KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I
Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
Sinh viên thực hiện : Hà Việt Dũng
Lớp : D2004 VT1

I. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ
LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G
II. CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT CỦA MẠNG DI
ĐỘNG THẾ HỆ SAU
III. KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE
NỘI DUNG CHÍNH

Cơ sở lý luận
•
Nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động ngày
càng gia tăng, tức là nhu cầu chiếm dụng tài nguyên
vô tuyến gia tăng. Hay nói cách khác tồn tại mâu
thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài
nguyên vốn có của thông tin vô tuyến.
•
Đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn
chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường:
địa hình, thời tiết… dẫn đến làm hạn chế triển khai
đáp ứng nhu cầu cho xã hội của các nhà công
nghiệp và dịch vụ viễn thông.

Cơ sở thực tiễn

Mạng thông tin di động từ khi ra đời đã trải qua nhiều

thế hệ và mạng 3G đang được sử dụng rộng rãi hiện
nay với các giải pháp kĩ thuật TDMA, FDMA, SDMA,
CDMA. Song chưa thể tối ưu hóa phổ tần.

Vì lý do như vậy đồ án đã chọn nghiên cứu kiến trúc
giao diện vô tuyến LTE (Mạng di động tiền 4G) sử dụng
OFDM của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển có thể đáp
ứng nhu cầu thực tiễn của người sử dụng trong tương
lai gần.
FDMA TDMA
SDMA
CDMA

I.TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ TRÌNH
PHÁT TRIỂN LÊN 4G

Giới thiệu:
3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách nhiệm cho việc
phát triển các tiêu chuẩn được phát hành của UMTS
UTRA (WCDMA và TD-SDMA). Quá trình nghiên cứu
phát triển UMTS 3G và tiến dần lên 4G là đưa ra công
nghệ HSPA và LTE cho phần vô tuyến và SAE cho phần
mạng

Nhóm điều phối đề án
Các đối tác có tổ chức
TSG SA
TSG RAN TSG CTTSG GERAN

Tổng quan về 3G


Lộ trình đưa ra các phát hành trong hoạt động tiêu chuẩn hóa cho
WCDMA/HSPA
2000 2001 2002 2004 2006
Phát hành 3
(R3)
12/99
Phát hành
4
(R4)
03/01
Phát hành 5
(R5)
03/02
Phát hành
6
(R6)
12/04
Phát hành 7
(R7)
09/06

Lộ trình phát triển lên 4G

Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến
hành trong các E-UTRAN TSG

TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô
tuyến


TSG SA : Nghiên cứu kiến trúc mạng
Tốc độ số liệu 100Mbps cho vùng rộng, 1Gbps cho vùng hẹp
Kết nối mạng Hoàn toàn IP
Thông tin Rộng khắp, di động, liên tục
Trễ Thấp hơn 3G
Trễ kết nối Thấp hơn 5ms
Trễ truyền dẫn Thấp hơn 5ms
Giá thành trên một bít 1/10-1/100 thấp hơn 3G
Giá thành cơ sở hạ tầng Thấp hơn 3G (Khoảng 1/10)

Lộ trình phát triển lên 4G
•
Quá trình phát triển các công nghệ di động
1
G
2
G
3
G
3
G
+
Triển
khai
LTE
E
3
G
I
M

T
-
A
v
d

4
G
GSM
Cdma One
Wifi/IEEE
802.11
Wimax/IEEE
802.16e
<10kbps <200kbps 300kbps-10Mbps <100Mbps 100Mbps-1Gbps
LTE
1985 1995 2000 2005 2010 2015 t
AMPS
TACS

Lộ trình phát triển lên 4G
•
Mô hình kết nối giữa E-UTRAN và mạng lõi
eNode B
BSC
RNC
BTS
Crossconnect
Crossconnect
Laptop

Trễ: ~ 5ms

II. Các công nghệ then chốt của mạng di động thế hệ sau

Giới thiệu:
OFDM là một công nghệ được sử dụng cho LTE và
các công nghệ không dây băng rộng khác như Wimax
và các công nghệ truyền hình quảng bá. Đây là công
nghệ được phát triển nhằm có thể tối ưu hóa phổ tần.

OFDM được sử dụng cho truyền dẫn đường xuống của
LTE

DFTS-OFDM một dạng cải tiến của OFDM được sử
dụng cho truyền dẫn đường lên LTE

Tóm tắt nguyên lý OFDM

Truyền dẫn OFDM là một kiểu truyền dẫn đa
sóng mang. Một số đặc trưng quan trọng của
OFDM:

Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp. Chẳng hạn với
băng thông 20Mhz OFDM có thể sử dụng vài trăm sóng
mang con truyền qua cùng một kết nối vô tuyến.

Các sóng mang con trực giao với nhau vì thế các sóng
mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn.

