CÔNG NGHỆ LTE VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ
biến với sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi
(802.1x), WiMax (802.16) Cùng với đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh của
mạng viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng của hàng triệu người mỗi ngày. Hệ
thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã
phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng
mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các
hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế
hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu
để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc
độ cao, băng thông rộng của người sử dụng.
Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang
phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới
đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có
rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai,
đó là LTE. Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lực tuyệt
vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần.
Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được
kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện
nay. Chính vì vậy, em đã lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp về đề tài “CÔNG
NGHỆ LTE VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE” để hiểu biết hơn về công
nghệ mới này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa
và các thầy cô giáo đã giúp em hoàn thành đồ án này!
Nghệ An, ngày 6 tháng 1 năm 2012
1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE, với những yêu
cầu của LTE được đặt ra như giảm giá thành so với các công nghệ trước đó,
tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận cao và cải thiện khai thác bảo

dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ, nâng cao hiệu quả phổ tần, thông lượng
người sử dụng, giảm thời gian trễ. Để đạt được các mục đích đó LTE sử dụng
những tính năng quan trọng như công nghệ truyền dẫn OFDM cho đường lên,
SC-OFDM cho đường xuống, công nghệ đa ăng ten MIMO cho hệ thống thu
phát, truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao dùng băng thông rộng. Kết hợp với các
công nghệ khác như: thích ứng đường truyền và lập biểu, các kỹ thuật chuyển
giao, điều khiển công suất và HARQ. Các công nghệ mới này đã được áp
dụng cho truy cập vô tuyến cho phép tăng hiệu năng truyền dẫn vô tuyến của
LTE. Trong đồ án này cũng trình bày chi tiết quá trình quy hoạch mạng LTE
cũng như sử dụng phần mềm Visual Basic cho việc mô phỏng tính toán quy
hoạch mạng LTE.
This thesis go to study an overview of LTE technology, with the
requirements of LTE is defined as cost reduction compared to previous
technologies, enhanced support for high-profit services and improve
implementation maintenance and operation services, improve spectrum
efficiency, user throughput, reduced latency. To achieve that end LTE using
the important features such as OFDM technology transmission for uplink, SC-
OFDM for downlink, MIMO technology for multi-antenna transceiver
system, radio transmission rate high-bandwidth users. Combined with other
technologies such as adaptive transmission and scheduling, delivery
techniques, power control and HARQ. The new technology has been applied
to wireless access for high performance wireless LTE transmission. In this
thesis also present details the process of planning LTE networks as well as
using Visual Basic software for the simulation LTE network planning.
2
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ
TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 7
1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 7
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) 8

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G) 9
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) 12
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G) 14
1.2 Tổng quan về mạng 4G 14
1.3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 17
1.3.1 Ưu điểm nổi bật 18
1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G 18
2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 20
Bảng 2.1 Các thông số lớp vật lý LTE 23
Bảng 2.2 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp 24
Bảng 2.3 So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE 24
Bảng 2.4 So sánh giữa HSPA, WiMAX và LTE 26
2.2 Cấu trúc của LTE 29
Hình 2.1 So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE 29
2.3 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN 35
3
2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols) 37
Hình 2.7 Giao thức của E-UTRAN 38
2.5 Một số đặc tính của kênh truyền 40
2.5.1 Trải trễ đa đường 40
2.5.2 Các loại fading 40
2.5.3 Dịch tần Doppler 41
2.5.4 Nhiễu MAI đối với LTE 41
2.6 Các kỹ thuật sử dụng trong LTE 42
2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1] 42
Hình 2.9 Truyền đơn sóng mang 42
Hình 2.11 Nguyên lý đa sóng mang 43
Hình 2.13 Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM 44
Hình 2.14 Các sóng mang trực giao với nhau 45
Hình 2.16 Thu phát OFDM 46

