N

D
2
0
0
5
V

T
2
















HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG 1
***

§å ¸n
tèt nghiÖp ®¹i häc
Đề tài:
LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN
Giáo viên hướng dẫn : Gv. Nguyễn Viết Đảm
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thành Tiến
Lớp : D2005VT2

Hà Nội - 2009
KHOA VIỄN THÔNG I
o0o
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
o0o
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên : Nguyễn Thành Tiến
Lớp : D2005VT2
Khóa : 2005 – 2009
Ngành : Điện tử - Viễn thông
Tên đồ án:
LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN
Nội dung đồ án:
- Tổng quan về công nghệ LTE
- Lớp vật lý của E-UTRAN
- Mô phỏng điều chế SC-FDMA cho đường lên
Ngày giao đồ án : 05/10/2009
Ngày nộp đồ án : 31/12/2009
Ngày tháng năm 2009
Giáo viên hướng dẫn

Gv. Nguyễn Viết Đảm
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN
Điểm : (Bằng chữ : )
Ngày tháng năm 2009
Giáo viên hướng dẫn
Gv. Nguyễn Viết Đảm
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
Điểm : (Bằng chữ : )
Ngày tháng năm 20

Giáo viên phản biện
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN iv
Giáo viên hướng dẫn iv
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN v
MỤC LỤC i
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH VẼ v
DANH MỤC HÌNH VẼ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
ix
ix
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT x
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT x
LỜI NÓI ĐẦU xii
LỜI NÓI ĐẦU xii
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1
1.1.Mở đầu 1
1.1.1. Quá trình chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP 1
1.1.2. Phát triển dài hạn LTE 2
1.2.Tổng quan công nghệ LTE 4
1.2.1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE 5
1.2.1.1.Các khả năng của LTE 5
1.2.1.2.Hiệu năng hệ thống 6
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
1.2.1.3.Khía cạnh về việc triển khai 8
1.2.1.4.Quản lí tài nguyên vô tuyến 9

1.2.1.5.Vấn đề về mức độ phức tạp 10
1.2.2. Các tính năng then chốt của LTE 11
1.2.2.1.Sơ đồ truyền dẫn 11
1.2.2.2.Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ 12
1.2.2.3.Điều phối nhiễu giữa các ô 13
1.2.2.4.HARQ với kết hợp mềm 14
1.2.2.5.Hỗ trợ đa anten 14
1.2.2.6.Hỗ trợ quảng bá và đa phương 14
1.2.2.7.Linh hoạt phổ 15
1.3. Kiến trúc mô hình LTE 16
1.4.Tổng kết 18
CHƯƠNG 2 LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN 20
CHƯƠNG 2 LỚP VẬT LÝ CỦA E-UTRAN 20
2.1. Kiến trúc của trạm gốc 20
2.2. Sơ đồ đường xuống của E-UTRAN 22
2.2.1. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 22
2.2.1.1. Máy phát 23
2.2.1.2. Máy thu 28
2.2.2. Tín hiệu và kênh vật lý đường xuống 32
2.2.3. Kiến trúc máy phát tín hiệu vật lý 33
2.2.3.1. Ghép kênh dữ liệu đường xuống 34
2.2.3.2. Sơ đồ điều chế 38
2.2.3.3. Mã hóa kênh 39
2.2.3.4. Bộ tạo tín hiệu OFDM 39
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
2.2.4. Thích ứng đường truyền hướng xuống 40
2.2.5. HARQ 41
2.2.6. Bộ lập lịch gói đường xuống 42
2.3.Sơ đồ đường lên của E-UTRAN 44
2.3.1 Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 44

