Nghiên cứu kỹ thuật SCFDMA trong 3GPP LTE

Đồ án tốt nghiệp đại học
Mục lục
MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH VẼ iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi
LỜI NÓI ĐẦU x
CHƯƠNG I 1
TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH 1
TIẾN LÊN 4G 1
1.1.Tổ chức 3GPP và lộ trình tiến lên 4G 1
1.1.1.Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành 1
1.1.1.1.Truy nhập gói tốc độ cao HSPA 2
1.1.1.2.Phát triển dài hạn LTE 2
1.2.Tổng quan công nghệ LTE và các yêu cầu 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
1.2.1.3.Các khía cạnh liên quan tới triển khai 7
1.2.1.4.Quản lí tài nguyên vô tuyến 9
1.2.1.5.Các vấn đề về mức độ phức tạp 9
1.2.2.Các mục tiêu thiết kế SAE 11
1.2.2.1.Kiến trúc mạng LTE 11
1.2.2.2.Lõi gói phát triển EPC 12
1.3.Các tính năng quan trọng của LTE 19
1.3.1.Sơ đồ truyền dẫn 19
1.3.2.Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ 19
1.3.3.Điều phối nhiễu giữa các ô 20
1.3.4.HARQ với kết hợp mềm 21
1.3.5.Hỗ trợ đa anten 21

1.3.6.Hỗ trợ quảng bá và đa phương 22
1.3.7. Linh hoạt phổ 22
1.3.7.1. Linh hoạt trong sắp xếp song công 22
Lê Văn Việt, D2004VT1
i
Đồ án tốt nghiệp đại học
Mục lục
1.3.7.2. Linh hoạt trong khai thác băng tần 23
1.3.7.3. Linh hoạt băng thông 23
1.4.Tổng kết 23
CHƯƠNG II 23
KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA 23
2.1.Nguyên lý đa truy nhập SC-FDMA 23
2.1.1.Tổng quan nguyên lý OFDM 23
2.1.2.Hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC/FDE 24
2.1.3.Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 26
2.1.3.1.Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA 26
2.1.3.2.SC-FDMA với tạo dạng phổ 32
2.1.4.Sắp xếp các sóng mang 34
2.1.5.Biểu diễn các tín hiệu SC-FDMA miền thời gian 36
2.1.5.1.Các kí hiệu miền thời gian của IFDMA 36
2.1.5.2. Các kí hiệu miền thời gian của LFDMA 38
2.1.5.3.Các kí hiệu miền thời gian của DFDMA 39
2.2.SC-FDMA và OFDMA 43
2.3.SC-FDMA và DS-CDMA/FDE 46
2.4.SC-CFDMA 47
2.4.1.Lập lịch phụ thuộc kênh 47
2.4.2.SC-CFDMA 49
2.5.Tổng kết 52
CHƯƠNG III 52

TRIỂN KHAI SC-FDMA TRONG 3GPP LTE 52
3.1.Cấu trúc khung tổng thể miền thời gian 52
3.2.Các tín hiệu tham khảo 58
3.2.1.Nhiều tín hiệu tham khảo 61
3.2.2.Các tín hiệu tham khảo để thăm dò kênh 61
3.3.Xử lí kênh truyền tải đường lên 63
3.3.1.Chèn CRC 63
3.3.2.Mã hóa kênh 63
3.3.3.Chức năng HARQ của lớp vật lý 64
3.3.4.Ngẫu nhiên hóa mức bít 65
Lê Văn Việt, D2004VT1
ii
Đồ án tốt nghiệp đại học
Mục lục
3.3.5.Điều chế số liệu 65
3.4.Tổng kết 66
CHƯƠNG IV 67
MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ SC-FDMA 67
4.1.Giới thiệu 67
4.2.Chương trình mô phỏng 68
4.2.1.Phân tích các đặc tính PAPR của SC-FDMA và kết quả mô phỏng 68
4.2.1.1.Sơ đồ thuật toán 71
4.2.1.2.Kết quả mô phỏng PAPR với cùng hệ số 72
4.2.1.3.Kết quả mô phỏng PAPR với tạo dạng xung và không tạo dạng xung 74
4.2.1.4.Kết quả mô phỏng PAPR với hệ số khác nhau 76
4.2.2.Thông lượng hệ thống SC-FDMA 77
4.2.3.SER hệ thống SC-FDMA 81
KẾT LUẬN 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88
Lê Văn Việt, D2004VT1

iii
Đồ án tốt nghiệp đại học
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ


 !"#$%
%&'()*+,-
.$,/0 !"#1
2$,,341
567)$
13$894:;/<=$">?
67)@ABC !D"!)EDF-
67)@GDH"I !D.
JB!"KE8/"KELM1
N7B/OD4PQR/SQR3%
N7B/OD4TQR3:/SQR3:.
%3UD/VW5
-X">GY)DOD4TQR3:1
.:ZOD4TQR3:/SQR3:
2:Z/[H!"\HD
1]BM:Z/[VGM
4FLGY)D;D?QR3:/;B?RQR3:%
DK>NKE=^;KE=^_GY)D_G
)DPKE=^?%
%H`V \=a4TQR3:)\ED
-b"H`V4TQR3:
.:ZODXV4TQR3:
54GcDSQR3:/4TQR3:/[/VH`Vd46%
14ZOD4TQR3:/SQR3:%

VMR4TR3:-
#/[/De=c8V/D"#eH`V"!#/[;___?/[
H`fHM8.
J8CVM4TQR3:2
@8KghM"= !/H!GFLGY)D5
%6!GFLGY)D4TQR3:%1
Lê Văn Việt, D2004VT1
iv
Đồ án tốt nghiệp đại học
Danh mục hình vẽ
.H!GFLGY)D4TQR3:%
2@8KgKEGi=jhH!GFLHD%
N7H)\ED%
%k"C "KE8%.
-l '"KE8%.
.XVD)H"KgW/HMKmHh"KE8%2
b)IYDB-
n:ZdOD8[/J8o-
pi8oH \"KE8
D=VK>
D=V`ODK>)@q:Z-2
J)@q.
60)@q/[r1%_"\d46.
.
%60)@q/[r1%_"\-Td:3.
-60)@q/[r1%_"\-Td:3.
.60/[$=$L/H@$=$L/["\d46.
260/[$=$L/H@$=$L/["\d:3.
560/[$=$L/H@$=$L/["\-d:3.%
160)@q/[r1%_"\d46


60)@q/[r155_"\d46
D=V)@q@8Kg4TQR3:
60)@q@8KgVM4TQR3:21
@8KgVM/[H!"\2Td:32
%D=VK>GG4Z2
-4>"sJX4Z2
.4ZDVM4TQR3:/SQR3:/[)@HKE"B= !/[
/JM6)P2
24ZDVM4TQR3:/SQR3:/[)@HKE"B= !/[
/JM6)P2%
54ZD"\HVHHD2-
Lê Văn Việt, D2004VT1
v
Đồ án tốt nghiệp đại học
Danh mục bảng biểu
DANH MỤC BẢNG BIỂU
b4G@GMM"/VGNGi=jBn'cD"KELM/
4R:-
b4G@GMM"/VGNGi=jBn'cD"KE8/4R: .
b&'"$5
b@GM%
b@GMN8K[ "KE8%.
b:Z/[H!"\HD/[^VGM.
b4G:Z8Kg"s \=a/[KEg$=$L/H@$=$
L.%
b:Z/[VGMHDH^H!"\d46
bC4lZ$/C`"t21
b%4ZODXV/[)@HKE"B2
b-4ZODXV/[)@HK>uV2%