Hình 2.17 Chuỗi bảo vệ GI 47
Hình 2.18 Tác dụng của chuỗi bảo vệ 48
Hình 2.19 Sóng mang con OFDMA 49
Hình 2.20 OFDM và OFDMA 49
Hình 2.21 Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE 50
4
Bảng 2.5 Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền 50
Hình 2.23 Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo 51
Hình 2.24 Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM 51
Hình 2.25 PAPR cho các tín hiệu khác nhau 52
2.6.2 Kỹ thuật SC-FDMA [1] 52
Hình 2.26 OFDMA và SC-FDMA 53
Hình 2.27 Thu phát SC-FDMA trong miền tần số 54
2.6.3 Kỹ thuật MIMO [1] 54
Hình 2.28 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO 55
Hình 2.29 Ghép kênh không gian 56
2.6.4 Mã hóa Turbo [10] 57
2.6.5 Thích ứng đường truyền [10] 57
2.6.6 Lập biểu phụ thuộc kênh [10] 58
2.6.7 HARQ với kết hợp mềm [10] 58
2.7 Chuyển giao 59
2.7.1 Mục đích chuyển giao 59
2.7.3 Các loại chuyển giao 63
Hình 2.34 Chuyển giao cứng 64
2.8 Điều khiển công suất 67
5
CHƯƠNG 3 QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE 70
3.4 Quy hoạch vùng phủ 80
3.4.1 Quỹ đường truyền 80
Bảng 3.1 Ví dụ về quỹ đường lên của LTE [10] 84

Bảng 3.2 Ví dụ của quỹ đường xuống LTE [10] 84
Bảng 3.3 So sánh quỹ đường truyền lên của các hệ thống 85
Bảng 3.4 So sánh về quỹ đường truyền xuống của các hệ thống 86
3.4.2 Các mô hình truyền sóng 87
Hình 3.4 Các tham số của mô hình Walfisch-Ikegami 89
Bảng 3.5 Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng 91
3.5 Quy hoạch dung lượng [5] 92
Bảng 3.6 Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông 93
Bảng 3.7 Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh
truyền 94
3.6 Mô phỏng 96
KẾT LUẬN 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103
6
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ
TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G
Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội.
Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng
lên và thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng
của nó. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn
phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển
trên thế giới - thế hệ 4. Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc
tính chung của các hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.
1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng
về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin
di động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử
nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
7
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn

đến lĩnh vực thông tin di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin
di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết
hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về
dung lượng.
Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)
Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ
nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số
(FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di
động. Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật
tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều
vượt trội so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không
được truy cập.
1.1.1.1 Đặc điểm
 Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
 Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
 Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS
trong cell.
8
 Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến
AMPS.
1.1.1.2 Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.
Tuy nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng
về cả dung lượng và tốc độ. Nó bao gồm các hạn chế sau:
 Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ.
 Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong
môi trường fading đa đường.
 Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở

hạ tầng.
 Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi.
 Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu,
làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các
nước khác.
 Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp.
 Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử
dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy
cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Vì
vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2.
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)
Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia
theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên
gọi là GSM. Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin
di động thế hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động
dựa trên công nghệ số. Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài
dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số
dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác. Ở Việt Nam, hệ thống
thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được
9
Công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả với hai mạng thông tin di động
số VinaPhone và MobiFone theo tiêu chuẩn GSM.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế
số. Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:
 Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access -
TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
 Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access -
CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.
1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được

chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho
N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu
kỳ một khung. Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu
gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và các bit dữ liệu. Không như hệ thống
FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không liên tục và chỉ sử dụng cho
dữ liệu số và điều chế số.
 Các đặc điểm của TDMA:
- TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định
trước và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân định trước, việc
phân phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngược lại
trong phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có
cuộc gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch.
- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao
thoa giữa các kênh kế cận giảm đáng kể.
- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin thông
qua việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc
truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng
nên thời gian trễ do truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự
đồng bộ phải tối ưu.
10
1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một
băng tần. Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống. Tuy
nhiên, các tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuỗi
mã. Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người
sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi,
mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau.
Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những
kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN.
Trong hệ thống CDMA, tín hiệu bản tin băng hẹp được nhân với tín hiệu

