LUẬN văn THẠC sĩ kỹ THUẬT điện tử NGHIÊN cứu CHẤT LƯỢNG tín HIỆU TRONG hệ THỐNG CHUYỂN TIẾP của MẠNG DI ĐỘNG 4g LTE ADVANCED

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG





LÊ ĐÌNH TUẤN



NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU
TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP CỦA
MẠNG DI ĐỘNG 4G (LTE-ADVANCED)




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT






Đà Nẵng – Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ ĐÌNH TUẤN



NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU
TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP CỦA
MẠNG DI ĐỘNG 4G (LTE-ADVANCED)


Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Tăng Tấn Chiến


Đà Nẵng – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn


Lê Đình Tuấn


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
1.Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục đích nghiên cứu 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2
6. Cấu trúc luận văn 2
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED 4
1.1. LTE 4
1.1.1. Các yêu cầu của LTE 4
1.1.2. Kiến trúc LTE 6
1.1.3. Cơ chế truyền dẫn 9
1.1.4 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ 11
1.1.5. Giải pháp đa anten (MIMO) 14
1.2. LTE-ADVANCED 20
1.2.1. Các yêu cầu của LTE-Advanced 20
1.2.2. Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced 21
1.3. SO SÁNH LTE và LTE-ADVANCED 26
KẾT LUẬN CHƯƠNG 27
CHƯƠNG 2:KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 28
2.1. CÁC LOẠI NÚT CHUYỂN TIẾP 29

2.2. CÁC CHIẾN LƯỢC CHUYỂN TIẾP 30
2.3. CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN DẪN CHUYỂN TIẾP 33
2.3.1. Khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) 33
2.3.2. Giải mã hóa và chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) 33

2.4. HỆ THỐNG PHỐI HỢP 33
2.5. CÁC CƠ CHẾ BẮT CẶP CHO VIỆC LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN
TIẾP 34
2.5.1. Cơ chế bắt cặp tập trung 35
2.5.2. Cơ chế bắt cặp phân phối 36
KẾT LUẬN CHƯƠNG 38
CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ THỐNGPHỐI HỢP
CHUYỂN TIẾP 39
3.1. HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP AF 39
3.1.1. Mô hình hệ thống 39
3.1.2. PDF và CDF cho SNR giới hạn trên 41
3.1.3. Phân tích đặc tính hệ thống 44
3.2. HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP DF 48
3.2.1. Mô hình hệ thống 48
3.2.2. Phân tích SER 49
3.2.3 SER biên trên và xấp xỉ tiệm cận 52
KẾT LUẬN CHƯƠNG 55
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU
TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP 56
4.1. MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KIỂM TRA CÔNG THỨC LÝ THUYẾT 57
4.1.1. Sơ đồ mô phỏng đánh giá kiểm tra công thức lý thuyết 57
4.1.2 Thuật toán 58
4.1.3 Kết quả mô phỏng 59
4.1.4 Nhận xét 59
4.2. MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU CỦA HỆ THỐNG

PHỐI HỢP CHUYỂN TIẾP 60
4.2.1 Thiết kế môi trường mô phỏng 60

4.2.2 Sơ đồ mô phỏng 63
4.2.3 Thuật toán 1
4.2.4. Kết quả mô phỏng 66
4.2.5. Nhận xét và đánh giá kết quả 69
KẾT LUẬN CHƯƠNG 71
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 72
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3GPP : 3rd Generation Partnership Project
4G : Fourth Generation
AF : Amplify and Forward
AWGN : Additive White Gaussian Noise
BPSK : Binary Phase Shift Keying
BS : Base Station
CDF : Cumulative Distribution Function
CDMA : Code Division Multiple Access
DF : Decode and Forward
EPC : Evoled Packet Core
E-UTRAN : Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Net
FEC : Forward Error Correction
HSDPA : High Speech Downlink Packet Access
ICI : Inter Carrier Interference
ISI : Inter Signal Interference
IP : Internet Protocol

