Luận văn thạc sĩ kiến trúc giao diện vô tuyến trong lte

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, chúng ta ai cũng thấy được tầm quan trọng của thông
tin di động với khả năng kết nối mọi lúc mọi nơi nó luôn thể hiện những tiện ích và
ngày càng không thể thiếu đối với người sử dụng. Cùng với sự phát triển mọi mặt
của đời sống xã hội, các ngành khoa học kĩ thuật có những bước tiến mạnh mẽ
mang tính đột phá thì ngành công nghiệp viễn thông cũng không nằm ngoài xu
hướng đó. Nhụ cầu sử dụng của con người ngày càng khắt khe hơn về cả số lượng
lẫn chất lượng: Chất lượng dịch vụ của người sử dụng ngày càng cao, các ứng dụng
yêu cầu băng thông lớn, thời gian tương tác nhanh hơn.
Từ những yếu tố như vậy sẽ làm cho tài nguyền mạng bị cạn kiệt điều đó dẫn
đến các sự cố như là tốc độ mạng chậm, tắc nghẽn hoặc không đáp ứng được các
dịch vụ cho người sử dụng. Để có thể chấm dứt tình trạng đó đòi hỏi sự nỗ lực
nhằm phát triển những mạng thông di động mới.Thông tin di động từ khi ra đời đã
trải qua nhiều thể hệ và hiện nay mạng thông tin di động 3G đang được sử dụng
rộng rãi với các giải pháp kĩ thuật công nghệ được sử dụng để có thể khai thác tài
nguyên vô tuyến như là TDMA, FDMA, SDMA và CDMA nhưng thực tế cho thấy
chưa tìm thấy ở các hệ thống thông tin di động trước đây một phương pháp nào có
thể tối ưu hóa phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến.
Mạng thông tin di động 3G đang được ửng dụng hiện nay đã có thể giải quyết một
phần nào đó nhu cầu của người sử dụng về băng thông cũng như chất lượng dịch
vụ. Song trong tương lai không xa với sự phát triển không ngừng của công nghệ
như hiện nay thì mạng 3G cũng không thể đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng
với những yếu điểm đang còn tồn tại trong mạng 3G.
Để giải quyết vấn đề này thì bên cạnh việc nâng cấp cơ sở hạ tầng của các mạng
cũ thì các nhà cung cấp mạng cũng đã và đang nghiên cứu tiến hành và xây dựng
một mô hình mạng mới để có thể phục vụ cho tương lai không xa và mạng thông
tin di động được nhắc đến ở đây là mạng thông tin di động tiền 4G (LTE) của
chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm

chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hom, sử dụng linh hoạt các băng


tần hiện có và bằng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và
giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. LTE được xây dựng dựa trên
nền tảng IP và sử dụng kĩ thuật OFDM đây là giải pháp công nghệ tiên tiến có thể
khắc phục được nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống di
động trước đây. Chu kỳ kí hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM có thể truyền dữ
liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến và nó sử dụng các sóng mang con trực giao để
truyền dữ liệu vì thể có thể tối ưu băng tần sử dụng. Mục tiêu thiết kế của LTE
nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn đường xuống tối đa là 100 Mbps và tốc độ đường
lên là 50 Mbps. Người sử dụng sẽ cảm thấy điện thoại của họ được kết nổi mọi lúc.
Chính vì những ưu điểm mang tính thực tế rất cao và rất cần thiết đối với mỗi sinh
viên như vậy nên em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là: “Kiến trúc giao
diện vô tuyến trong LTE”.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương I: Tổng quan về sự phát triển của 3G và lộ trình phát triển lên 4G.
Chương II: Các công nghệ then chốt của mạng di động thế hệ sau.
Chương III: Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE.
Do thời gian và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế, bản đồ án khó có thể tránh
khỏi những thiếu sót. Em mong sẽ nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn
để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Nguyễn Vũ Sơn, người đã tận
tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông đã giúp
đỡ em trong thời gian qua.
Và xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người thân - những người đã giúp
đỡ động viên em trong quá trình học tập.
Hà Nội, tháng 9 năm 2012
Học viên

Nguyễn Ngọc Khánh



TÓM TẤT ĐỒ ÁN
CHƯƠNG I: TÔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ
TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G
Chương này ta sẽ trình bày các hoạt động nghiên cứu phát triển 3G và lộ trình
phát triển lên 4G đang được tiến hành trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách
nhiệm cho việc phát triển các tiêu chuẩn được phát hành của UMTIS UTRA
(WCDMA và TD-SDMA). Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G và tiến
dần lên 4G là việc đưa ra công nghệ HSPA và LTE ch(%phần vô tuyến và SAE cho
phần mạng
CHƯƠNG II : CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT CỦA MẠNG DI
ĐỘNG THẾ HỆ SAU
Chương này sẽ xét nguyên lý của DFTS-OFDM và SC-FDMA ứng dụng
trong LTE.
CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE
Chương này nghiên cứu kiến trúc phân lớp tổng quát của giao diện vô tuyến.
Sau đó xét cụ thể cấu trúc của các lớp của 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. Ngoài ra chương này cũng xét một số vấn đề
đặc thù của giao diện vô tuyến như: HARQ, các trạng thái LTE và cấu trúc luồng số
liệu của LTE.