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
Lê Văn Việt, D2004VT1
vi
Đồ án tốt nghiệp đại học
Danh mục bảng biểu
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
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
IBI Inter – Block Interference Nhiễu liên khối
ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang
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
Lê Văn Việt, D2004VT1
vii
Đồ án tốt nghiệp đại học
Danh mục bảng biểu
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
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
RR Round Robin Quay vòng
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
Lê Văn Việt, D2004VT1
viii
Đồ án tốt nghiệp đại học
Danh mục bảng biểu
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
Lê Văn Việt, D2004VT1
ix
Đồ án tốt nghiệp đại học
Thuật ngữ viết tắt
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát
triển nhanh nhất của viễn thông. 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.
OFDM là một sơ đồ truyền dẫn lý tưởng cho 4G với tốc độ truyền dẫn cao, là một giải
pháp tốt cho dung lượng truyền dẫn và tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong
miền tần số đã được 3GPP LTE sử dụng truyền dẫn trên đường xuống. Tuy nhiên
OFDM có nhược điểm rất lớn đó là PAPR cao, điều này dẫn tới giảm hiệu suất của bộ

khuyếch đại công suất đặc biệt là trên thiết bị cầm tay, do đó chi phi máy đầu cuối
cao.
DFTS-OFDM hay với tên gọi khác là SC-FDMA đã được 3GPP LTE nghiên
cứu và triển khai trên đường lên cho LTE thay vì OFDM trong đường xuống. Trong
SC-FDMA các kí hiệu được phát đi lần lượt thay vì phát đi song song như OFDMA.
Vì thế cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của
dạng sóng phát. Do đó các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu
OFDMA mà vẫn đảo bảo tốc độ và độ phức tạp tương đương như hệ thống OFDMA,
khi PAPR thấp làm tăng hiệu suất bộ khuyếch đại công suất điều này dẫn tới tăng
vùng phủ và chi phí máy đầu cuối giảm thấp. Hơn nữa SC-FDMA có nhiều kiểu sắp
xếp song mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyền
dẫn khác nhau.
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là
“ Nghiên cứu kỹ thuật SC-FDMA trong 3GPP LTE” làm chủ đề nghiên cứu. Theo đó,
đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương.
Lê Văn Việt, D2004VT1
x
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
Chương I: Tổng quan về 3GPP LTE và lộ trình lên 4G
Trình bày tổng quan về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP bao gồm: các
phiên bản phát hành của tổ chức 3GPP, các mục tiêu yêu cầu của LTE và
cuối cùng là các tính năng quan trọng của LTE đã đưa 3GPP cũng như
viễn thông thế giới tiến gần hơn 4G.
Chương II: Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA
Trình bày nguyên lý cơ bản của kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA, cùng
với các kiểu sắp xếp sóng mang khác nhau đem lại độ linh hoạt cao trong
truyền dẫn, phân tích đặc tính PAPR của tín hiệu SC-FDMA. So sánh kỹ
thuật SC-FDMA với các lược đồ đa truy nhập khác như OFDMA và
DS/CDMA. Kiểu săp xếp sóng mang lai SC-CFDMA cho thông lượng

cao trong điều kiện phục vụ cho cả đầu cuối di chuyển với tốc độ thấp vào
cao.
Chương III: Triển khai SC-FDMA trong 3GPP LTE
Trình bày cấu trúc tổng thể miền thời gian khung truyền dẫn đường lên
trong 3GPP LTE dựa trên lược đồ truyền dẫn SC-FDMA, quá trình xử lý
kênh truyền tải đường lên.
Chương IV: Chương trình mô phỏng đánh giá SC-FDMA
Dựa vào các kết quả nghiên cứu, xây dựng thuật toán tính toán, đánh giá
PAPR, thông lượng và SER của lược đồ truyền dẫn SC-FDMA với các
kiểu sắp xếp sóng mang khác nhau với lược đồ truyền dẫn OFDMA.
Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong quá trình nghiên cứu của
thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và những ý kiến đóng góp của các thầy cô
giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành
với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời
gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự chỉ
dẫn của các thầy cô giáo cũng như ý kiến đóng góp của các bạn bè.
Lê Văn Việt, D2004VT1
xi
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng đã tận tình hướng
dẫn em trong suốt thời gian làm đồ án để em có được kết quả ngày hôm nay.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cũng như
các thầy cô giáo trong khoa viễn thông đã có những ý kiến đóng góp và tạo điều kiện
cho em được hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua.
Hà Nội, ngày 17 tháng 10 năm 2008
Sinh viên:
Lê Văn Việt
Lê Văn Việt, D2004VT1

xii
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH
TIẾN LÊN 4G
1.1. Tổ chức 3GPP và lộ trình tiến lên 4G
1.1.1. Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành
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
Lê Văn Việt, D2004VT1
1
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
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.
1.1.1.1. 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.
1.1.1.2. 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
Lê Văn Việt, D2004VT1
2

Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
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 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.
Lê Văn Việt, D2004VT1
3
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
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 và các yêu cầu
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.
Lê Văn Việt, D2004VT1
4
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
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
Lê Văn Việt, D2004VT1
5
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
của LTE 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.
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
Bảng 1.1. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên
đường xuống và HSDPA
HSUPA LTE Đích LTE/ Đã đạt
Tốc độ đỉnh (Mbps) 5,7 57 50/đã đạt
Hiệu suất phổ tần
(bit/Hz/s)
0,26 0,67 2-3 lần HSUPA/ đạt
2,6
Thông lượng người sử
dụng biên ô
0,006 0,015 2-3 lần HSDPA/đạt
2,5
Lê Văn Việt, D2004VT1
6
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
Bảng 1.2. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên
đường lên và HSDPA
b. Hỗ trợ di động
Các yêu cầu về di động tập trung lên tốc độ di chuyển đầu cuối di động. Mục
tiêu đề ra là đạt được hiệu năng cực đại với tốc độ đầu cuối di động khoảng 0-15km/h,
hiệu năng của hệ thống sẽ giảm khi tốc độ đầu cuối cao hơn. Đối với tốc độ trên
120km/h LTE đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tế bào. Hệ
thống LTE có thể quản lí tốc độ lên tới 350km/h thậm chí là 500km/h phụ thuộc vào
băng tần.

c. Vùng phủ
Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính ô) tức là khoảng
cách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô. Hiệu suất, phổ tần và thông lượng
yêu cầu cho các ô bán kính 5km. với các ô bán kính tới 30 km cho phép giảm nhẹ
thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song vẫn đáp ứng
tính di động.
d. MBMS tăng cường
MBMS lần đầu được đưa vào trong R6. Trong mạng quảng bá, tài nguyên vô
tuyến được thiết lập trong từng ô nằm trong vùng quảng bá MBMS và tất cả các đầu
cuối khi đăng kí với dịch vụ đều thu được cùng môt tín hiệu được phát này. Mạng
không cần theo dõi chuyển động đầu cuối và đầu cuối khi đăng kí có thể thu nội dung
mà không cần thông báo cho mạng. Như vậy một trong các lợi ích của dịch vụ MBMS
là tiết kiệm được tài nguyên trong mạng vì một luồng dữ liệu có thể cung cấp cho
nhiều người sử dụng.
Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cấp tới chế độ quảng bá và chế độ phát đơn
phương. LTE phải đảm bảo các dịch vụ tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp. Yêu cầu
cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương ứng với 16
kênh TV trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz. Tất nhiên LTE
đảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộn lẫn với nhau.
1.2.1.3. Các khía cạnh liên quan tới triển khai
Các yêu cầu liên quan tới triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linh
hoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các mạng tồn tại
khác của 3GPP như GSM, WCDMA/HSPA.
Lê Văn Việt, D2004VT1
7
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
a. Triển khai phổ tần
Yêu cầu LTE làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau đây:
• Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm với