Sơ đồ khối phát thu của hệ thống OFDM

110
, ,,
−
c
N
aaa
0
a
1
a
IFFT
N
điểm
P S
S P
1−
C
N
a
0
x
1
x
1−N
x
0
0
Biến đổi D/A
r(t)
Khối phát

n
r
0
r
n
r
P S
FFT
N
điểm
S P
Không sử dụng
r(t)
1
r
1−N
r
0
ˆ
a
1
ˆ
a
1
ˆ
−
C
N
a
11,0

ˆ
, ,
ˆˆ
−
C
N
aaa
n
r
Khối thu

Mã hóa kênh và phân tập tần số bằng OFDM

Trong mã hóa kênh mỗi bit thông tin được truyền phân
tán trên nhiều bit mã. Nếu sau đó các bít này thông qua
các kí hiệu điều chế được sắp xếp lên các sóng mang
con và được phân bố hợp lí trên toàn bộ băng thông
truyền dẫn của tín hiệu OFDM, thì mỗi bit thông tin sẽ
nhận được phân tập tần số.
1
C
2
C
3
C
Mã hóa
kênh
Mã hóa
Tần số
Điều chế

OFDM
4
C
b
Bit thông tin
Mã hóa kênh
Các bit mã
Đan xen tần số
(sắp xếp lên các
sóng mang con
Mã hóa kênh kết hợp với đan xen tần số

Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập

OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh và đa truy
nhập cho đường xuống và đường lên, trong khoảng thời
gian một kí hiệu OFDM toàn bộ sóng mang con khả
dụng được chia thành các tập sóng mang con khác
nhau và gán cho các người sử dụng khác nhau để
truyền đến và từ các đầu cuối khác nhau.

Trong truyền dẫn đường lên, do khoảng cách từ các đầu
cuối di động đến trạm gốc là khác nhau do đó phải đồng
chỉnh thời gian để có thể đảm bảo tính trực giao giữa
các sóng mang và hạn chế nhiễu.

Phát quảng bá/ đa phương trong nhiều ô và OFDM

Các dịch vụ quảng bá/ đa phương trong hệ thống thông
tin di động cho phép cung cấp đồng thời thông tin cho

nhiều đầu cuối di động. Các dịch vụ này thường được
trải rộng trên vùng rộng lớn chứa nhiều ô.
Vùng quảng bá

Khi cần cung cấp cùng một thông tin cho
nhiều đầu cuối di động trong cùng một ô thì sử
dụng một đường truyền vô tuyến quảng bá
cho toàn ô đồng thời đến tất cả các đầu cuối
di động liên quan

Tổng quan SC-FDMA

Mặc dù OFDM có ưu điểm lớn nhưng nhược điểm của
nó là PAPR rất lớn vì thế để khắc phục nhược điểm này
3GPP đã sử dụng DFTS-OFDM được gọi là SC-FDMA,
khác với OFDM thì SC-FDMA các kí hiệu được phát đi
lần lượt chứ không song song do đó giảm đáng kể sự
thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát.

SC-FDMA sử dụng hai cách phân lô các sóng mang con
giữa các máy đầu cuối:

SC-FDMA khoanh vùng (LFDMA), mỗi đầu cuối
sử dụng một tập sóng mang con liền kề để phát kí hiệu
DFT
(M)
IFFT
(N)
M=5
0


SC-OFDM phân bố (DFDMA), các sóng mang dành cho
một đầu cuối được phân bố trên toàn bộ băng thông tín hiệu
M=5
IFFT
(N)
DFT
(M)
0
0
0
0
0

III. Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE

Mục tiêu thiết kế LTE:

Các khả năng

Hiệu năng hệ thống

Các khía cạnh liên quan đến triển khai

Kiến trúc và phát triển

Quản lý tài nguyên vô tuyến

Mức độ phức tạp


Các khía cạnh chung

Kiến trúc giao thức LTE
•
Cấu trúc giao thức LTE liên quan đến truyền dẫn đường
lên cũng giống như cấu trúc đường xuống mặc dù chỉ có
một số khác biệt liên quan đến chọn khuôn dạng truyền
tải và truyền dẫn đa anten
Nén tiêu đề
Nén tiêu đề
Mật mã
Mật mã
PDCP
#i
Phân đoạn, ARQ
Phân đoạn, ARQ
RLC
#i
Ghép kênh MAC
HARQ
HARQ
Mã hóa
Mã hóa
Điều chế
Điều chế
Sắp xếp tài
nguyên và anten
Sắp xếp tài
nguyên và anten
PHY

EnodeB
Giải nén tiêu đề
Giải nén tiêu đề
Giải mật mã
Giải mật mã
PDCP
Móc nối, ARQ
Móc nối, ARQ
RLC
Phân kênh MAC
HARQ
HARQ
Giải mã
Giải mã
Giải điều chế
Giải điều chế
Giải sắp xếp tài
nguyên và anten
Giải sắp xếp tài
nguyên và anten
PHY
UE
Gói IP Gói IP
Người sử dụng #i
Người sử dụng #j
Các kênh mang
SAE
Các kênh mang
Vô tuyến
Các kênh

Logic
Các kênh
Truyền tải
Bộ lập biểu MAC
Chọn tải tin
Xử lý ưu tiên,
Chọn tải tin
Điều khiển phát lại
Sơ đồ điều chế
Ấn định tài
nguyên và anten
MAC