ABSTRACTS
CHAPTER I: OVERVIEW OF DEVELOPMENT OF 3G AND UP 4G roadmap

This chapter will present the research roadmap for developing 3G and 4G is
being developed in 3GPP is conducting intemational organizations responsible for
developing standards issued by the UMTS UTRA (WCDMA and TD-SDMA).
Process research and development of advanced 3G UMTS up gradually into a4G
technology is making HSPA and LTE and SAE for the wireless networkshare

CHAPTER II: THE TECHNOLOGY CRITICAL NEXT-GENERATION
MOBILE NETWORK

This chapter will review the principles of the DFTS-OFDM and SC-FDMA ỉn
LTE applications.

CHAPTER III: ARCHITECTURE LTE RADIO INTEFACE
This chapter studies the general layered architecture of the radio interface.
Then consider the specilic structure of the layers of this architecture, such as class
structure and handling the radio link control (RLC) layer structure and handle
access controsl environment, structure and handling physical layer. In additiọn, this
chapter also reviews a number of specific issues of radio interface such as HARQ,
LTE status and data flow structure of LTE.


MỤC LỤC


LỜI NÓI ĐẦU

TÓM TẤT ĐỒ ÁN

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G VÀ LỘ
TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G 1

1.1. Mở đầu 1

1.2 Quá trình tiêu chuẩn hoá WCDMA/ HSPA trong 3GPP 1

1.2.1. 3GPP 1

1.2.2.

Chuẩn hoá HSDPA trong 3GPP 3

1.2.3.

Chuẩn hoá HSUPA trong 3GPP 5

1.3.

Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE 7

1.4. IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G 8

1.5.Tổng quan LTE 11

1.5.1

Tốc độ Số liệu đỉnh 11

1.5.2.

Trễ mặt phẳng C và mặt phẳng U 12

1.5.3. Thông lượng số liệu 13

1.5.5. Hỗ trợ di động 15

1.5.6.

Vùng phủ 15

l.5.7. MBMS tăng cường 16

1.5.8. Triển khai phổ tần 16

1.5.9. Đồng tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT 17

1.5.10. Các vấn đề về mức độ phức tạp 18

1.6. Kiến trúc mô hình LTE 18

1.7. Tổng kết 21



CHƯƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHÓT CỦA MẠNG DI
ĐỘNG THẾ HỆ SÁU 22

2.1.

Mở đầu 22

2.2.

Tóm tắt nguyên lý OFDM 22

2.2.1.

Máy phát 24

2.2.2. Máy thu 28

2.4.

Mã hoá kênh và phân tập tần số bằng OFDM 33

2.5.

Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở 35

2.5.1.

Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM 35

2.5.2.

Số lượng các sóng mang con 36

2.5.3. Độ dài CP 36

2.6.

Ảnh hưởng của thay đổi mức công suất tức thời 37

2.7.

Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập 38

2.8.

Phát quảng bá và đa phương trong nhiều ô và OFDM 40

2.9.

Tổng quan SC-FDMA 43

CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE 46

3.1.

Các mục tiêu thiết kế LTE 46

3.1.1.

Các khả năng 46

3.1.2.

Hiệu năng hệ thống 47

3.1.3.

Các khía cạnh liên quan đến triển khai 48

3.1.4.

Kiến trúc và chuyển dịch 51

3.1.5.

Quản lý tài nguyên vô tuyến 52

3.1.6.

Mức độ phức tạp 52

3.1.7.

Các khía cạnh chung 52

3.2.

Truy nhập vô tuyến LTE 53

3.2.1.

Các sơ đồ truyền dẫn 53

3.2.2.

Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ 54

3.2.3.

HARQ với kết hợp mềm 58



3.2.4. Hỗ trợ đa anten 58

3.2.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương 59

3.2.6. Linh hoạt phổ 60

3.3.

Kiến trúc giao diện vô tuyến 62

3.3.1.

Kiến trúc giao thức LTE 62

3.3.3.

Điều khiển truy nhập môi trường, MAC 66

3.3.4.

Lớp vật lý 76

3.3.5.

Các trạng thái của LTE 79

3.3.6.