GERAN/UTRAN trên các kênh lân cận.
• E-UTRA phải có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mang
khác).
• Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyên
tắc băng tần độc lập.
LTE hỗ trợ cả ghép song công phân chia theo tần số FDD và ghép song công
phân chia theo thời gian TDD. Các hệ thống FDD được triển khai trong các ấn định
kép với một băng cho tryền dẫn đường xuống và một băng khác của truyền dẫn đường
lên. Các hệ thống TDD được triển khai trong các ấn định băn tần đơn. Hỗ trợ cả phổ
đơn và phổ kép đã có trong đặc tả của 3GPP ngay từ phát hành R3, mặc dù hiện nay
mới triển khai FDD cho WCDMA và HSPA.
LTE có khả năng định lại cỡ trong miền tần số và hoạt động trong các băng tần
khác nhau, yêu cầu tính linh hoạt đưa ra các danh sách ấn định phổ của LTE
(1,25MHz; 1,6MHz; 2,5MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz và 20MHz).
Hình 1.6. Băng tần hoạt độngcủa LTE
b. Các vấn đề tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT
LTE phải hỗ trợ tương tác với các hệ thống 3G hiện có và với các hệ thống
không theo chuẩn 3GPP. Tất cả các đầu cuối LTE hỗ trợ khai thác UTRAN/GERAN
phải có khả năng hỗ trợ đo, chuyển giao đến/từ cả hai hệ thống UTRAN và GERAN.
Lê Văn Việt, D2004VT1
8
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
Ngoài ra LTE cần phải hỗ trợ đo giữa các RAT chẳng hạn bằng cách cung cấp cho các
UE các cơ hội đo trên đường lên và đường xuống thông qua lập biểu. Bảng sau mô tả
gián đoạn giữa các công nghệ khác nhau với các dịch vụ.
Phi thời gian thực (ms) Thời gian thực (ms)
LTE sang WCDMA 500 300
LTE sang GSM 500 300
Bảng 1.3. Yêu cầu gián đoạn cho LTE

Các yêu cầu trên được đặt ra cho các trường hợp với các mạng UTRAN và
hoặc GERAN cung cấp hỗ trợ các chuyển giao LTE. Thời gian chuyển giao nói trên
đựơc coi là giá trị các tối thiểu, các giá trị này có thể thay đổi khi kiến trúc tổng thể
và lớp vật lý được định nghĩa chi tiết.
1.2.1.4. Quản lí tài nguyên vô tuyến
Các yêu cầu quản lí tài nguyên vô tuyến được chia thành
Hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối: Yêu cầu một ‘dịch vụ phối hợp
cải tiến’ và các yêu cầu về giao thức (bao hàm cả lớp báo hiệu cao hơn) cho các tài
nguyên vô tuyến RAN và các đặc tính RAN.
Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn: Yêu cầu rằng LTE RAN phải
cung cấp các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơn
trên giao diện vô tuyến, chẳng hạn như nén tiêu đề IP.
Hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí tài chính sách trên các công nghệ truy nhập vô
tuyến khác nhau: Yêu cầu xem xét các cơ chế lựa chọn lại để hướng dẫn các đầu cuối
di động chuyển tới các công nghê truy nhập vô tuyến tương ứng trong quá trình
chuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến.
1.2.1.5. Các vấn đề về mức độ phức tạp
Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp cuả UTRA UE liên
quan đến kích thước, trọng lượng và dung lượng acqui (chế độ chờ và chế độ tích cực)
và các trạng thái UE đơn giản hơn so với UMTS, nhưng vẫn đảm bảo các dịch vụ tiên
tiến cuả LTE. Hình 1.7 sau thể hiện sự đơn giản trong LTE so với UMTS về các trạng
thái UE
Lê Văn Việt, D2004VT1
9
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
Hình 1.7. Trạng thái UE và các quá trình chuyển đổi trong LTE
Hình 1.8. Các trạng thái UE trong UMTS
LTE_IDLE là trạng thái tích cực thấp trong đó đầu cuối di động ngủ hầu hết
thời gian để giảm tiêu thụ acqui. Đồng bộ đường lên không được duy trì. Trên đường