Điều khiển liên kết vô tuyến RLC
•
LTE RLC chịu trách nhiệm phân đoạn các gói IP được
nén tiêu đề để nhận được các RLC SDU sau đó được
chia thành các đơn vị nhỏ hơn là các RLC PDU
n n+1 n+2 n+3
Tiêu đề RLC
Tiêu đề RLC
RLC SDU RLC SDU RLC SDU RLC SDU
RLC PDU
Phân đoạn và móc nối RLC

Các kênh logic

MAC cung cấp dịch vụ cho RLC trong dạng các kênh
logic. Kênh logic được định nghĩa bởi kiểu thông tin nó
mang sử dụng để truyền dẫn thông tin điều khiển và cấu

hình cần thiết để vận hành hệ thống LTE

Kênh điều khiển quảng bá (BCCH)

Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH)

Kênh điều khiển riêng (DCCH)

Kênh điều khiển đa phương(MCCH)

Kênh lưu lượng riêng (DTCH)

Kênh lưu lượng đa phương (MTCH)

Kênh truyền tải

Kênh truyền tải được định nghĩa bởi cách thức và các
đặc tính mà thông tin được phát trên giao diện vô tuyến.

Kênh quảng bá (BCH)

Kênh tìm gọi (PCH)

Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH)

Kênh đa phương (MCH)

Kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH)
PCCH BCCH DTCH DCCH MTCH MCCH
PCH BCH

DL-SCH
UL-SCH
MCH
Các kênh
Logic
Các kênh
Truyền tải
Chỉ đường xuống Đường xuống hoặc đường lên Chỉ đường xuống
Sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải

Lập biểu đường xuống và đường lên

Một trong những nguyên lí cơ bản của truy nhập vô
tuyến LTE là truyền dẫn kênh chia sẻ trên DL-SCH và
UL-SCH, nghĩa là tài nguyên thời gian-tần số được chia
sẻ động giữa các người sử dụng trên cả đường lên và
đường xuống/
Bộ đệm Bộ đệm
Ghép kênh
Điều chế, mã hóa
Bộ lập biểu
eNodeB
Chất lượng kênh
đường xuống
UE
eNodeB
UE
Bộ lập biểu
Chất lượng kênh
đường lên

Bộ đệm Bộ đệm
Ghép kênh
Điều chế, mã hóa
Xử lý ưu
tiên
Đường xuống Đường lên

Lớp vật lý
•
Chịu trách nhiệm mã hóa, xử lý HARQ, điều chế, xử lý
đa anten và sắp xếp tín hiệu đến các tài nguyên thời
gian tần số vật lý tương ứng.
CRC
CRC
Mã hóa
Mã hóa
Điều chế số liệu
Điều chế số liệu
Sắp xếp anten
Sắp xếp anten
Sắp xếp tài nguyên
Sắp xếp tài nguyên
Kiểm tra CRC
Kiểm tra CRC
Giải mã
Giải mã
Giải điều chế
Giải điều chế
Giải sắp xếp anten
Giải sắp xếp anten

Giải sắp xếp
tài nguyên
Giải sắp xếp
tài nguyên
eNodeB
Đầu cuối di động
HARQ
Bộ lập biểu MAC
ACK/NAK
Th, tin HARQ
Phiên bản dư
Sơ đồ
điều chế
Ấn định anten
Ấn định
tài nguyên
HARQ
ACK/NAK
Th, tin HARQ
Phiên bản dư
Chỉ thị lỗi
Sơ đồ
điều chế
Một (hoặc hai) khối truyền tải
Kích thước động trên một TTI
MAC
PHY
MAC
PHY
Kiểm tra CRC

Kiểm tra CRC
Giải mã
Giải mã
Giải điều chế
Giải điều chế
Giải sắp xếp
tài nguyên
Giải sắp xếp
tài nguyên
CRC
CRC
Mã hóa
Mã hóa
Điều chế số liệu
Điều chế số liệu
Sắp xếp
tài nguyên
Sắp xếp
tài nguyên
eNodeB
Đầu cuối di động
HARQ
Bộ lập biểu MAC
ACK/NAK
Phiên bản dư
Sơ đồ
điều chế
Ấn định
tài nguyên
HARQ

ACK/NAK
Phiên bản dư
Chỉ thị lỗi
Sơ đồ
điều chế
Một khối truyền tải
Kích thước động trên một TTI
MAC
PHY
MAC
PHY
Từ bộ lập biểu nút B

Kết luận

Như vậy qua đề tài này em đã nghiên cứu tổng quan về
sự phát triển của 4G, kĩ thuật OFDM được sử dụng
nhằm có thể tối ưu hóa phổ tần cho đường lên và
đường xuống

Xét kiến trúc phân lớp tổng quát của giao diện vô tuyến
LTE. Cấu trúc cụ thể của các lớp kiến trúc này như: cấu
trúc và xử lý lớp điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), cấu
trúc và xử lý lớp điều khiển truy nhập môi trường, cấu
trúc và xử lý lớp vật lý.