Luồng số liệu 80

KẾT LUẬN CHUNG 82

TÀI LIÊU THAM KHẢO 83




DANH MỤC BẢNG


Bảng 1.1. Mục tiêu của 4G 9

Bảng 1.2. So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phể tần giữa LTE trên
đường xuống và HSDPA 14

Bảng 1.3. So Sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE
trên đường lên và HSUPA 15

Bảng 3.1. Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng và hiệu suất

sử dụng phổ tần 47
Bảng 3.2. Các yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM
và LTE-WCDMA 49


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Lộ trình đưa ra các phát hành trong 3GPP 1
Hình 1.2. Cấu trúc 3GPP 2

Hình 1.3. Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA 5

Hình 1.4. Các kĩ thuật được lựa chọn chọ danh mục nghiên cứu HSUPA 6

Hình 1.5. Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN 7

Hình 1.6. Tổ chức của nhóm điều phối đề án 3GPP 8

Hình 1.7. Quá trình phát triển các công nghệ thống tin di động 4G 11

Hình 1.8. Thí dụ về chuyển đỗi trạng thái trong kiến trúc E-UTRAN 12

Hình 1.9. Trễ mặt phẳng U 13

Hình 1.10. Kiến trúc mô hình BI của E-UTRAN cho trường hợp không
chuyển mạng 18

Hình 1.11. Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức
năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt 19

Hình 1.12. Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822 20

Hình 2.1. Kí hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM 23

Hình 2.2. Sơ đồ khối phát thu của hệ thống OFDM 24

Hình 2.3. Giải thích ý nghĩa chèn CP 27
Hình 2.4. Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM trong không gian hai chiều
(tần số - thời gian) 31

Hình 2.5. Mô hình OFDM trong miền tần số 31

Hình 2.6: Mộ hình kênh phát thu OFDM miền tần số với bộ cân bằng một
nhánh 32

Hình 2.7. Các ký hiệu tham khảo trên trục thời gian tần số 33

Hình 2.8. Giải thích vai trò của mã hoá kênh trong OFDM 34

Hình 2.9. Phổ của tín hiệu OFDM cơ sở 5MHz 36



Hình 2.10. OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập: a) đường
xuống, b) đường lên 38

Hình 2.11. Ghép kênh người sử dụng/OFDMA phân bố 39

Hình 2.12. Điều khiển định thời phát đường lên 40

Hình 2.13. Phát quảng bá đa ô, đơn ô và phát đơn phương 41

Hình 2.14. Tương đương giữa phát quảng bá đa ô được đồng bộ và truyền
dẫn đa đường 42

Hình 2.15. SC-FDMA trên cơ sở DFTS-OFDM 44

Hình 2.16. Các phương pháp ấn định sóng mang con cho nhiều người sử dụng 45

Hình 2.17. Sơ đồ sắp xếp 45

Hình 3.1. Cấp phát phổ băng “lõi” IMT-2000 tại 2Ghz. 50

Hình 3.2 Thí dụ về quá trình dịch chuyển từng bước của LTE vào vụng phể
của GSM hiện đã triển khai 50

Hình 3.3. Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và miền
tần số 56

Hình 3.4. Thí dụ về điều phổi nhiễu giữa các ô, trong đó một số phần phổ bị
hạn chế công suất 57

Hình 3.5. FDD và TDD 60

Hình 3.6. Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 63

Hình 3.7. Phân đoạn và móc nối RLC 65

Hình 3.8. Thí dụ về sắp xếp các kềnh logic lên các kênh truyền tải 68

Hình 3.9. Chọn khuôn dạng truyền tải trên đường xuống (trái), trên đường
lên (phải) 72

Hình 3.10. Giao thức HARQ đồng bộ và khồng đồng bộ 74

Hình 3.11. Nhiều xử lý HARQ 75

Hình 3.12. Mô tả đơn giản cấu trúc và xử lý lớp vật lý cho DL-SCH 77

Hình 3.13. Xử lý lóp vật lý ở dạng được đơn giản hóa cho UL-SCH 78

Hình 3.14. Các trạng thái của LTE 79

Hình 3.15. Thí dụ về luồng số liệu 81



THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT


Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
2G Second Generation Thế hệ thứ 2
3G Third Generation Thế hệ thứ 3
3GPP
3
ird
Generation Partnership
Project
Đề án các đối tác thế hệ thứ ba
3GPP2

3
ird
Generation Partnership
Project
Đề án các đối tác thế hệ thứ ba 2
AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng
ACK Acknowledgement Công nhận
AM Acknovvledged Mode Chê độ công nhận
AMC
Adaptive Modulation and
Coding
Mã hóa và điêu chê thích ứng
AMR Adaptive Multirate Đa tốc độ thích ứng
ARQ Automatic Repeat- reQuest Yêu cầu phát lại tự động
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng
BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá
BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá
BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bít
BM-SC
Broadcast/Multicast Service
Center
Trung tâm dịch vụ quảng bá đa
phương
BS Base Station Trạm gốc
BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gôc
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
CN Core Network Mạng lõi
CP Cyclic Prefix Tiền tố chu trình
CPC Continuous Packet Connectivity