2.3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA 44
2.3.1.2. SC-FDMA với tạo dạng phổ 50
2.3.2. Sắp xếp các sóng mang 52
2.3.3. Biểu diễn tín hiệu SC-FDMA miền thời gian 54
2.3.3.1. IFDMA trong miền thời gian 54
2.3.3.2. LFDMA trong miền thời gian 56
2.3.3.3. DFDMA trong miền thời gian 57
2.3.4. Cấu trúc khung tổng thể miền thời gian 61
2.3.5. Các tín hiệu tham khảo 67
2.3.5.1. Nhiều tín hiệu tham khảo 70
2.3.5.2. Các tín hiệu tham khảo để thăm dò kênh 71
2.3.6. Xử lí kênh truyền tải đường lên 72
2.3.6.1. Chèn CRC 72
2.3.6.2. Mã hóa kênh 72
2.3.6.3. Chức năng HARQ của lớp vật lý 73
2.3.6.4. Ngẫu nhiên hóa mức bít 74
2.3.6.5. Điều chế số liệu 74
2.4. Tổng kết 76
76
76
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ SC-FDMA CHO ĐƯỜNG LÊN 77
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ SC-FDMA CHO ĐƯỜNG LÊN 77
3.1. Mở đầu 77
3.2. Phân tích các đặc tính PAPR của SC-FDMA và kết quả mô phỏng 79
3.2.1. Kết quả mô phỏng PAPR với cùng hệ số Rolloff 84
3.2.2. Kết quả mô phỏng PAPR với tạo dạng xung và không định dạng xung 86
3.2.3. Kết quả mô phỏng PAPR với hệ số Rolloff khác nhau 88
3.3 Thông lượng hệ thống SC-FDMA 90
3.4 SER hệ thống SC-FDMA 94

KẾT LUẬN 101
KẾT LUẬN 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP 1
Hình 1.2. Hội thảo nghiên cứu LTE 3
Hình 1.3. Tiến trình phát triển 3G lên 4G 4
Hình 1.4. Chuyển đổi trạng thái trong LTE 5
Hình 1.5. Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE 6
Hình 1.7. Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi 10
Hình 1.8. Các trạng thái UE trong UMTS 10
Hình 1.9. Lập biểu đường lên và đường xuống 13
Hình 1.12. Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng
chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt 16
Hình 1.13. Kiến trúc mô hình LTE sau khi đã chuyển giao 17
Hình 1.14. Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822 18
Hình 2.1. Kiến trúc trạm gốc E-UTRAN 21
Hình 2.2. Ký hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM 23
Hình 2.3. Sơ đồ khối của một hệ thống OFDM 23
Hình 2.4. Trình bày OFDM (sau chèn CP) trong miền thời gian và tần số 25
Hình 2.5. Giải thích ý nghĩa chèn CP. a) không chèn CP, b) chèn CP 26
Hình 2.6. Minh họa quá trình tích chập quay vòng giữa đáp ứng kênh xung kim h và
xCP 29
Hình 2.7. Hệ thống thông tin OFDM băng gốc với các tín hiệu ở dạng vector 30
Hình 2.8. Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM trong không gian hai chiều (tần số -
thời gian) 31
Hình 2.9. Các kênh vật lý đường xuống 33
Hình 2.10. Tổng quan về bộ tạo tín hiệu băng gốc đường xuống 34

Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
Hình 2.11. Lưới tài nguyên thời gian-tần số đường xuống 35
Hình 2.12. Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống 37
Hình 2.13. Bộ tạo tín hiệu OQAM/OFDM 39
Hình 2.14. Cơ cấu bộ lập lịch gói 44
Hình 2.15. Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA và OFDMA 45
Hình 2.16. Minh họa việc chèn CP 47
Hình 2.17. Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA 48
Hình 2.18. PAPR của SC-FDMA và OFDMA 49
Hình 2.19. PAPR với các kiểu điều chế khác nhau 50
Hình 2.20. Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA 50
Hình 2.21. Phân bố PAPR với hệ số Rolloff 51
Hình 2.23. Sắp xếp các sóng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA 53
Hình 2.24. Hai phương pháp cấp phát cho các người dùng (3 người dùng, 12 sóng
mang, 4 song mang/ người dùng) 53
Hình 2.26. Các kí hiệu truyền dẫn SC-FDMA trong miền thời gian 59
Hình 2.27. Biên độ các kí hiệu SC-FDMA 60
Hình 2.28. PAPR của các tín hiệu SC-FDMA 61
Hình 2.29. Cấu trúc khung trong miền thời gian 62
Hình 2.32. Ấn định tài nguyên đường lên LTE 65
Hình 2.33. Nhảy tần đường lên LTE 65
Hình 2.35. các tín hiệu tham khảo được chèn vào khối thứ tư từng khe đường lên 68
Hình 2.39. Bộ mã hóa Turbo 73
Hình 2.40. Chức năng HARQ của lớp vật lý 73
Hình 2.41. Khối xử lý DFT-OFDM của ký các kí hiệu 74
Hình 2.42. Xử lý kênh truyền tải đường lên LTE 75
78
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
Hình 3.1. Giao diện chương trình 78
80

Hình 3.2. Giao diện chính của chương trình mô phỏng PAPR 80
Hình 3.3. Thuật toán mô phỏng 83
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0.45, điều chế QPSK 84
84
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0.45, điều chế 16-QAM 84
Hình 3.6. Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0.45, điều chế 64-QAM 85
Hình 3.7. Kết quả với định dạng xung và không định dạng xung với điều chế QPSK.86
Hình 3.8. Kết quả với định dạng xung và không định dạng xung với điều chế 32QAM
87
Hình 3.9. Kết quả với định dạng xung và không định dạng xung với điều chế 64QAM
87
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0,15, điều chế QPSK 88
89
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng với Rolloff = 0,99, điều chế QPSK 89
91
Hình 3.12. Giao diện mô phỏng thông lượng SC-FDMA 91
Hình 3.13. Kết quả mô phỏng thông lượng hệ thống SC-FDMA 93
Hình 3.14. Thông lượng hệ thống với kiểu điều chế 8-QAM 94
95
Hình 3.15. Giao diện chương trình so sánh SER 95
Hình 3.16. Sơ đồ thuật toán tính toán SER 96
Hình 3.17. SER hai hệ thống SC-FDMA và OFDMA với mô hình kênh cho người đi
bộ di chuyển với vận tốc 3 Km/h 97
Hình 3.18. SER hai hệ thống SC-FDMA và OFDMA với mô hình kênh cho người đi
bộ di chuyển với vận tốc 3 Km/h 98
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
Hình 3.19. SER trong hai điều kiện kênh khác nhau 99
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường

xuống và HSDPA 6
Bảng 1.2. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường
lên và HSDPA 7
Bảng 1.3. Yêu cầu gián đoạn cho LTE 9
Bảng 2.1 Các thông số cho sơ đồ truyền dẫn đường xuống 31
Bảng 2.2 Các thông số khối tài nguyên 36
Bảng 2.3 Băng thông khối tài nguyên vật lý và số khối tài nguyên vật lý phụ thuộc vào
băng thông 36
Bảng 2.4 Các thông số OFDM 40
Bảng 2.5. Các thông số khối tài nguyên đường lên LTE 66
Bảng 2.6. Các thông khả dụng đường lên LTE 67
Bảng 3.1 Các thông số giả thiết cho quá trình mô phỏng 78
Bảng 3.2. PAPR với các kiểu điều chế khác nhau với cùng hệ số Rolloff 85
Bảng 3.3. So sánh PAPR các lược đồ truyền dẫn với trường hợp định dạng xung và
không định dạng xung 88
Bảng 3.4. PAPR với hệ số Rolloff khác nhau khi cùng kiểu điều chế QPSK 89
Bảng 3.5. Giá trị SNR tại các vị trí đỉnh 93
Bảng 3.6. SER của các tín hiệu với mô hình kênh cho người đi bộ 97
Bảng 3.7. SER của các tín hiệu với mô hình kênh cho phương tiện 98
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
A
ACK/NACK Acknowledgement/ Non-
Acknowledgement
Công nhận/ Không công nhận
B
BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bít
C
CAZAC Constant Amplitude Zero Auto-
Correlation