băng thông rất rộng, gọi là tín hiệu phân tán. Tín hiệu phân tán là một chuỗi
mã giả ngẫu nhiên mà tốc độ chip của nó rất lớn so với tốc độ dữ liệu. Tất cả
các users trong một hệ thống CDMA dùng chung tần số sóng mang và có thể
được phát đồng thời. Mỗi user có một từ mã giả ngẫu nhiên riêng của nó và
nó được xem là trực giao với các từ mã khác. Tại máy thu, sẽ có một từ mã
đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu có từ mã giả ngẫu nhiên tương
quan với nó. Tất cả các mã khác được xem như là nhiễu. Để khôi phục lại tín
hiệu thông tin, máy thu cần phải biết từ mã dùng ở máy phát. Mỗi thuê bao
vận hành một cách độc lập mà không cần biết các thông tin của máy khác.
 Đặc điểm của CDMA:
- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ
trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị
truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn
đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.
- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể
gấp từ 4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao
11
hơn do sử dụng dãy mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng
thu đa đường tốt hơn, chuyển vùng linh hoạt. Do hệ số tái sử dụng tần số là 1
nên không cần phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh.
- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và
FDMA. Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể
tăng thêm khi tất cả các kênh bị chiếm.
- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ
thông tin di động tế bào. Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc
độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13 kbps.
1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một
giai đoạn trung gian là thế hệ 2, 5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp
nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể
chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm
các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở
thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một
tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để
phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống
thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng.
Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã
được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU
chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ
2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép
thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông
tin di động thế hệ 3.
 W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp
của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA
như: GSM, IS-136.
12
 CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử
dụng công nghệ CDMA: IS-95.
Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3:
Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa
vào phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng
mới nhưng
cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2.
 Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:
- 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.

- 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.

 Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba
(3G):
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
• Đường lên: 1885-2025 MHz.
• Đường xuống: 2110-2200 MHz.
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô
tuyến:
 Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
 Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.
- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài
đường, trên xe, vệ tinh.
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
 Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên
cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.
 Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
 Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu
chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.
13
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung
gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao
HSDPA. Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép
truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến
1.5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không
dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có
thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng
yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất
lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông
phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng

không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác.
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực
giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên
những tần số khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín
hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị
4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software -
Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng
đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch
gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu.
1.2 Tổng quan về mạng 4G
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT
Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho
thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh
động lên đến 40MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ
như điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng
HDTV đa phương tiện…
14
3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của
LTE chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ
lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với
băng thông 20MHz.
Và sẽ hơn nữa nếu sử dụng ăng ten MIMO, các anten mảng được sử
dụng. LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày
14/12/2009. Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High
Speed OFDM Packet Access), bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access). Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị
viễn thông hàng đầu thế giới: Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia,
Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu
đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T,
France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile, China Mobile, ZTE. . .)

thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt
những thành công đáng kể.
LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó
là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng
tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.
Di động WiMAX (IEEE 802.16e-2005) là chuẩn truy cập di động
không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường
xuống là 128 Mbps và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn
20 MHz.
UMB (Ultra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông
của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như
Alcatel-Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền
tảng CDMA. UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến
20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288
Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng băng tần sử
15
dụng là 20 MHz. Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc
dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE.
Mục tiêu và cách tiếp cận:
4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại,
không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat
video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại,
dữ liệu và các dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô
tuyến trong khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số.
Các mục tiêu mà 4G hướng đến:
 Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz.
 Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao
và 1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm.
 Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế
giới.

 Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75
bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể
nhỏ hơn băng thông 67 MHz)
 Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống
và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.
 Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.
 Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng.
 Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian
thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…
 Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại.
 Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa.
Các điểm cần xét đến:
Vùng bao phủ, môi trường vô tuyến, phổ, dịch vụ, mô hình thương mại
và số người sử dụng.
Các kỹ thuật được sử dụng:
16
 Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý:
- Không sử dụng CDMA
- MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân
tập theo không gian, đa anten đa người dùng.
- Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM
hoặc SC-FDE (single carrier frequency domain equalization) ở
đường xuống: để tận dụng thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà
không phải lượng tử phức tạp.
- Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-
FDMA ở đường xuống: tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người
dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh.
- Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu.
 Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian.
 Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.

1.3 Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các
cuộc gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công
nghệ 3G. Về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc
độ nhanh hơn mạng 3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải
xuống 14Mbps và 5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới
100Mbps đối với người dùng di động và 1Gbps đối với người dùng cố định.
3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc tế cho UL: 1885 - 2025 MHz; DL:
2110 - 2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps - 2Mbps, độ rộng BW: 5 MHz. Đối
với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần: 700 MHz - 2,6 GHz với mục tiêu tốc
độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối
ưu. Tốc độ DL: 100Mbps (ở BW 20MHz), UL: 50Mbps với 2 aten thu một
anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE
so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20
17
MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với
WCDMA.
1.3.1 Ưu điểm nổi bật
 Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G.
 Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ.
 Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh.
 Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA.
 Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE
đối với WCDMA.
1.3.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G
 Hiệu suất phổ cao:
- OFDM ở DL
 Chống nhiễu đa đường
 Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động
- SC-FDMA ở UL