Kết nối gói liên tục
CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung
CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh
CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư
CS Circuit Switch Chuyền mạch kênh
DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng


DCH Dedicated Channel Kênh riêng
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DFTS-
OFDM
DFT-Spread OFDM OFDM trải phổ DFT
DL Downlink Đường xuông
DPCCH
Dedicated Physical Control
Channel
Kênh điều khiển vật lý riêng
DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng
DPDCH
Dedicated Physical Data
Channel
Kênh sô liệu vật lý riêng
DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục
DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuông
DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục
EDGE
Enhanced Data for GSM
Evolution
Phát triển tăng cường số liệu cho

GSM
E-DCH Enhanced Dedicate Channel Kênh riêng tăng cường
E-DCCH
Enhanced Dedicate Control
Channel
Kênh điều khiển riêng tăng cường

E-DDCH
Enhanced Dedicate Data
Channel
Kênh sô liệu riêng tăng cường
eNodeB E-UTRAN Node B Nút B của E-UTRAN
E-UTRA Evolved UTRA
Truy nhập vô tuyên mặt đât
UMTS phát triển
ErtPS
Extended Real Time Packet
Service
Dịch vụ gói thời gian thực mở
rộng
FDD Frequency Division Duplex
Ghép song công phân chia theo tàn
số
FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tầ số
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chìa theo tần số
F-DPCH Fractional DPCH DPCH một phân (phân đoạn)
FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Biên đôi Fourier nhanh


GERAN
GSM EDGE Radio Access
Network
Mạng truy nhập vô tuyên
GSMEDGE
GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyên nói chung
GPS Global Positionning System Hệ thống định vị toàn cầu
GSM
Global System For Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
HARQ
Hybrid Automatic Repeat
request
Yêu cầu phát lại tự độíig linh
hoạt
HCR High Chip Rate Tốc độ chip cao
HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường ọhú
HSDPA
High Speed Downlink Packet
Access
Truy nhập gói đường xuông tốc
độ cao
HSPA High-Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
HSS Home Subscriber Server Server thuê bao nhà
HSUPA

High-Speed ưplink Packet
Access
Truy nhập gói đường lên tốc độ
cao
IDFT
Ịnverse Discrete Fourier
Transform
Biến đổi Fourier rời rạc ngược
IFDMA Interleaved FDMA FDMA đan xen
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược
IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP
IMT-2000
International Mobile
Telecommunications 2000
Thông tin di động quốc tế 2000
IR Incremental Redundancy Phân dư tăng
IRC Interferrence Rejection Combining Kêt hợp loại nhiêu
ISDN
Intergrated Services Digital
Network
Mạng số đa dịch vụ tích hợp
ITU
International
Telecommunications Union
Liên đoàn viễn thông quốc tế
ITU-R
International
Telecommunications Union-
Radio Sector
Liên đoàn viên thông quôc tê bộ

phận vô tuyến


Iu
Giao diện để thông tin giữa
RNC và mạng lõi

Iub
Giao diện được sử dụng để
thông tin giữa nút B và RNC

Iur
Giao diện được sử dụng để
thông tin giữa các RNC

LCR Low Chip Rate Tốc độ chíp thấp
LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn
MAC Mediụm Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
MBMS
Multimedia Broadcast Multicast
Service
Dịch vụ quảng bá đa phương đa
phương tiện
MBS Multicast Broadcast Service Dịch vụ quảng bá đa phương
MBSFN
Multicast Broadcast Single
Frequency Network
Mạng đơn tân quảng bá đa
phương
MCCH MBMS Control Channel Kênh điều khiển MBMS

MCE MBMS Coordination Entity Thực thể điều phối MBMS
MCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển đa phương
MICH MBMS Indicator Channel Kênh chỉ thị MBMS
MIMO Multi-Input Multi-Output Nhiều đầu váo nhiều đẩu ra
MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhãn tin đa phương tiện
MMSE Minimum Mean Square Error
Sai sô bình phương trung bình
cực tiểu
MRC Maximum Ratio Combining Kêt hợp tỉ lệ cực đại
MSC
Mobile Services Switching
Center
Trung tâm chuyển mạch các dịch
vụ di động
MSCH MBMS Scheduling Channel Kênh lập biểu MBMS
MTCH MBMS Traíĩc Channel Kênh lưu lượng MBMS
NACK Non-Acknowledgement Không công nhận
nrTPS Non-Real-Time Polling Service
Dịch vụ thăm dò phi thời gian
thực
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tân sổ
trực giao
OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần


Multiplexing Access số trực giao
PAPR Peak to Average Power Ratio

Tỷ sô công suât đỉnh trên công
suất trung bình
PAR Peak to Average Ratio Tỷ số đỉnh trên trung bình
PDCCH
Physical Dedicate Control
Channel
Kênh điều khiển riêng vật lý
PDCP
Packet-Data Convergence
Protocol
Giao thức hội tụ số liệụ gói
PDSCH
Physical Dovralink Shared
Channel
Kênh chia sẻ đường xuông vật lý
PDU Packet Data Unit Đơn vị sô liệu gói
PHY Physical Layer Lớp vật lý
PS Packet Switch Chuyển mạch gói
PSTN
Public Switched Telephone
Network
Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng
QAM
Quadrature Amplitude
Modulation
Điêu chê biên độ vuông góc
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RAB Radio Access Bearer Kênh mang truy nhập vô tuyến
RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyên

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến
RB Resource Block Khôi tài nguyên
RF Radio Frequency Tần số vô tuyên
RLC Radio Link Control Địều khiển kết nối vô ttiyến
RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyển
RRC Rádio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyển
RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyên
RS Reference Symbol Ký hiệu tham khảo
RSN
Retransmission Sequence
Number
Sô trình tự phát lại'
RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực
rtPS Real Time Polling Service Dịch vụ thăm dò thời gian thực
Rư Resource Unit Đon vị tài nguyên


RV Redundancy Version Phiên bản dư
SA System Aspects Các khía cạnh hệ thống
SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc mạng
SC-FDMA
Single Carrier- Frequency
Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo tần
số đơn sóng mang
SCH Synchronization Channel Kênh đông bộ
SDMA
Spatial Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo

không gian
SDƯ Service Data Unit Đơn vị sô liệu dịch vụ
SF Spreading Factor Hệ số trải phổ
SFBC Space Frequency Block Code Mã khối không gian tần số
SFN Single Frequency Network Mạng tần số đon
SGSN Serving GPRS Support Node Nút hô trợ GPRS phục vụ
SIC
Sucessive Interference
Combining
Kết hợp loại bỏ nhiễu lần lượt
SIM Subscriber Identiíy Module Modun nhận dạng thuê bao
SINR
Signal to Interference plus
Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp
âm
SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngán
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SRNS
Serving Radio Network
Subsystem
Phân hệ mạng vô tuyên phục vụ
STBC Space Time Block Code Mã khôi không gian thời gian
STC Space Time Code Mã không gian thời gian
STTD Space Time Transmit Diversity
Phân tập phát không gian thời
gian
TCP Transmission Control Protocol Giao thức điểu khiển truyền dẫn
TD-CDMA
Time Division-Code Division

Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã-
Phân chia theo thời gian
TDD Time Division Duplex
Ghép song công phân chia theo
thời gian
TDMA Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chịa theo thời
gian


TD-
SCDMA
Time Division-Synhcronous
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
đồng bộ-Phân chia theo thời gian
TF Transport Format Khuôn dạng truyên tải
TFC Transport Format Combination Kết hợp khuôn dạng truyền tải
TM Transparent Mode Chê độ trong suôt
TR Technical Report Báo cáo kĩ thuật
TrCH Transport Channel Kênh truyên tải
TS Technical Specication Đặc tả kĩ thuật
TSG Technical Specication Group Nhóm đặc tả kĩ thuật
TSN
Transmission Sequence
Number
Số trình tự phát
TSTD
Time Switched Transmit

Diversity
Phân tập phát chuyển mạch theo
thời gian
TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian phát
UE User Equipment Thiêt bị người sử dụng
ƯL Uplink Đường lên
UM ưnacknowledged Mode Chê độ không công nhận
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
UTRA UMTS Terrestrial Radio Access

Truy nhập vô tuyên mặt đât
UMTS
UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyên mặt đất
UMTS
ưu
Giao diện được sử dụng để
thông tin giữa nút B và UE

WCDMA
Wideband Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng
WG Working Group Nhóm công tác

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội vùng không dây
VoIP Voice over IP Thoại trên IP
X2 Giao diện giữa các eNodeB
ZF Zero Focing Cưỡng bức vê không


1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA 3G
VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G