IFFT : Inverse Fast Fourier Transform
LTE : Long Term Evolution
MGF : Moment Generating Function
MIMO : Multiple Input Multiple Output
MRC : Maximal Ratio Combining
MS : Mobile Station
MME : Mobility Management Entity
OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing


PAPR : Peak to Average Power Ratio
PDF : Probability Distribution Function
PSK : Phase-Shift Keying
QAM : Quadrature Amplitude Modulation
QPSK : Quadrature Phase-Shift Keying
RN : Relay Node
RS : Relay Station
SC : Single Carrier
SC-FDMA : Single Carrier-Frequency Division Multiple Access
SER : Symbol Error Ratio
SNR : Signal to Noise Ratio
SINR : Signal-to-noise-plus-interference ratio
UE : User Equipment






DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng
Tên bảng Trang
1.1 So sánh các yêu cầu của LTE và LTE-Advanced 26




DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình
Tên hình Trang

1.1 Kiến trúc LTE 6
1.2 Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số 13
1.3 Truyền dẫn đa anten MIMO 15
1.4

Sơ đ
ồ hệ thống OFDM

18

1.5 Phổ của sóng mang con OFDM 19
1.6 Ví dụ về khối tập kết sóng mang 21
1.7 Truyền dẫn đa điểm phối hợp 23
1.8 Chuyển tiếp trong LTE-Advanced 25
2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp 28

2.2 Mở rộng vùng phủ sử dụng nút chuyển tiếp 29
2.3 Minh họa nút chuyển tiếp loại 1 và loại 2 30
2.4 Các chiến lược chuyển tiếp 31
2.5 Chuyển tiếp 1 chiều 31
2.6 Chuyển tiếp 2 chiều 32
2.7 Hệ thống phối hợp với 02 nút chuyển tiếp 34
3.1 Mô hình phối hợp với nút chuyển tiếp AF 39
3.2

Đ
ộ lợi SNR trung b
ình theo s
ố l
ư
ợng nút chuyển tiếp

45

3.3 Mô hình phối hợp với nút chuyển tiếp DF 48
4.1 Sơ đồ mô phỏng kỹ thuật phối hợp chuyển tiếp 57
4.2 Sơ đồ thuật toán mô phỏng kỹ thuật phối hợp chuyển tiếp 58
4.3 Kết quả so sánh chất lượng tín hiệu giữa lý thuyết và mô phỏng

59
4.4 Mô hình mô phỏng không có nút chuyển tiếp. 60

4.5 Nút chuyển tiếp ở giữa BS và UE 60
4.6 Môi trường mô phỏng hệ thống phối hợp dùng 1 chuyển tiếp 61
4.7
Môi trường mô phỏng hệ thống phối hợp dùng 2 nút

chuyển tiếp
61
4.8

Kho
ảng cách trong môi tr
ư
ờng d
ùng 1 RN.

62

4.9 Khoảng cách trong môi trường 2 RN. 62
4.10 Sơ đồ mô phỏng 63
4.11 SER chuyển tiếp không phối hợp và truyền trực tiếp 66
4.12 SER của chuyển tiếp phối hợp 1 RN và 2 RN 67
4.13 SER của chuyển tiếp không phối hợp và có phối hợp 68
4.14