 PAPR thấp
 Người dùng trực giao trong miền tần số
- MIMO
 Tốc độ dữ liệu cao:
- Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng tốc
độ dữ liệu (sử dụng MIMO).
 Độ trễ thấp:
- Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn chuyển tiếp ngắn
- Trễ HO và thời gian ngắt ngắn: TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản
 Giá thành rẻ:
- Cấu trúc mạng đơn giản, giảm các thành phần của mạng
 Chất lượng dịch vụ cao:
18
- Sử dụng các tần số cấp phép để đảm bảo chất lượng dịch vụ: LTE sử dụng
các dải tần số khác nhau : 2100 MHz, 1900 MHz, 1700 MHz, 2600 MHz, 900
MHz, 800 MHz.
- Luôn luôn thử nghiệm (giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến)
- Giảm độ trễ khứ hồi (round trip delay)
 Tần số tái sử dụng linh hoạt:
Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1.
- Sử dụng hai dải tần số:
 Dải 1: hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn
 Dải 2: phổ còn lại
- Các user ở cạnh cell: sử dụng dải 1 => SIR tốt
- Các user ở trung tâm cell: sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao
 Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu:
can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì: do
tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và
giảm can nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể
triệt can nhiễu.

1.4 Kết luận chương
Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự
phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 đồng thời đã
sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai thông số quan
trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin
của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này
càng được cải thiện. Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để
hình thành ưu điểm đó. Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo.
19
CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN
QUAN
2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE
Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống
mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một
trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn
thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT
Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động
tốc độ thấp. 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra,
đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả
chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng
có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và
các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA. Kiến trúc mạng mới
20
được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ
chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào
mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA. Thêm vào đó, FDD và TDD,
bán song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp. Không giống như
FDD, bán song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm. Điều
này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE. Truy cập tuyến lên dựa
vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier

Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ
tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (PAPR) so
với OFDMA. Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử
dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6.
 Động cơ thúc đẩy:
- Cần thế hệ tiếp theo để cải thiện các nhược điểm của 3G và đáp ứng
nhu cầu của người sử dụng
- Người dùng đòi hỏi tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ cao hơn
- Tối ưu hệ thống chuyển mạch gói
- Tiếp tục nhu cầu đòi hỏi của người dùng về giảm giá thành
- Giảm độ phức tạp
- Tránh sự phân đoạn không cần thiết cho hoạt động của một cặp hoặc
không phải một cặp dải thông
 Các giai đoạn phát triển của LTE:
- Bắt đầu năm 2004, dự án LTE tập trung vào phát triển thêm UTRAN
và tối ưu cấu trúc truy cập vô tuyến của 3GPP.
- Mục tiêu hướng đến là 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 (100Mbps). Tải lên: gấp 2 đến 3 lần (50Mbps).
- Năm 2007, LTE của kỹ thuật truy cập vô tuyến thế hệ thứ 3
–“EUTRA”- phát triển từ những bước khả thi để đưa ra các đặc tính kỹ
21
thuật được chấp nhận. Cuối năm 2008 các kỹ thuật này được sử dụng
trong thương mại.
- Các kỹ thuật OFDMA được sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA
được sử dụng cho đường lên.
 Mục tiêu của LTE:
- Tốc độ dữ liệu cao
- Độ trễ thấp
- Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu

 Các đặc tính cơ bản của LTE:
- Hoạt động ở băng tần: 700 MHz - 2,6 GHz.
- Tốc độ:
• DL: 100Mbps (ở BW 20MHz)
• UL: 50 Mbps với 2 aten thu một anten phát.
- Độ trễ: nhỏ hơn 5ms
- Độ rộng BW linh hoạt: 1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz;
20 MHz. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng
nhau hoặc không.
- Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt
động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h
tùy băng tần.
- Phổ tần số:
• Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
• Độ phủ sóng từ 5-100 km
• Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz.
- Chất lượng dịch vụ:
• Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
• VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua
mạng UMTS.
22
- Liên kết mạng:
• Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và
các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
• Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và
UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian
thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại.
- Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm
Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này có
nghĩa là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Trong thực tế,