1.1. Mở đầu
Trong chương này ta sê trình bày các hoạt động nghiên cứu phát triển 3G và lộ
trình phát triển lên 4G đang được tiến hành trong 3GPP là tổ chức quốc tế chịu trách
nhiệm cho việc phát triển các tiêu chuẩn được phát hạnh của UMTS UTRA
(WCDMA và TD-SDMA). Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G và tiến
dần lên 4G là việc đưa ra công nghệ HSPA và LTE cho phàn vô tuyến và SAE cho
phần mạng.
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, R6 và R7
với các tính năng như HSDPA, HSUPA và MBMS. 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 nhàm giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi
nhuận cao và cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ. Để đạt được
mục tiêu nậy cần đưa ra một công nghệ vô tuyến tiềm năng mới cho phép nâng cao
hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trệ. Ngoài ra cũng
cần nghiên cứu để giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và
quản lí tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ dàng triển khai và khai thác hệ thống.
1.2 Quá trình tiêu chuẩn hoá WCDMA/ HSPA trong 3GPP
1.2.1. 3GPP
3GPP được giao trách nhiệm tiến hành công tác chuẩn hoá HSPA. Trước đó tổ

chức quốc tế này đã được giao nhiệm vụ tiêu chuẩn hoá WCDMA. Hoạt động tiêu
chuẩn hoá cho WCDMA/HSPA của tổ chức này từ năm 1999 đến năm 2006 được
tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình 1.1.
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Phát hành
3 (R3),
12/99
Phát hành 4
(R4),
03/01
Phát hành
5 (R5),
03/02
B
Phát hành 6
(R6), 12/04

Phát hành
7 (R7),
09/06
Hình 1.1. Lộ trình đưa ra các phát hành trong 3GPP



2
Mốc phát triển đầu tiên cho WCDMA đã đạt được vào cuối năm 1999 khi phát
hành R3 được công bố chứa đựng toàn bộ các đặc tả WCDMA. Phát hành R4 được
đưa ra sau đó vào năm 2001. Tiếp theo là R5 được đưa ra vào năm 2002 và R6 vào
năm 2004. Phát hành R7 được đưa ra vào nửa cuối năm 2007. 3GPP lúc đầu có
bốn nhóm đặc tả kĩ thuật(TSG) khác nhau và sau đó là năm nhóm chuyển từ các

hoạt động GSM/EDGE vào 3GPP. Sau khi cơ cấu lại vào năm 2005, quay lại còn 4
nhóm TSG (hình 1.2) sau đây:
 TSG RAN (Radio Access Network : mạng truy nhập vô tuyến). TSG RAN
tập trung lên giao diện vô tuyến và các giao diện bên trong giữa các trạm thu phát
gốc (BTS)/các bộ điều khiển trạm gốc (RNC) cũng như giao diện giữa RNC và
mạng lõi. TSG RAN chịu trách nhiệm cho các tiêu chuẩn HSDPA và HSUPA
 TSG CT (lõi và các đầu cuối). TSG CT tập chung lên các vấn đề mạng lõi
cũng như báo hiệu giữa mạng lõi và các đầu cuối
 TSG SA (dịch vụ và kiến trúc hệ thống). TSG SA tập chung lên các dịch vụ
và kiến trúc hệ thống tổng thể.
 TSG GERAN (GSM/EDGE RAN). TSG GERAN tập trung lên các vấn đề về
RAN nhưng cho giao diện vô tuyến dựa trên GSM/GPRS/EDGE

Hình 1.2. Cấu trúc 3GPP
Dưới TSG là các nhóm công tác (WG), tại đây công tác nghiên cứu kĩ thuật
thực sự được tiến hành. Chẳng hạn dưới TSG RAN, nơi nghiên cứu HSDPA và
HSUPA, có năm nhóm công tác sau đây:


3
 TSG RAN WG1: Chịu trách nhiệm cho các khía cạnh về lớp vật lý
 TSG RAN WG2: Chịu trách nhiệm cho các khía cạnh lớp 2 và lớp 3
 TSG WG3: Chịu trách nhiệm cho các giao diện bên trong RAN
 TSG RAN WG4: Chịu trách cho các yêu cầu về hiệu năng và vô tuyến
 TSG RAN WG5: Chịu trách nhiệm cho kiểm tra đầu cuối
Các thành viên của 3GPP gồm các đối tác có tổ chức. Các hãng cá nhân phải là
thành viên của một trong các đối tác có tổ chức và dựa trên tổ chức này họ có quyền
tham ra vào hoạt động của 3GPP. Dưới đây là các đối tác có tổ chức hiện nay:
 Liên minh các giải pháp công nghệ viễn thông (ATIS) từ Mỹ
 Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI)