So sánh SER truy
ền trực tiếp v
à qua nút chuy
ển tiếp

69



1
MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài
Sự ra đời của hệ thống 4G/LTE mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch
vụ, cung cấp băng thông rộng (đến 100 MHz), dung lượng lớn, truyền dẫn dữ
liệu tốc độ cao (1Gbps cho Downlink và 500Mbps cho Uplink). Để đạt được
các yêu cầu trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, các công nghệ
thành phần tiên tiến đã được đề xuất sử dụng như: OFDMA, MIMO anten,
truyền dẫn đa điểm phối hợp, … Một trong những công nghệ đem lại nhiều
ưu điểm và lợi ích thiết thực là kỹ thuật chuyển tiếp, đó là việc đặt thêm các
nút chuyển tiếp để chuyển tiếp dữ liệu truyền giữa trạm thu phát gốc và thiết
bị người dùng. Kỹ thuật chuyển tiếp được sử dụng với nhiều ưu điểm:
- Mở rộng vùng phủ sóng của eNodeB
- Cung cấp tốc độ dữ liệu cao, đặc biệt tại khu vực rìa cell, nơi mà ở đó
có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp
- Nâng cao chất lượng hệ thống
- Tối ưu được tiêu thụ công suất trên toàn bộ tuyến truyền dẫn
- Giá thành thiết bị thấp hơn eNodeB
Với những ưu điểm này, kỹ thuật chuyển tiếp là công nghệ tiên phong
được đề xuất sử dụng để đáp ứng những yêu cầu của hệ thống 4G.
2. Mục đích nghiên cứu
So sánh đánh giá khả năng cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống
chuyển tiếp của mạng di dộng 4G (LTE-Advanced)
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Chất lượng tín hiệu (thông qua tỉ số SER) trong hệ thống chuyển tiếp
của mạng di động 4G (LTE-Advanced).


2
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên

cứu lý thuyết và mô phỏng mạng 4G sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để tính
toán chất lượng tín hiệu, cụ thể:
+ Thu thập các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
+ Xây dựng mô hình mạng 4G, tiến hành mô phỏng một số thông số về
chất lượng, kiểm tra đánh giá kết quả sau mô phỏng.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Với những ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp, việc nghiên cứu kỹ thuật
này sẽ đáp ứng được những yêu cầu cao về thông số cũng như chất lượng dịch
vụ trong thông tin di động 4G.
6. Cấu trúc luận văn
Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội
dung của luận văn bao gồm các phần sau:
Chương 1: Tổng quan về LTE và LTE-Advanced
Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ thành
phần đề xuất cho LTE và LTE-Advanced
Chương 2: Kỹ thuật chuyển tiếp
Giới thiệu về khái niệm, các loại nút chuyển tiếp, các cơ chế truyền dẫn
chuyển tiếp, các cơ chế bắt cặp chuyển tiếp và truyền dẫn phối hợp
Chương 3: Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp chuyển tiếp
Phân tích và đi xây dựng các biểu thức về tỉ số lỗi symbol SER trong hệ
thống phối hợp với hai loại nút AF và DF
Chương 4: Mô phỏng đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ thống phối
hợp chuyển tiếp
Giới thiệu các sơ đồ, lưu đồ thuật toán chương trình mô phỏng và các
kết quả mô phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống
chuyển tiếp

3
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng luận văn chắc sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót cần được bổ sung và phát triển. Kính mong quý thầy cô và

bạn đọc đóng góp thêm ý kiến để luận văn được hoàn thiện.
Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy PGS.TS. Tăng Tấn
Chiến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại Học Đà
Nẵng đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp ý kiến giúp em hoàn
thành luận văn này.
Đà Nẵng tháng 12 năm 2013
Học viên thực hiện


Lê Đình Tuấn







4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED

GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội thông tin, thì lĩnh vực
kỹ thuật truyền thông cũng phải luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu của
thông tin liên lạc. Đặc biệt là trong xã hội ngày nay nhu cầu về trao đổi thông
tin, truyền dữ liệu, các dịch vụ trên các thiết bị di động là rất lớn. Các hệ
thống thông tin di động hiện tại gồm 2G, 2.5G và đặc biệt là 3G vẫn đang
hoạt động khá tốt và ngày càng phát triển với những thế mạnh của mình.Tuy
nhiên chúng vẫn chưa đáp ứng được mong đợi của những khách hàng có nhu
cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao.Hệ thống thông tin di động sử dụng

công nghệ LTE ra đời sẽ giải quyết được những khó khăn trên.
LTE là từ viết tắt của Long Term Evolution, mô tả công việc chuẩn hóa
của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ
thống truyền thông di động. LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin
di động thứ 4 (4G). Hệ thống này được kỳ vọng có những tiến bộ vượt bậc về
công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ thứ ba (3G) trước đó.
1.1. LTE
1.1.1. Các yêu cầu của LTE [13]
LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển.
UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới.
Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004
3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công
nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra
yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp
dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn

5
giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng
tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Các mục tiêu của công nghệ này là:
- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:
+ Tải xuống: 100 Mbps
+ Tải lên: 50 Mbps
- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng
trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel. 6:
+ Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần
+ Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.
- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h.
Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động
khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy
băng tần).

- Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng: 1.25
MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên
và xuống. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau
hoặc không.
Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng,
trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo
tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output).
Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network) và hỗ
trợ cả 2 chế độ FDD và TDD.
Trên thế giới đã có nhiều hãng viễn thông lớn triển khai hoạt động
mạng LTE.Mạng NTT DoCoMo của Nhật đi tiên phong khi khai trương dịch
vụ vào năm 2009. Ngày 8 tháng 10 năm 2010, hãng viễn thông Ericsson Việt
Nam đã phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện của Bộ Thông tin và Truyền
thông trình diễn công nghệ LTE – công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiến của

6
đại diện của Bộ cùng các mạng di động Việt Nam. Chuyên gia của Ericsson
cho biết, nếu như tốc độ của dịch vụ ADSL được cung cấp tại Việt Nam trung
bình từ 1.5Mbps – 6Mbps đã là băng rộng thì với LTE thế vẫn chưa là
gì.Công nghệ TD-LTE có tốc độ lý tưởng lên đến 110 Mbps với cấu hình
tương tự. Thử nghiệm diễn ra ở băng tần 2300-2400Mhz. Kết thúc cuộc thử
nghiệm tốc độ đo được: tải xuống đạt 80Mbps, tải lên đạt 20Mbps, vượt xa
tốc độ truy nhập của ADSL hiện nay.
1.1.2. Kiến trúc LTE [13]
Dựa vào tính năng khác nhau của các phần tử, mạng di động có thể
được phần thành 2 phần: phần mạng truy nhập vô tuyến và phần mạng lõi.
Các tính năng như điều chế, chuyển giao, … thuộc về phần truy nhập, trong
khi các tính năng khác như tính cước, quản lý di động, … thì thuộc về phần
mạng lõi. Trong LTE, mạng truy nhập vô tuyến là E-UTRAN và mạng lõi là
EPC.

Hình 1.1 Kiến trúc LTE

7
a. Mạng truy nhập vô tuyến
Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong
những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm thời gian thực, sẽ
được cung cấp qua các kênh chuyển mạch gói.Điều này làm gia tăng hiệu quả
phổ tần và làm tăng dung lượng hệ thống so với các hệ thống UMTS và
HSPA hiện tại.Một kết quả quan trọng của việc dùng truy nhập gói cho tất cả
các dịch vụ là sự tích hợp tốt hơn giữa tất cả các dịch vụ đa phương tiện và
giữa các dịch vụ di động và dịch vụ cố định.
Các chức năng của mạng truy nhập vô tuyến bao gồm:
- Mã hóa, đan xen, điều chế và các chức năng lớp vật lý điển hình khác
- ARQ, nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác
- Các chức năng an ninh (mật mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn)
- Các chức năng quản lí tài nguyên, chuyển giao và các chức năng điều
khiển tài nguyên vô tuyến điển hình khác.
Hình 1.1 cho thấy tổng quan mạng truy nhập vô tuyến LTE RAN với
các nút và giao diện.Khác với WCDMA/HSPA RAN, LTE RAN chỉ có 1 kiểu
nút.Như vậy trong LTE không có nút tương đương với RNC. Lý do chủ yếu
là không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên, đường xuống cho lưu lượng
riêng của người sử dụng và triết lý là giảm thiểu số lượng nút.
Một trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong các mạng truy nhập
WCDMA/HSPA, nó đượcgọi làeNodeB(Enhanced NodeB). eNodeB chịu
trách nhiệm cho một tập các ô. Tương tự như nodeB trong kiến trúc
WCDMA/HSPA không cần sử dụng cùng 1 trạm anten. eNodeB thừa hưởng
các chức năng của RNC. eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô
tuyến của 1 ô, các quyết định chuyển giao, lập biểu cho cả đường lên và
đường xuống trong các ô của mình.