xuống, đầu cuối di động có thể định kì tỉnh giấc để nghe tìm gọi cho các cuộc gọi.
Đầu cuối di động dữ các địa chỉ IP và các thông tin nội bộ khác để có thể chuyển
nhanh vào trạng thái LTE-ACTIVE khi cần. Mạng chỉ biết một phần vị trí của đầu
cuối di động, chẳng hạn biết nhóm các ô trong đó thực hiện tìm gọi đầu cuối di động.
LTE-ACTIVE là trạng thái được sử dụng khi đầu cuối tích cực phát số liệu và
thu số liệu. Trong trường hợp này đầu cuối được nối tới một ô trong mạng. Một địa
chỉ IP được gán cho đầu cuối di động cùng với một số nhận dạng C-RNTI được sử
dụng cho các mục đích báo hiệu đầu cuối và mạng.
Khi bật nguồn đầu cuối di động nhập vào trạng thái LTE-DETECTED. Trong
trạng thái này mạng không biết đầu cuối. Trước khi có thể thực hiện bất kì một cuộc
truyền tin nào giũa đầu cuối di động và mạng. Đầu cuối di động phải đăng kí với
mạng bằng cách sử dụng thủ tục truy nhập ngẫu nhiên để vào trạng thái LTE-
ACTIVE.
Lê Văn Việt, D2004VT1
10
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
1.2.2. Các mục tiêu thiết kế SAE.
1.2.2.1. Kiến trúc mạng LTE
Hình 1.9 cho thấy tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến LTE, các Node giao
diện và sự khác biệt trong kiến trúc mạng giữa LTE và WCDMA/HSPA. Trong LTE
không có Node tương đương với RNC. Do không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên
và đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng và hơn nữa việc thiết kế giảm
thiểu số lượng Node trong mạng giảm độ phức tạp, quản lý. Kiến trúc mạng LTE bao
gồm hai miền: miền E-UTRAN và EPC. Trong kiến trúc LTE phân chia riêng rẽ logic
giữa mạng truyền tải dữ liệu và báo hiệu. Các chức năng E-UTRAN và EPC được
hoàn toàn tách biệt từ các chức năng truyền tải. Lược đồ địa chỉ được sử dụng trong
E-UTRAN và EPC không bị ràng buộc từ lược đồ địa chỉ của các chức năng truyền
tải. Các kết nối RRC được điều khiển hoàn toàn bởi E-UTRAN.
Hình 1.9. Kiến trúc mạng LTE

eNodeB chịu trách nhiệm cho một tập các ô. Tương tự như NodeB trong
WCDMA/HSPA. Các ô của một eNodeB không cần sử dụng một trạm anten. Vì các
eNodeB đã thừa hưởng hầu hết các chức năng của RNC. eNodeB phức tạp hơn
NodeB trong WCDMA/HSPA, nó chịu trách nhiệm cho các quyết định RRM của một
ô. Các quyết định chuyển giao, lập biểu… Các eNodeB được kết nối tới mạng lõi
thông qua giao diện S1. Giống như giao diện Iu trong WCDMA/HSPA. Ngoài ra giao
diện giữa các eNodeB là X2. Giao diện X2 chỉ được sử dụng giữa các eNodeB có các
ô lân cận. Giao diện X2 được sử dụng để hỗ trợ di động chế độ tích cực. Giao diện
Lê Văn Việt, D2004VT1
11
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
này cũng được sử dụng cho các chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến RRM nhiều ô.
Giao diện mặt phẳng điều khiển X2 giống như giao diện Iur trong WCDMA/HSPA.
Nhưng không có chức năng hỗ trợ trôi. Giao diện này hỗ trợ chức năng ấn định tại
eNodeB. Giao diện X2 được sử dụng đến hỗ trợ di động ít mất hơn (chuyển gói).
Chức năng của eNodeB bao gồm:
• Điều khiển các kết nối di động
• Cấp phát các tài nguyên vô tuyến cho các đầu cuối di động
• Nén tiêu đề IP và mã hóa luồng dữ liều người sử dụng
• Định tuyến dữ liệu và chuyến tiếp tới SGSN
• Lập lịch và truyền dẫn bản tin tìm gọi (được khởi tạo từ MME)
• Lập lịch và truyền dẫn bản tin quảng bá (được khởi tạo từ MME hay
O&M)
• Đo lường và cấu hình báo cáo đo lường cho bộ lập lịch và di động
Chức năng S-GW và P-GW bao gồm:
• Lọc các gói IP tới và từ miền Internet
• Cấp phát IP cho các UE
• Quản lí /lưu trữ nội dung UE
• Định tuyến /chuyển tiếp gói.