Tự tương quan bằng không biên độ
không đổi
CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh
CDS Channel Depend Schedule Lập lịch phụ thuộc kênh
CP Cyclic Prefix Tiền tố chu trình
CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh
C-RNTI Cell Radio Network Temporary
Identifier
Số nhận dạng ô tạm thời
D
DFDMA Distributed FDMA FDMA phân bố
DFTs-OFDM DFT spread OFDM OFDM trải phổ
DS-CDMA Direct Sequence-CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã
chuỗi trực tiếp
E
eNodeB E-UTRAN Node B Nút B của E-UTRAN
EPC Evolved packet Core Lõi gói phát triển
E-UTRA Evolved UTRA Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
phát triển
F
FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần
số
FDMA Frequency Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo tần số
G
GERAN GSM EDGE Radio Access
Network
Mạng truy nhập vô tuyến GSM
EDGE
GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đường hầm GPRS
H

Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
HARQ Hybrid Automatic Repeat RequestYêu cầu phát lại tự động linh hoạt
HSDPA High Speed Downlink packet
Access
Truy nhập gói đường xuống tốc độ
cao
HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
HSS Home Subcriber Server Server thuê bao nhà
HSUPA High Speed Uplink packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao
I
IFDMA Interleaved FDMA FDMA đan xen
IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP
IMT-2000 International Mobile
Telecommunication 2000
Thông tin di động quốc tế 2000
ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí hiệu
L
LFDMA Localized FDMA FDMA khoanh vùng
LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn
M
MBMS Multimedia Broadcast Multicast
Service
Dịch vụ quảng bá đa phương đa
phương tiện
MME Mobile management Entity Thực thể quản lí di động
MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình cực
tiểu
P
PAPR Peak to avegare Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình

PCRF Policy and Charing Rules Fuction Chức năng quy tắc tinh cước và
chính sách
P-GW Packet Data Network – Gateway Cổng mạng dữ liệu gói
PS Pulse Shaping Tạo dạng xung
PSR Packet Success Ratio Tỷ lệ gói thành công
PUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên vật lý
Q
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
QPSK Quatrature phase Shift Key Khóa chuyển pha vuông góc
R
RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến
RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến
RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến
RU Resource Unit Đơn vị tài nguyên
S
SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc mạng
SC/FDE Single Carrier/ Frequency
Domain Equalizer
Đơn sóng mang/ bộ cân bằng miền
tần số
SC-FDMA Single Carier – frequency
Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia tần số đơn
sóng mang
SC-CFDMA Single Carrier – Code FDMA Đa truy nhập phân chia tần số mã
đơn sóng mang.
SGSN Serving GPRA Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ
SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
T

TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời
gian
TD-SCDMA Time Division-Synchronous Code
Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
đồng bộ-phân chia theo thời gian
TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát
U
UL-SCH Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên
UPE User Plane Entity Thực thể mặt phẳng người sử dụng
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access
Network
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS
W
WCDMA Wideband Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng
LỜI NÓI ĐẦU
Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra máy
điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang được
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷ
nguyên mới. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụ
mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử dụng khoảng
không gian thời gian và số lượng các thuê bao. Các xu hướng này đang tiếp tục tăng
trong những năm tới. Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều
loại hình dịch vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi. Các dịch vụ được
cung cấp cho thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao,

video và multimeadia cũng như dịch vụ thoại. Mạng thông tin di động 3G đã được
triển khai rộng khắp ở nhiều nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Ở nước ta hiện
nay các mạng di động lớn như Vinaphone, Viettel và Mobilphone đã và đang triển
khai dịch vụ 3G một cách rộng khắp.
Mặt khác, cùng với nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng
và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video,
hình ảnh và dữ liệu. Để đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó,
các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các
tổ chức trên thế giới. Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất
yếu. 3GPP LTE một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đường khác nhau
tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giá thành dịch vụ cũng
như thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụ hiện tại và tương lai. Đồng thời
để làm cho công nghệ 3GPP UTRA/UTRAN mang tính cạnh tranh với các công nghệ
khác như Wimax và công nghệ 3GPP2, 3GPP quyết định phát triển E-UTRA và E-
UTRAN còn được gọi là siêu 3G hay LTE thực chất là giai đoạn đầu của 4G. Theo đó,
em chọn đề tài nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: “Lớp vật lý của E-UTRAN“. Nội
dung của đề tài gồm 3 chương sau:
Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE. Nhằm có được cái nhìn tổng quan
về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP thông qua LTE cùng với các mục tiêu yêu cầu
cả về giao diện vô tuyến cũng như kiến trúc mạng. Chương I cũng trình bày các đặc
tính quan trọng của LTE để có cái nhìn chi tiết hơn về công nghệ 3GPP LTE.
Chương II: Lớp vật lý của E-UTRAN. Trình bày chi tiết lớp vật lý của E-
UTRAN như kiến trúc của trạm gốc, các kỹ thuật được sử dụng cho đường lên và
đường xuống như OFDM cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên, MIMO,
HARQ, thích ứng đường truyền và đồng thời cũng đưa ra các kênh vật lý cho đường
lên và đường xuống.
Chương III: Mô phỏng điều chế SC-FDMA cho đường lên. Sử dụng phần
mềm mô phỏng Matlab để mô phỏng và so sánh SC-FDMA ở đường lên với OFDMA
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
để thấy rằng SC-FDMA cải thiện đáng kể nhược điểm của OFDM cho đường lên đó là

giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình. Ngoài ra chương trình mô phỏng
còn đánh giá hiệu suất thông lượng LTE đường lên.
Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chế
nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm. Em rất mong nhận được sự phê
bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của Thầy Nguyễn Viết
Đảm cùng các Thầy cô trong khoa Điện tử-Viễn thông để em hoàn thành đề tài tốt
nghiệp này. Rất mong được sự chỉ dẫn của các thầy cô cũng như ý kiến đóng góp của
bạn bè.
Hà Nội, ngày 31 tháng 12 năm 2009
Sinh viên:
Nguyễn Thành Tiến
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE
1.1. Mở đầu
1.1.1. Quá trình chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP
Từ khi ra đời cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trở thành một ngành
công nghiệp viễn thông phát triển rất nhang chóng. Không chỉ có dịch vụ thoại được
triển khai trên hạ tầng mạng viễn thông di động mà cùng với nó là các loại hình dịch
vụ khác như hình ảnh, dữ liệu đang gia tăng cả về số lượng lẫn chất lượng. Để đáp
ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin di
động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới.
Tổ chức 3GPP là một tổ chức được giao trách nhiệm phát triển và hài hòa tiêu
chuẩn HSPA. Trước đó tổ chức này đã được giao nhiệm vụ tiêu chuẩn hóa cho
WCDMA - Một chuẩn cho hệ thống 3G đã được ITU chấp nhận và đưa vào hoạt động.
Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008 được tổng
kết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình vẽ sau.
Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP
Mốc đầu tiên cho WCDMA đã đạt được vào cuối năm 1999 khi phát hành R3
được công bố chứa toàn bộ các đặc tả WCDMA. Phát hànhh R4 được đưa ra sau đó