8
Chức năng của eNB :
- Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến
- Nén IP header và mã hoá dòng dữ liệu người sử dụng
- Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập
- Bảo đảm chất lượng dịch vụ
- Thực hiện các cuộc chuyển giao với các thiết bị di động UE.
Giao diện giữa eNodeB với mạng lõi và với các eNodeB khác
- eNodeB được nối tới mạng lõi thông qua giao diện S1. Giao diện S1
giống như giao diện Iu nối giữa mạng lõi và RNC trong WCDMA/HSPA.
- Giữa các eNodeB có giao diện X2 giống như giao diện Iur trong
WCDMA/HSPA. Giao diện X2 chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ di động chế
độ tích cực.
b. Mạng lõi
Mạng lõi mới là sự tiến hóa hoàn toàn của hệ thống thế hệ thứ ba, và nó
chỉ hỗ trợ miền chuyển mạch gói. Bởi vậy, nó có tên gọi là EPC (Evoled
Packet Core).
Mạng lõi cũng tuân theo triết lý giảm thiểu số lượng nút giống như ở E-
UTRAN. EPC phân chia các luồng dữ liệu người dùng vào trong mặt bằng
điều khiển và mặt bằng dữ liệu.
EPC bao gồm nhiều thực thể chức năng sau:
-Thực thể quản lý di động (MME: Mobility Management Entity):
thực thi cho các chức năng ở mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê
bao và quản lý phiên, cụ thể là:
+ Cung cấp tín hiệu cho phép truy nhập mạng và khía cạnh an ninh.
+ Chọn chế độ tích cực thấp cho thiết bị người sử dụng khi không làm việc.
+ Theo dõi quản lí danh sách các thuê bao trong khu vực.
+ Chuyển vùng.

9
+ Nút SGSN hỗ trợ các thuê bao 2G, 3G truy nhập mạng LTE.
+ Trung tâm nhận thực.
- Cổng dịch vụ (Seving Gateway): là điểm kết thúc sự truy nhập từ
mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN. Các chức năng chính bao gồm:
+ Là nút hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong
quá trình thiết bị di động di chuyển.
+ Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP.
+ Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn
rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu dịch vụ.
+ Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink.
+ Tính toán chi phí của người dùng.
+ Cho phép cấp quyền truy nhập.
+ Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói.
+ Hỗ trợ việc tính cước.
- Cổng mạng dữ liệu gói (PDN Gateway): là điểm kết cuối cho các
phiên hướng đến mạng dữ liệu gói bên ngoài. Các chức năng chính bao gồm:
+ Thực thi chính sách, mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ
khác nhau.
+ Tính phí hỗ trợ.
+ Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink.
+ Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập.
+ Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP.
+ Phân loại các gói.
+ Có chức năng như DHCP trong 3G.
1.1.3. Cơ chế truyền dẫn
Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều các
công nghệ đa truy nhập, cụ thể: đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho

10
đường xuống (OFDMA), và đa truy nhập phân chia tần số - đơn sóng mang
(SC-FDMA) cho đường lên.
a. Truyền dẫn đường xuống
Cốt lõicủatruyền dẫn vô tuyến đường xuống trong LTElà ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao(OFDM) vớidữ liệuđượctruyền đi trênmột
sốlượng lớn các sóng mang con băng hẹp song song. OFDM cung cấp nhiều
ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa
đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một
kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng).
Bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nhiều sóng mang, thời gian của
symbol sẽ dài hơn độ trải trì hoãn của kênh (delay spread). Vì thời gian ký tự
OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM
cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency
selectivity). Mặc dù trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền
chọn lọc tần số có thể được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự
phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắt đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển
khai đối với những thiết bị đầu cuối di động tại băng thông trên 5 MHz. Vì
vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc chống lại fading lựa chọn tần
số sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết
hợp với ghép kênh không gian(spatial multiplexing).
b. Truyền dẫn đường lên
Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương
thức điều chế hơi khác một chút. Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR
(Peak to Average Power Ratio _ tỷ lệ côngsuất đỉnh so với trung bình) cao,
điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ
phát sóng nhúng trong UE, đó là khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có
một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để