 Liên hiệp các tiêu chuẩn thông tin Trung Quốc (CCSA)
 Liên hiệp giới công nghiệp và kinh doanh vô tuyến (ARIB)
 Uỷ ban cộng nghệ viễn thông (TTC)
 Liên hiệp công nghệ viễn thông (TTA)
3GPP tạo lập nội dung kĩ thuật của các đặc tả, nhưng chính các đối tác có tổ
chức sẽ công bố công việc này. Điều này cho phép có được các tập đặc tả giống
nhau tại tất cả các vùng trên thế giới và vì thế đảm bảo phổ biến trên tất cả các lục
địa. Ngoài các đối tác có tổ chức, còn có các đối tác được gọi là đại diện thị trường
như UMTS Forum, là bộ phận của 3GPP.
1.2.2.
Chuẩn hoá HSDPA trong 3GPP
Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được đưa vào kế
hoạch nghiên cứu. Trong năm 2000, khi thực hiện hiệu chỉnh WCDMA và nghiên
cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận thấy rằng cần có một số cải thiện cho truy
nhập gói. Để cho phép phát triển này, nghiên cứu khả thi cho HSDPA được khởi
đầu vào tháng 3 năm 2000. Nghiên cứu này được bắt đầu theo các nguyên tắc của
3GPP (phải có ít nhất bốn hãng ủng hộ). Các hãng đầu tiên ủng hộ nghiên cứu
HSDPA gồm Motorola và Nokia thuộc phía các nhà bán máy và BT/Cellnet, T-
Mobile và NTTDoCoMo thuộc phía các nhà khai thác.
Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên hợp đoàn thể TSG RAN và kết luận
rằng các giải pháp được nghiên cứu cho thấy có lợi. Trong danh mục nghiên cứu


4
HSDPA này có các vấn đề được nghiên cứu để cải thiện truyền dẫn số liệu gói
đường xuống so với các đặc tả R3. Các chuyên đề như phát lại lớp vật lý và lập biểu
dựa trên BTS đã được nghiên cứu cùng với mã hoá và điều chế thích ứng. Nghiên
cứu cũng bao hàm cả một số nghiên cứu về công nghệ phát thu nhiều anten dưới
tiêu đề “Nhiều đầu vào nhiều đầu ra” (MIMO) cùng với chọn ô nhanh (FCS).
Vì nghiên cứu khả thi cho thấy có thể đạt được cải thiện đáng kể với mức độ

phức tạp hợp lý, nên rõ dàng là cần tiếp tục danh mục nghiên cứu thực tế để phát
triển các đặc tả. Sau khi danh mục công tác này đã được thiết lập, phạm vi công tác
này vẫn tuân theo danh mục nghiên cứu nhưng MIMQ được lấy ra thành một danh
mục nghiên cứu riêng và nghiên cứu khả thi FCS cũng được bắt đầu độc lập. Danh
mục nghiên cứu HSDPA được nhiều nhà bán máy ủng hộ hơn và danh mục nghiên
cứu thực tế này đã nhận được sự ủng hộ từ các nhà bán máy lớn như Motorola,
Nokia và Ericsson. Trong quá trình nghiên cứu, tất nhiên con số các hãng
đóng góp kĩ thuật cho quá trình này còn lớn hơn nhiều. Một năm sau, đặc tả
HSDPA R5 được phát hành. Tất nhiên vẫn còn có các hiệu chỉnh cho HSDPA,
những chức năng lối đã có trong các đặc tả vật lí. Nghiên cứu một phần bị chậm lại
do các hoạt động hiệu chỉnh song cần thiết cho các đầu cuối và mạng R3 đang được
triển khai. Nhất là đối với các khía cạnh giao thức, các kiểm tra kĩ lưỡng được thực
hiện để phát hiện các chi tiết cần hiệu chỉnh và làm rõ nghĩa các đặc tả và đây là
trường hợp đối với các thiết bị R3 trước khi bắt đầu các hoạt động thương mại tại
Châu Âu vào nửa cuối năm 2002. Nghiên cứu các bộ phận của giao thức HSDPA
chiếm nhiều thời gian nhất, trong đó nghiên cứu tương thích ngược được bắt đầu
vào tháng 3 năm 2004.
Trong sổ các chuyên đề khác liên quan đến HSDPA, danh mục nghiên cứu
MIMO không hoàn thành trong trương trình khung thời gian của R5 và R6. Người
ta vẫn tranh luận xem có xứng đáng đưa nó vào hệ thống hay không và đây là
chuyên đề nằm trong danh sách các chuyên đề của R7. Nghiên cứu khả thi đối với
FCS đã kết luận rằng lợi ích nhận được từ nó không đặng kể so với sự tăng thêm độ
phức tạp vì thệ sau khi nghiên cứu này khép lại không có danh mục nghiên cứu nào
được đưa ra cho FCS. Trong khi tập trung lên FDD (Ghép song công phân chia theo


5
tần số), TDD (Ghép song công phân chia theo thời gian) cũng được đưa vào danh
mục nghiên cứu HSDPA kể cả các giải pháp tương tự trong cả hai chế độ TDD
băng hẹp và băng rộng.