vào cuối năm 2001. Tiếp theo là phát hành R5 được đưa ra vào năm 2002 và R6 được
đưa ra vào năm 2004. Phát hành R7 được đưa ra vào nửa cuối năm 2007.
Nguyễn Thành Tiến, D2005VT2 1
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
Truy nhập gói tốc độ cao HSPA
Ở phiên bản đầu tiên R99, dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu được cải
thiện đáng kể. Luồng tốc số liệu có thể đạt đến tốc độ 2 Mbps ở những điểm nóng.
Nhưng khi các dịch vụ số liệu được đưa vào triển khai trên các mạng thương mại thì
dung lượng, tốc độ vẫn là những đòi hỏi cần phải được giải quyết. Do đó, bước cải tiến
đầu tiên đối với WCDMA được đánh dấu bởi sự ra đời của kênh truyền tải mới HS-
DSCH ở R5 được hoàn thành vào đầu năm 2002. Những cải tiến trong R5 này thường
được nhắc đến với một tên gọi HSDPA. Sự ra đời của HSDPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽ
các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn như các dịch vụ tương tác, dịch vụ
nền, dịch vụ streaming. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14,4 Mbps.
Qua thực tế triển khai các mạng di động 3G cho thấy có rất nhiều dịch vụ số
liệu phổ biến yêu cầu tốc độ truyền dẫn trên hai hướng từ MS đến NodeB và ngược lại
có tốc độ tương đương nhau như các dịch vụ real-time gaming và các dịch vụ trên nền
TCP/IP. Trong khi đó, R5 mới chỉ đưa ra giải pháp để hỗ trợ mạnh mẽ việc truyền dẫn
bất đối xứng với tốc độ truyền dẫn trên kênh đường xuống cao hơn rất nhiều so với
kênh đường lên. Nhược điểm này của R5 được khắc phục trong R6 được hoàn thành
vào đầu năm 2005 với tên gọi HSUPA, cải tiến kênh đường lên và là bước cải tiến thứ
hai đối với chuẩn mạng truy nhập vô tuyến WCDMA. Những cải tiến trong R6 đã
nâng tốc độ truyền dẫn trên kênh đường lên đạt đến tốc độ 5.4 Mbps dung lượng kênh
tăng lên gấp hai lần so với kênh truyền tải đường lên trong R99.
Cả hai mạng HSDPA và HSUPA được gọi với cái tên chung là HSPA. Các
mạng HSDPA đầu tiên được thương mại hóa vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào
thương mại năm 2007.
1.1.2. Phát triển dài hạn LTE
Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới. 3GPP đã tiến hành nghiên
cứu để cải thiện hiệu năng của UMTS bằng việc đưa ra các phát hành R5 và R6 với

các tính năng như HSDPA, HSUPA và MBMS. Với tốc độ tối đa là 14,4 Mbps đối với
đường xuống và phát hành R7 HSPA+ (HSPA Evolution) với tốc độ tối đa là 42Mbps.
Các phiên bản trên mặc dù đươc cải tiến khá nhiều song tốc độ thực sự chưa cao để có
thể đáp ứng tốt hơn cho các dịch vụ hiện tại và trong tương lai. Hơn nữa cùng với sự
xuất hiện công nghệ WiMAX 802.16 đã được IEEE chuẩn hóa với tốc độ lên tới hàng
trăm Mbps. Đứng trước tình hình đó 3GPP đã nghiên cứu và đưa ra công nghệ LTE
Nguyễn Thành Tiến, D2005VT2 2
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
hay gọi là Super 3G. Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004 đầu năm 2005, nhằm đảm
bảo tính cạnh tranh của mạng 3G trong vòng 10 năm tới.
Hình 1.2. Hội thảo nghiên cứu LTE
Super 3G đang được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, các thông số kỹ thuật cốt lõi
của Super 3G đã được phê chuẩn. Super 3G với ưu điểm truyền dữ liệu có độ trễ thấp
và nâng cao hiệu qủa sử dụng phổ tần số, là một bước tiến dài so với chuẩn HSPA của
mạng W-CDMA, công nghệ nguyên thủy của truyền dữ liệu gói 3G. Super 3G được
đánh giá đã đạt đến 3,9G, đã tiến đến rất gần trên con đường phát triển mạng băng
thông rộng di động tốc độ cao tiên tiến thế hệ thứ tư, thế hệ 4G.
LTE là một trong số các con đường tiến lên 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn
đầu của 4G, tiếp theo đó là IMT Advance 4G. LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3G
UMTS sang giai đoạn đầu 4G sau đó sẽ là IMT Advance. Ngoài LTE của 3GPP thì
3GPP2 cũng đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2
đưa ra là UMB. Chương trình khung của kế hoách này bắt đầu từ năm 2000. Ngoài ra
WiMAX cũng có kế hoạch lên 4G.
Nguyễn Thành Tiến, D2005VT2 3
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
Hình 1.3. Tiến trình phát triển 3G lên 4G
Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 4G được gọi là LTE cho phần vô
tuyến và SAE cho phần mạng.
1.2. Tổng quan công nghệ LTE
Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để