11

mạng bắt được (pick up). Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành
phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên có hiệu quả
công suất cao càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy.
Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối
với các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít
năng lượng càng tốt. Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ
PAPR càng thấp thì thời gian hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định
càng dài.
Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một
PAPR tốt (thấp) hơn, là SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division
Multiple Access _ Đa Truy cập Phân chia theo tần số đơn sóng mang). Việc
sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang sẽ
cho PAPR nhỏ hơn so với OFDM dẫn đến tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu
cuối ít hơn, tăng tính di động cho thiết bị. Vì vậy nó được 3GPP chọn để
truyền dữ liệu ở hướng lên.
1.1.4 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ
Trung tâm của hệ thống truyền dẫn LTE là việc sử dụng kỹ thuật
truyền dẫn chia sẻ kênh truyền (shared channel transmission), khi đó tài
nguyên miền tần số - thời gian được chia sẻ tự động giữa những người dùng.
Kỹ thuật này tương tự với phương pháp được dùng trong HSDPA, mặc dù
cũng thấy rõ sự khác nhau trong việc chia sẻ tài nguyên giữa thời gian và tần
số trong trường hợp của LTE và giữa thời gian và mă phân kênh
(channelization codes) trong trường hợp của HSDPA.
Việc sử dụng truyền dẫn chia sẻ kênh truyền rất phù hợp với những yêu
cầu đặt ra của dữ liệu gói do tài nguyên cần phải thay đổi nhanh chóng cũng
như là cho phép nhiều công nghệ quan trọng khác được dùng bởi LTE. Khối
hoạch định (scheduler) sẽ điều khiển việc phân phát tài nguyên chia sẻ cho

12
người dùng tại mỗi thời điểm. Nó cũng quyết định tốc độ dữ liệu được sử

dụng cho mỗi đường truyền, đó là gọi là thích ứng tốc độ và nó là có thể xem
là một phần của bộ scheduler. Scheduler là thành phần chính và mang tính
quyết định lớn đối với hiệu suất của toàn bộ đường xuống, đặc biệt trong
những mạng có tải trọng cao. Cả truyền dẫn đường lên và đường xuống đều
phải được hoạch định chặt chẽ. Độ tăng ích thực chất trong khả năng hệ thống
có thể đạt được nếu đặc tính kênh truyền được lưu ý đến trong việc quyết định
phân bố, và được gọi là hoạch định phụ thuộc kênh truyền. Kỹ thuật này hiện
đang được khai thác trong HSDPA, khi đó scheduler đường xuống sẽ truyền
tới người dùng với tốc độ dữ liệu tối đa nếu điều kiện kênh truyền gặp thuận
lợi và trong một chừng mực nào đó thì kỹ thuật này cũng được áp dụng cho
đường lên nâng cao (enhanced uplink). Tuy nhiên, ngoài miền thời gian thì
LTE cũng truy cập tới miền tần số, do việc sử dụng OFDM cho đường xuống
và DFTS-OFDM cho đường lên. Vì vậy đối với mỗi miền tần số, bộ scheduler
có thể lựa chọn cho người dùng kênh truyền có đặc tính tốt nhất. Mặt khác,
việc hoạch định trong LTE có thể quan tâm đến sự biến đổi kênh truyền
không chỉ trong miền thời gian, như HSDPA, mà còn trong cả miền tần số.
Điều này được minh họa trong hình 1.2.
Khả năng của kỹ thuật hoạch định phụ thuộc kênh truyền trong miền
tần số đặc biệt hữu ích khi mà tốc độ của thiết bị đầu cuối là thấp, nói cách
khác nghĩa là kênh truyền thay đổi chậm theo thời gian. Kỹ thuật hoạch định
phụ thuộc kênh truyền dựa trên sự thay đổi chất lượng kênh giữa những người
dùng để đạt được độ tăng ích trong hiệu suất hệ thống. Đối với những dịch vụ
nhạy cảm với trễ, scheduler miền thời gian có thể được hoạch định cưỡng bức
cho một người dùng riêng biệt, cho dù chất lượng kênh truyền không đạt được
giá trị đỉnh. Trong những tình huống như vậy, việc khai thác sự thay đổi chất
lượng kênh truyền trong miền tần số sẽ giúp cải thiện hiệu suất của toàn hệ