1.2.3.
Chuẩn hoá HSUPA trong 3GPP
Mặc dù HSUPA là thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trên thị trường, trong quá
trình chuẩn hoá HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới cái tên “kênh riêng
đường lên tăng cường” (E-DCH : Enhanced Ưplink Dedicated Channel). Nghiên
cứu được tiến hành trong giai đoạn hiệu chỉnh HSDPA và được bắt đầu bằng danh
mục nghiên cửu về “ tăng cường đường lên cho các kênh truyền tải” vào tháng 9
năm 2002. Từ phía các nhà bán máy, Motorola, Nokia, và Ericsson là các hãng ủng
hộ khởi xướng nghiên cứu cho vấn đề này trong 3GPP.
Các kỹ thuật được nghiên cứu cho HSUPA (E-DCH) bao gồm (xem hình 1.3):
 HARQ lớp vật lý nhanh cho đường lên
 Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B
 Độ dài thời gian truyền dẫn (TTI) đường lên ngắn hơn
 Thiết lập TTI nhanh

Hình 1.3. Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA
Sau một thời gian nghiên cứu dài và chi tiết báo cáo kết quả nghiên cứu đã làm
sáng tỏ các lợi ích của các kĩ thuật được nghiên cửu. Báo cáo cho thấy rằng không


6
có lợi ích tiềm năng khi sử dụng điều chế bậc cao cho đường lên vì thế điều chế
thích ứng đã không được đưa vào danh mục nghiên cứu thực tế.
Danh mục nghiên cứu này được kết thúc vào tháng 3 năm 2004 với khuyến
nghị việc bắt đầu danh mục nghiên cứu trong 3GPP để đặc tả HARQ lớp vật lý
nhanh và cơ chế lập biểu dựa trên nút B cho đường lên cũng như độ dài TTI ngắn
hơn. Ngoài ra cơ chế thiết lập các kênh DCH nhanh hơn không được đưa vào
khuyến nghị, nhưng các vẩn đề này đã được đề cập trong các danh mục nghiên cứu
khác đối với phát hành 3GPP R6 dựa trên các kết quả nhận được trong giai đoạn
danh mục nghiên cứu này. Hình 1.4 cho thấy các kĩ thuật được chọn cho danh mục

nghiên cửu HSUPA.

Hình 1.4. Các kĩ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA
3GPP bắt đầu danh mục nghiên cứu “đường lên tăng cường FDD” để đặc tả các
tính năng của HSUPA theo khuyến nghị của báo cáo. Trong thời gian này nghiên cứu
TDD chưa được tiến hành, nhưng nó sẽ được nghiên cứu trong kế hoạch R7.
Do nghiên cứu nền tảng chi tiết và tốt đã được thực hiện trong thời gian
nghiên cứu 18 tháng, cũng như không còn bận với công tác hiệu chỉnh các phát
hành trước, các đặc tả được tiến triển nhanh và phiên bản tính năng đầu tiên đã
được đưa ra cho các đặc tả lõi vào tháng 12 năm 2004. Phiên bản này vẫn chưa phải
là phiên bản hoàn thiện cuối cùng, nhưng nó chứa các chức năng then chốt và trên
cơ sở các chức năng này có thể tiếp tục tiến hành nghiên cứu hiệu chỉnh và hoàn
thiện chi tiết.



7
Tháng 3 năm 2005, danh mục nghiên cứu này đã chính thức được hoàn thiện
cho các đặc tả chức năng, nghĩa là đã có thể chuyển sang hiệu chỉnh tính năng này.
Trong các tháng còn lại của năm 2005 các vấn đề để mở cũng như các yêu cầu hiệu
năng đã được hoàn thiện.
1.3.
Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE
Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các E-UTRAN
TSG. Trong các cuộc hợp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kĩ thuật là được tán
thành. Thậm chí trong các cuộc hợp sau các vấn đề này vẫn được xem xét lại. 3GPP
đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhóm nghiên cứu TSG RAN. Lộ trình
phát triển của LTE gắn liền với lộ trình phát triển của 3GPP.
Các vấn đề nghiên cứu được thực hiện trong hai TSG :
1.

TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến
2.
TSG SA: Nghiên cứu kiến trúc mạng
Kế hoạch nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được cho trên hình 1.5

Hình 1.5. Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN
Quá trình nghiên cứu được tiến hành trong các nhóm TSG 3GPP LTE/SAE
dưới sự điều hành của PCG (Project Coordination Group: nhóm điều phổi đề án
3GPP) được cho trên hình 1.6.



8

Hình 1.6. Tổ chức của nhóm điều phối đề án 3GPP
Như trên hình 1.6 ta thấy PCG điều hành bốn nhóm TSG sau : (1) SA (dịch vụ
và hệ thống), (2) CT(mạng lõi và đầu cuối), (3) GERAN (mạng truy nhập vô tuyến
GSM EDGE), (4) RAN (mạng truy nhập vô tuyến).
1.4. IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G
Trong ITƯ, nhóm công tác 8F(ITU-R WP 8F) đang tiến hành nghiên cứu các
hệ thống tiếp sau IMT-2000. Bảng 1.1 Cho thấy mục tiêu của 4G