hiệu suất thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ
và không có sự lựa chọn cho phổ tần của chính nó. Điều này giúp đáng kể cho
các nhà khai thác trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật. Triển khai tại các
tần số cao, LTE là chiến lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong
khi tại các tần số thấp nó có thể cung cấp vùng bao phủ khắp nơi. Mạng LTE
có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP. Nó bao
gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz), cũng
như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-2.1 GHz)…Băng tần chỉ
định dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với dịch vụ IMT trong
khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao.
Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát
triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ.
 Các thông số lớp vật lý của LTE:
Bảng 2.1 Các thông số lớp vật lý LTE
Kỹ thuật truy cập
UL DTFS-OFDM (SC-FDMA)
DL OFDMA
Băng thông
1.4MHz, 3 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz,
20 MHz
TTI tối thiểu 1ms
Khoảng cách sóng mang con 15KHz
Chiều dài CP Ngắn 4.7µs
23
Dài 16.7 µs
Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM
Ghép kênh không gian
1 lớp cho UL/UE
Lên đến 4 lớp cho DL/UE
Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL

Bảng 2.2 Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp
Lớp 1 2 3 4 5
Tốc độ
đỉnh Mbps
DL 10 50 100 150 300
UL 5 25 50 50 75
Dung lượng cho các chức năng lớp vật lý
Băng thông RF 20MHz
Điều chế
DL QPSK, 16QAM, 64QAM
UL QPSK, 16QAM, 64QAM
 Dịch vụ của LTE:
Qua việc kết nối của đường truyền tốc độ rất cao, băng thông linh hoạt,
hiệu suất sử dụng phổ cao và giảm thời gian trễ gói, LTE hứa hẹn sẽ cung cấp
nhiều dịch vụ đa dạng hơn. Đối với khách hàng, sẽ có thêm nhiều ứng dụng
về dòng dữ liệu lớn, tải về và chia sẻ video, nhạc và nội dung đa phương tiện.
Tất cả các dịch vụ sẽ cần lưu lượng lớn hơn để đáp ứng đủ chất lượng dịch
vụ, đặc biệt là với mong đợi của người dùng về đường truyền TV độ rõ nét
cao. Đối với khách hàng là doanh nghiệp, truyền các tập tin lớn với tốc độ
cao, chất lượng video hội nghị tốt…LTE sẽ mang đặc tính của “Web 2.0”
ngày nay vào không gian di động lần đầu tiên. Dọc theo sự bảo đảm về
thương mại, nó sẽ băng qua những ứng dụng thời gian thực như game đa
người chơi và chia sẻ tập tin.
Bảng 2.3 So sánh các dịch vụ của 3G so với 4G LTE
Dịch vụ Môi trường (3G) Môi trường 4G
Thoai (rich voice)
Âm thanh thời gian thực VoIP, video hội nghị chất
lượng cao
24
Tin nhắn P2F(P2F

messaging)
SMS, MMS, các email ưu
tiên thấp
Các tin nhắn photo, IM,
email di động, tin nhắn
video
Lướt
web(browsing)
Truy cập đến các dịch vụ
online trực tuyến, Trình
duyệt WAP thông qua
GPRS và mạng 3G.
Duyệt siêu nhanh, tải các
nội dung lên các mạng xã
hội.
Thông tin cước
phí(paid
information)
Người dùng trả qua hoặc
trên mạng tính cước
chuẩn. Chính yếu là dựa
trên thông tin văn bản.
Tạp chí trực tuyến, dòng
âm thanh chất lượng cao.
Riêng
tư(personalization)
Chủ yếu là âm thanh
chuông, cũng bao gồm
màn hình chờ và nhạc
chờ.

Âm thanh thực (thu âm
gốc từ người nghệ sĩ), các
trang web cá nhân.
Games
Tải về và chơi game trực
tuyến.
Kinh nghiệm game trực
tuyến vững chắc qua cả
mạng cố định và di động.
Video/TV theo yêu
cầu (video/TV on
demand)
Chạy và có thể tải video. Các dịch vụ quảng bá tivi,
Tivi theo đúng yêu cầu
dòng video chất lượng
cao.
Nhạc
Tải đầy đủ các track và
các dịch vụ âm thanh.
Lưu trữ và tải nhạc chất
lượng cao
Nội dung tin nhắn
Tin nhắn đồng cấp sử
dụng ba thành phần cũng
như tương tác với các
media khác.
Phân phối tỷ lệ rộng của
các video clip, dịch vụ
karaoke, video cơ bản
quảng cáo di động.

M-comerce
(thương mại qua
điện thoại)
Thực hiện các giao dịch
và thanh toán qua mạng di
động.
Điện thoại cầm tay như
thiết bị thanh toán, với các
chi tiết thanh toán qua
25