có thể triển khai vào năm 2010. Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, nâng
cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm độ phức
tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu
quả để dễ ràng triển khai và khai thác hệ thống.
Có thể tóm tắt các nhiệm vụ, mục tiêu nghiên của LTE và SAE như sau:
1. Về phần vô tuyến (LTE):
• Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, giảm độ trễ
• Đơn giản hóa mạng vô tuyến.
• Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS.
2. Về phần mạng (SAE):
• Đơn giản mạng lõi.
• Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ.
• Đơn giản hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ không phải 3GPP.
Nguyễn Thành Tiến, D2005VT2 4
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
1.2.1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE
Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả
đường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với các
mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác. Các mục tiêu LTE được thể hiện
dưới các khía cạnh sau.
1.2.1.1. Các khả năng của LTE
a. Tốc độ số liệu đỉnh
Mục tiêu LTE cho các yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến
100Mbps khi băng thông đựơc cấp phát là 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnh đường lên
lên đến 50 Mbps khi băng thông được cấp phát là 20MHz (2,5bps/Hz). Các mục tiêu
về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm: (1) khả năng
đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả năng đường lên với một anten tại UE.
b. Trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng
Các mục tiêu giảm trễ được chia thành các yêu cầu cho trễ mặt phẳng điều
khiển (mặt phẳng C) và trễ mặt phẳng người sử dụng (mặt phẳng U).

Hình 1.4. Chuyển đổi trạng thái trong LTE
LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong chế dộ
rỗi – Idle của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell_DCH). Nó cũng cần đảm
bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ (như trong R6 Cell_PCH)
sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH).
Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng đảm bảo trễ nhỏ hơn 10ms. Trễ mặt
phẳng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong UE (hoặc Node
biên của UTRAN) đến lớp IP trong Node biên của UTRAN (hoặc UE), Node biên của
UTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi. Chuẩn đảm bảo trễ măt phẳng U của LTE
Nguyễn Thành Tiến, D2005VT2 5
Đồ án tốt nghiệp đại học Lớp vật lý của E-UTRAN
nhỏ hơn 5ms trong điều kiện không tải (nghĩa là một người sử dụng với một luồng số
liệu đối với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề ).
Hình 1.5. Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE
1.2.1.2. Hiệu năng hệ thống
Hiệu năng hệ thống của LTE đề cập tới thông lượng của người sử dụng, hiệu
suất phổ tần, vùng phủ và MBMS tăng cường hơn.
a. Thông lượng
Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở hai điểm: vùng
phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt hơn).
Mục tiêu hiệu suất phổ tần cũng được đặc tả trong đó hiệu xuất phổ tần được định
nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/Hz.
Bảng 1.1. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường
xuống và HSDPA
HSDPA LTE Đích LTE/ Đã đạt
Tốc độ đỉnh (Mbps) 14,4 144 100/đã đạt
Hiệu suất phổ tần
(bit/Hz/s)
0,75 1,84 3-4 lần HSDPA/ đạt 2,5
Thông lượng người

sử dụng biên ô
0,006 0,0148 2-3lần HSDPA/đạt
2,5
Nguyễn Thành Tiến, D2005VT2 6