1.2.2.2. Lõi gói phát triển EPC
Mạng lõi được sử dụng cho WCDMA/HSPA và LTE được xây dựng trên sự
phát triển mạng lõi GSM/GPRS. Mạng lõi sử dụng cho WCDMA/HSPA rất gần với
mạng lõi gốc của GSM/GPRS ngoại trừ sự khác nhau trong việc phân chia chức năng
với RAN. Tuy nhiên mạng lõi được sử dụng để kết nối tới LTE RAN là sự phát triển
triệt để hơn của mạng lõi GSM/GPRS. Vì thế nói có tên là lõi gói phát triển EPC.
Phạm vi bao phủ SAE chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói không có chuyển
mạch kênh. Mạng EPC đã bắt đầu từ một kiến trúc Node đơn với tất cả chức năng
được đặt trong một Node trừ thuê bao nhà HSS là Node nằm ngoài Node đơn này.
HSS là một Node (cơ sở dữ liệu) tương ứng với HLR trong mạng GSM/WCDMA.
Hình 1.10 minh họa EPC trong tổng thể kiến trúc. Hình này cũng mô tả như một thực
Lê Văn Việt, D2004VT1
12
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
thể logic. Điều này cho phép đơn giản hóa minh họa và dễ hiểu kết nối tới LTE RAN
và WCDMA/HSPA. EPC kết nối tới LTE RAN thông qua giao diện S1 và đến
Internet thông quan giao diện SGi. Ngoài ra EPC kết nối tới HSS thông qua giao diện
S6.
S1 là giao diện giữa các eNodeB với nhau. Giao diện S1 rất giống với giao diện
Iu-ps. Các mặt phẳng người sử dụng của S1 và Iu-ps là các tunnel truyền tải được xây
dựng trên cơ sở IP. Các gói IP của người sử dụng đầu cuối được EPC hay eNodeB đặt
vào các tunnel IP của S1 và được lấy ra tại đầu kia bởi các Node tương ứng (eNodeB
và EPC)
Hình 1.10. Mạng lõi SAE (hình vẽ dạng đơn giản)
Điểm khác biệt lớn nhất WCDMA/HSPA và LTE là việc xử lý di động. Trong
LTE, EPC đóng vai trò là một neo trong mạng lõi SAE cho di động, nghĩa là Node
EPC xử lý mặt phẳng người sử dụng của đầu cuối không bị thay đổi trong thời gian
kết nối. Ở đây EPC đóng vai trò GGSN được sử dụng cho GSM/GPRS và
WCDMA/HSPA. Do kiến trúc phẳng, Node EPC xử lý mặt phẳng người sử dụng của

đầu cuối cần có khả năng kết nối tới mọi eNodeB trong mạng. Vì EPC là neo và LTE
RAN chỉ gồm eNodeB, nên EPC cần được cập nhật thông tin rằng nó sẽ định tuyến
gói số liệu của người sử dụng đến eNodeB nào. Đây là điểm khác biệt lớn nhất so với
WCDMA/HSPA, trong khi đó RNC che dấu kiểu di động này đối với mạng lõi.
Trong giao diện S6 trên hình trên là giao diện nối EPC đến HSS. Đây là phát
triển giao diện Gr được sử dụng cho mạng lõi WCDMA/HSPA để nối tới HLR. Vì
thế, một HLR/HSS kết hợp cho EPC có thể giống như HLR đối với GSM và
WCDMA/HSPA hiện tại.
Khi công nghệ LTE được đưa vào, cần có chuyển giao đến WCDMA/HSPA.
Giải pháp được lựa chọn là WCDMA/HSPA nối đến mạng EPC. Thực tế SGSN của
Lê Văn Việt, D2004VT1
13