13
thống. Đối với LTE, việc quyết định phân bố (scheduling decisions) có thể
được đưa ra với định kỳ sau mỗi 1ms và độ chi tiết trong miền tần số là 180

KHz. Điều này cho phép những sự thay đổi kênh truyền tương đối nhanh có
thể được theo dõi bởi bộ scheduler .
c. Hoạch định đường xuống
Trong đường xuống, mỗi thiết bị đầu cuối sẽ báo cáo một đánh giá về
chất lượng kênh truyền tức thời cho trạm gốc. Những đánh giá này có được
bằng cách đo lường một tín hiệu tham khảo, được truyền từ trạm gốc và nó
cũng được sử dụng cho mục đích giải điều chế. Dựa trên những đánh giá về
chất lượng kênh truyền, scheduler đường xuống có thể ấn định lượng tài
nguyên cấp phát cho các người dùng và chất lượng kênh truyền vẫn được đảm
bảo. Trên lý thuyết, một thiết bị đầu cuối được phân bố có thể được chỉ định
một tổ hợp bất kỳ của các khối tài nguyên rộng 180KHz trong mỗi khoảng
thời gian phân bố 1ms (1ms scheduling interval).

Hình 1.2 Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số

14
b. Hoạch định đường lên
Đường lên LTE dựa trên sự phân các trực giao giữa các người dùng và
nhiệm vụ của scheduler đường lên là phân phát tài nguyên cả về thời gian và
tần số (kết hợp TDMA/FDMA) cho các người dùng khác nhau. Quyết định
phân bố được đưa ra sau mỗi 1ms, có nhiệm vụ điều khiển những thiết bị đầu
cuối nào được phép truyền đi thuộc phạm vi 1 cell trong suốt một khoảng thời
gian cho trước, và quyết định tài nguyên tần số nào được dùng cho quá trình
truyền dẫn cũng như là tốc độ dữ liệu nào đang được sử dụng. Chú ý rằng chỉ
một miền tần số kề nhau có thể được cấp cho những thiết bị đầu cuối trong
đường lên như là một hệ quả của việc sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang cho
đường lên LTE.
1.1.5. Giải pháp đa anten (MIMO)
Để đạt được tốc độ truyền và nhận dữ liệu cao, công nghệ LTE cũng
yêu cầu những cải tiến trong phần anten .Công nghệ MIMO là một giải pháp

phù hợp cho những yêu cầu đó.
MIMO(Multi Input Multi Output)là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát
và nhiều ăng ten thu để truyền và nhận dữ liệu. Điều này khắc phục được ảnh
hưởng của hiện tượng đa đường. Đa đường xảy ra khi các tín hiệu khác nhau
đến máy thu tại các khoảng thời gian khác nhau. MIMO chia luồng dữ liệu
thành nhiều luồng đơn lẻ, phát các luồng dữ liệu này trên cùng một kênh vô
tuyến tại cùng một thời điểm. Phía thu sử dụng một thuật toán để xử lý và tạo
ra tín hiệu phát ban đầu từ nhiều tín hiệu thu được.
MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham
vọng về thông lượng và hiệu quả trải phổ. Với hướng Downlink, MIMO 2x2
(2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản,
và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết.
Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật