Nghiên cứu công nghệ thông tin LTE và SAE trong hệ thống thông tin di động 4G

1

M U
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngành công
nghiệp truyền thông cũng phát triển nh vũ bão. Công nghệ không dây đã dần
dần đợc phát triển và trở thành chiến lợc của công nghệ truyền thông trong tơng lai. Qua một thời gian phát triển và ứng dụng trong thực tế mạng không
dây đã phát triển rất nhanh và thu đợc rất nhiều thành quả, đóng góp to lớn
cho sự phát triển chung của ngành thông tin liên lạc. Điển hình là các hệ
thống thông tin di động. Tuy là hệ thống ra đời muộn trong lịch sự ngành
thông liên lạc, nhng hệ thống thông tin di động lại có tốc độ phát triển nhanh
nhất cùng với rất nhiều sự cải tiến về mặt kỹ thuật cũng nh cấu trúc của hệ
thống. Các hệ thống di động hiện nay đã đợc phát triển từ những hệ thống
analog 1G, 2G và hiện nay là 3G. Cha dừng lại ở đó, việc nghiên cứu đang đợc
tiếp tục để hớng tới các thế hệ mạng di động cao hơn nh 4G và 5G.
Thông tin di dộng ngày nay không đơn thuần chỉ phục vụ cho liên lạc
thoại mà còn rất nhiều ứng dụng liên quan đến thu phát dữ liệu tốc độ cao
(multimedia, transfer file, email, chat, video), nhằm phục vụ nhu cầu di
chuyển ngày càng nhiều hơn của con ngời, phục vụ cho nhu cầu giải trí, làm
việc, học tập. Việc đó đòi hỏi hệ thống di động cần đợc nâng cấp để có thể
đáp ứng đợc nhu cầu ngày càng cao nhng vẫn có thể tận dụng đợc hạ tầng vốn
có từ các hệ thống đi trớc. Hiện tại các hệ thống di động cũng đã cung cấp các
dịch vụ liên quan đến dữ liệu, tuy nhiên vẫn không thể cung cấp các dịch vụ
nh TV, video. Thêm vào đó là sự ra đời của WiMAX, đang gây sức ép lớn lên
các hệ thống di động 3,5G bởi lẽ WiMAX đáp ứng đợc các yêu cầu đề ra của
hệ thống di động 4G. Điều đáng nói ở đây là WiMAX đợc xem nh là sự mở
rộng của mạng Wifi trong phạm vi rộng. Để giải quyết những vấn đề trên
3GPP đã đa ra tiêu chuẩn 3GPP LTE, công nghệ mạng di động 4G có thể phát
triển lên từ hạ tầng mạng UMTS(3G) hoặc HsxPA(3,5G). Trớc sự ra đời của
WiMAX IEEE 802.16e, 3GPP buộc phải phát triển 3G LTE để có thể đứng
vững trên thị trờng di động.
Bên cạnh đó, ngoài việc phát triển để LTE có thể trở thành công nghệ di

động hàng đầu, chiếm thị phần lớn, 3GPP đồng thời cũng nghiên cứu các kỹ
thuật đợc ứng dụng trong mạng lõi của hệ thống nhằm đảm bảo đợc sự phát
triển hài hòa của cà mạng lõi và mạng vô tuyến. Mạng lõi có các chức năng
riêng biệt và không kém phần quan trọng so với mạng vô tuyến. Mạng lõi của
hệ thống LTE đợc phát triển trên nguyên tắc mới không tận dụng đợc kiến trúc


2

của hệ thống mạng lõi từ các thế hệ di động trớc đây do 3GPP phát triển. Để
hiểu rõ hơn về hệ thống LTE cũng nh hệ thống mạng lõi SAE, chúng ta đi vào
nghiên cứu qua 4 chơng của nội dung đồ án:

NGHIÊN CứU CÔNG NGHệ LTE Và SAE TRONG Hệ THốNG
THÔNG TIN DI ĐộNg 4g
Chơng 1: Tổng quan về LTE và SAE.
Chơng 2: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE.
Chơng 3: Lớp vật lý LTE.
Chơng 4: SAE.
Trong quỏ trỡnh thc hin do kh nng v thi gian cũn hn ch nờn
ỏn khụng trỏnh khi nhng thiu sút.
Tụi xin chõn thnh cm n Thng tỏ, Ts.Mai Thanh Hi ó trc tip
hng dn, giỳp tụi hon thnh ỏn ny.

Chng 1
TNG QUAN V LTE V SAE
1.1. Cỏc yờu cu chung i vi h thng LTE (Long term evolution).
1.1.1. Cỏc mc tiờu thit k
Cỏc yờu cu i vi LTE ó c phõn chia thnh 7 lnh vc khỏc nhau:

3

- Khả năng.
- Hiệu suất hệ thống.
- Các khía cạnh liên quan đến sự triển khai.
- Cấu trúc và sự di chuyển.
- Sự quản lý tài nguyên vô tuyến.
- Mức độ phức tạp.
- Các khía cạnh chung.
1.1.2. Khả năng
Các mục tiêu yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống và đường lên
tương ứng là 100Mbit/s và 50 Mbit/s khi hoạt động trong sự phân chia phổ
20MHz. Đối với các sự phân chia phổ hẹp hơn, các tốc độ dữ liệu được thay
theo tỷ lệ. Do đó, các yêu cầu này có thể được diễn tả bằng 5 bit/s/Hz đối với
đường xuống và 2.5 bit/s/Hz đối với đường lên. LTE hỗ trợ hoạt động theo cả
FDD lẫn TDD. Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, sự truyền theo đường lên
và theo đường xuống không thể xảy ra cùng một lúc. Do đó, yêu cầu tốc độ
dữ liệu đỉnh không thể được thoả mãn đồng thời. Mặt khác, đối với FDD thì
các đặc điểm kỹ thuật LTE cho phép sự thu và phát đồng thời tại các tốc độ
dữ liệu đỉnh đã xác định ở trên.
Các yêu cầu về độ trễ được tách thành các yêu cầu mặt phẳng
điều khiển (control-plane) và các yêu cầu mặt phẳng sử dụng(user-plane). Các
yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển xử lý độ trễ để nó chuyển tiếp từ các
trạng thái đầu cuối không tích cực tới một trạng thái tích cực trong đó đầu
cuối di động có thể gửi và/hoặc thu dữ liệu. Có hai số đo: một số đo được
biểu diễn bằng thời gian chuyển tiếp từ một trạng thái tạm nghỉ (a camped
state) là một trạng thái trong đó đầu cuối không biết mạng truy nhập vô
tuyến, nghĩa là mạng truy nhập vô tuyến không có bất cứ ngữ cảnh
đầu cuối nào và đầu cuối không có bất kỳ sự ấn định tài nguyên nào yêu cầu

4

là 100ms. Phép đo khác được biểu diễn bằng thời gian chuyển tiếp từ
một trạng thái ngủ (a dormant) là một trạng thái trong đó đầu cuối không biết
mạng truy nhập vô tuyến, tuy nhiên mạng truy nhập vô tuyến biết tế bào nào
mà đầu cuối ở trong, nhưng đầu cuối không có bất cứ tài nguyên vô tuyến nào
được ấn định yêu cầu là 50ms.
Yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng được biểu diễn bằng thời gian nó
tiêu tốn để phát một gói IP nhỏ từ đầu cuối tới nút rìa RAN. Thời gian truyền
một chiều không nên vượt quá 5ms trong một mạng không tải, tức là không
có đầu cuối nào hiện diện trong tế bào.
Yêu cầu phụ đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển là LTE nên hỗ trợ ít
nhất 200 đầu cuối di động ở trạng thái tích cực khi hoạt động tại 5 MHz. Ở
các sự phân chia rộng hơn 5MHz, ít nhất 400 đầu cuối nên được hỗ trợ.
1.1.3. Hiệu suất hệ thống
Các mục tiêu thiết kế hiệu suất hệ thống LTE là thông lượng người
dùng, hiệu quả phổ, tính di động, vùng phủ sóng, và MBMS tăng cường. Quy
định thông lượng người dùng LTE được xác định tại hai điểm: tính trung bình
và tại phần trăm thứ 5 của sự phân bổ người dùng ( trong đó 95% người dùng
có hiệu suất tốt hơn). Tiêu chí hiệu quả phổ cũng được xác định, hiệu quả phổ
được định nghĩa như thông lượng hệ thống trên tế bào tính bằng bit/s/MHz/tế
bào.
Các yêu cầu di chuyển tập trung vào tốc độ các đầu cuối di chuyển.
Hiệu suất tối đa là đích hướng tới tại các tốc độ đầu cuối thấp, 0_15 km/h,
trong khi đó một sự giảm sút nhẹ là được phép đối với tốc độ cao. Đối với tốc
độ lên tới 120 km/h, LTE nên được cung ứng hiệu suất cao và đối với tốc độ
cao hơn 120 km/h hệ thống nên duy trì sự kết nối qua mạng tế bào. Tốc độ tối

5

đa để quản lý trong một hệ thống LTE đạt tới 350 km/h (hoặc thậm chí lên tới
500 km/h phụ thuộc vào băng tần ).
Các yêu cầu vùng phủ sóng tập trung vào phạm vi tế bào (bán kính), đó là
khoảng cách lớn nhất từ vị trí tế bào tới một đầu cuối di động trong tế bào.
Yêu cầu cho các kịch bản, trường hợp giới hạn không nhiễu là để thoả mãn
thông lượng người dùng, hiệu quả phổ, và các yêu cầu mức độ di
chuyển cho các tế bào với phạm vi tế bào lên tới 5 km. Đối với các tế bào,
phạm vi tế bào lên tới 30 km, một sự suy giảm nhẹ thông lượng
người dùng được bỏ qua và một sự suy giảm đáng kể hơn về hiệu quả phổ có
thể chấp nhận được liên quan tới các yêu cầu. Tuy nhiên, các yêu cầu về độ di
chuyển nên được thoả mãn. Các phạm vi tế bào lên tới 100 km không
những không nên loại trừ bởi các đặc tính kỹ thuật mà trái lại các quy định
hiệu suất cần được nói rõ trong trường hợp này.
1.1.4. Các khía cạnh liên quan tới triển khai
Các yêu cầu liên quan tới việc triển khai gồm có các kịch bản triển
khai, mức độ mềm dẻo phổ, sự triển khai phổ, sự tồn tại đồng thời và sự liên
kết mạng cùng với các công nghệ truy nhập vô tuyến 3GPP khác nhau như là
GSM và WCDMA/HSPA.
Yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm hai trường hợp khi hệ thống LTE
được triển khai như một hệ thống độc lập và trường hợp nó được triển khai
cùng với WCDMA/HSPA và / hoặc GSM. Do đó, yêu cầu này không nằm
trong giới hạn thực tế chỉ tiêu thiết kế.
Sự tồn tại đồng thời và sự liên kết mạng cùng với các hệ thống 3GPP
khác nhau và các yêu cầu riêng của chúng thiết lập sự yêu cầu về sự
di chuyển giữa LTE và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho các đầu
cuối di động hỗ trợ các công nghệ đó.
Bảng 1.1. Các quy định thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA

6

Thời gian không thực (ms) Thời gian thực (ms)
LTE tới WCDMA

500

300

LTE tới GSM

500

300

Bảng 1.1 ghi các yêu cầu khoảng thời gian gián đoạn, đó là khoảng thời gian
dài nhất mà có thể chấp nhận trong liên kết vô tuyến khi di chuyển
giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau, đối với cả các dịch vụ thời
gian thực và thời gian không thực. Chú ý rằng các quy định đó rất lỏng,
không chặt đối với thời gian gián đoạn chuyển giao cuộc gọi và các giá trị tốt
hơn một cách đáng kể được mong đợi trong các triển khai thực tế.
Cơ sở cho các yêu cầu về tính mềm dẻo phổ là yêu cầu đối với LTE sẽ
được triển khai trong các băng tần IMT_2000 hiện nay, đưa đến sự tồn tại
đồng thời cùng với các hệ thống mà đã được triển khai trong các băng tần đó,
gồm có WCDMA/HPSA hoặc GSM. Một bộ phận có liên quan của các yêu
cầu LTE về mặt tính mềm dẻo phổ là khả năng để triển khai sự truy nhập vô
tuyến cơ sở LTE theo cả sự phân chia phổ cặp lẫn sự phân chia phổ không
theo cặp, nghĩa là LTE nên hỗ trợ cả FDD lẫn TDD.

Sơ đồ song công hay sự bố trí song công là một thuộc tính của một công
nghệ truy nhập vô tuyến . Tuy nhiên, một sự phân chia phổ cho trước cũng
được kết hợp một cách đặc trưng cùng với một sơ đồ song công cụ thể. Các
hệ thống FDD được triển khai theo các sự phân chia phổ cặp, có một vùng tần
số dành cho phát theo đường xuống, còn vùng kia dành cho phát theo đường
lên. Các hệ thống TDD được triển khai theo các sự phân chia không theo phổ
cặp.
Một ví dụ là phổ IMT-2000 tại 2 GHz, đó là ‘băng lõi’ IMT2000. Như biểu diễn trong hình 1.1, nó gồm có cặp băng tần 1920- 1980 MHz
và 2110- 2170 MHz dành cho truy nhập vô tuyến FDD cơ bản. Hai băng tần


7

1910-2020 MHz và 2010-2025 MHz dành cho truy nhập vô tuyến TDD cơ
bản. Chú ý rằng do sự điều chỉnh địa phương và khu vực thì việc sử dụng của
phổ IMT-2000 (International Mobile Telecommunicational-2000) có thể
khác nhau so với cái gì được biểu diễn ở đây.

Hình1.1. Cấp phát phổ ‘băng lõi’ IMT cơ bản tại 2 GHz
Sự phân chia cặp đối với FDD trong hình 1.1 là 2 x 60 MHz, nhưng phổ
có thể dùng được đối với một nhà khai thác mạng đơn lẻ có thể là 2 x 20 MHz
hoặc thậm chí 2 x 10 MHz. Trong các băng tần khác thậm chí ít phổ hơn có
thể dùng được. Hơn nữa, sự di chuyển của phổ hiện nay dùng cho các công
nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau nhất thiết phải thực hiện từ từ để đảm
bảo rằng số lượng của các phần phổ còn lại đủ để hỗ trợ nhiều người
dùng hiện tại.
Vì vậy, lượng phổ mà có thể được di chuyển theo hướng LTE lúc ban đầu
có thể tương đối nhỏ, sau đó có thể sẽ từ từ tăng lên, như đã biểu diễn trong
hình 1.2. Sự thay đổi của các kịch bản phổ có thể có sẽ đưa đến một sự quy
định cho tính mềm dẻo phổ đối với LTE về mặt các độ rộng băng thông

truyền dẫn được hỗ trợ.


8

Hình 1.2. Ví dụ về LTE có thể được di chuyển từng bước vào trong một sự
cấp phát phổ cùng với một sự triển khai GSM gốc
1.1.5. Cấu trúc và sự di chuyển
Một vài nguyên tắc hướng dẫn đối với việc thiết kế cấu trúc LTE
RAN được trình bày bởi 3GPP như sau:
•

Một cấu trúc LTE RAN đơn lẻ nên được quy chuẩn.

•

Cấu trúc LTE RAN nên dựa trên nền tảng gói, mặc dù lưu
lượng lớp đàm thoại thời gian thực nên được hỗ trợ.

•

Cấu trúc LTE RAN nên giảm tới mức tối thiểu sự xuất hiện của
‘ các điểm đơn lẻ của hư hỏng’ không thêm vào chi phí
cho mạng đường trục.

•

Cấu trúc LTE RAN nên làm đơn giản hoá và tối thiểu hoá số
lượng các giao diện.

•

Sự tương tác lẫn nhau giữa lớp mạng vô tuyến (RNL:
Radio Network Layer) và lớp

mạng truyền tải (TNL:


9

Transport Network Layer) không nên loại trừ nếu quan tâm
đến cải thiện hiệu suất của hệ thống.
•

Cấu trúc LTE RAN nên hỗ trợ một QoS từ đầu cuối tới đầu
cuối. TNL nên đưa ra yêu cầu QoS phù hợp với RNL.

•

Cơ chế QoS cần tính đến các loại lưu lượng khác nhau cái mà
tồn tại để cung cấp việc sử dụng hiệu quả dải thông: lưu
lượng mặt bằng điều khiển, lưu lượng mặt bằng sử dụng và
lưu lượng O&M.

•

LTE RAN nên được thiết kế theo cách để tối thiểu hoá sự thay
đổi rung pha đối với lưu lượng cần rung pha thấp như TCP/IP.

1.1.6. Quản lý tài nguyên vô tuyến

Các yêu cầu quản lý tài nguyên vô tuyến được chia thành hỗ trợ tăng
cường cho QoS đầu cuối-tới-đầu cuối, hỗ trợ có hiệu quả cho sự truyền dẫn
của các lớp cao hơn, hỗ trợ về phân chia tải và quản lý chiến lược qua các
công nghệ truy nhập vô tuyến.
Hỗ trợ nâng cao cho QoS đầu-tới-đầu yêu cầu cải thiện thích ứng về
dịch vụ, các yêu cầu ứng dụng và giao thức (gồm có báo hiệu lớp cao hơn)
cho các tài nguyên RAN và các đặc tính vô tuyến.
Hỗ trợ hiệu quả cho việc truyền dẫn của các lớp cao hơn yêu cầu LTE
RAN nên ‘đưa ra các cơ chế để hỗ trợ việc truyền dẫn và sự làm việc có hiệu
quả của các giao thức lớp cao hơn trên giao diện vô tuyến, như là nén mào
đầu IP.
Hỗ trợ về sự phân chia tải và quản lý chiến lược qua các công nghệ truy
nhập vô tuyến khác nhau đòi hỏi sự cân nhắc về các cơ chế tái lựa chọn để
hướng các đầu cuối di động tới các công nghệ truy nhập vô tuyến thích hợp
cũng như hỗ trợ cho QoS đầu cuối-tới-đầu cuối trong khi chuyển giao cuộc
gọi giữa các công nghệ truy nhập.


10

1.1.7. Mức độ phức tạp
Các yêu độ phức tạp nói về sự phức tạp của toàn bộ hệ thống cũng
như sự phức tạp của đầu cuối di động. Về cơ bản, các quy định này dẫn đến
rằng số lượng các tuỳ chọn nên được tối thiểu hoá cùng với các điểm đặc
trưng không cần thiết. Điều này cũng dẫn tới tối thiểu hoá số lượng các
trường hợp kiểm tra cần thiết.
1.1.8. Các khía cạnh chung
Các yêu chung bao chùm phần này đối với LTE chú tâm vào các khía
cạnh liên quan tới chi phí và dịch vụ. Rõ ràng, mong muốn giảm thiểu chi phí
trong khi duy trì hiệu suất mong muốn đối với tất cả các dịch vụ được hình

dung ra. Chi phí được tập trung vào đường trục, sự vận hành và bảo dưỡng.
Do đó, không chỉ giao diện vô tuyến mà còn sự truyền tải tới các vị trí trạm
gốc và hệ thống quản lý nên được chú ý bởi LTE. Một quy định rõ về các
giao diện nhiều nhà cung cấp cũng nằm trong các loại quy định này.
Hơn nữa, các đầu cuối không phức tạp và công suất thấp được quy định.
1.2. Các yêu cầu chung đối với SAE (System architecture evolution)
Mục tiêu đặt ra đối với SAE cũng được chia thành các phần sau:
• Các lĩnh vực hoạt động và người sử dụng ở mức độ cao.
• Dung lượng cơ bản.
• Đa truy nhập và di chuyển không giới hạn.
• Khía cạnh giao diện con người – máy.
• Các yêu cầu về hiệu suất đối với sự phát triển của hệ thống 3GPP.
• Bảo mật và tính riêng tư.
• Tính cước
Mặc dù các yêu cầu của SAE rất nhiều và phân chia vào subgroups ở
trên, các yêu cầu của SAE chủ yếu là không liên quan đến phần vô tuyến. Vì


11

vậy, ta sẽ tóm tắt các yêu cầu quan trọng nhất của SAE có tác động tới phần
truy cập vô tuyến hoặc là kiến trúc của SAE.
Hệ thống SAE cần phải có khả năng để vận hành nhiều hơn so với
mạng truy nhập vô tuyến LTE và cần phải có những chức năng lưu động cho
phép một thiết bị đầu cuối di động di chuyển giữa những hệ thống truy nhập
vô tuyến khác nhau. Thật ra, những yêu cầu không làm hạn chế tính lưu động
giữa những mạng truy nhập rnhưng, nhưng mở ra về sự lưu động tới mạng
truy nhập cố định. Những mạng truy nhập không cần phải được phát triển bởi
3GPP, những mạng truy nhập khác không phải 3GPP cần phải cũng được
xem xét.

Như thường lệ trong 3GPP, chuyển vùng là yêu cầu rất lớn đối với
SAE, bao gồm cả chuyển vùng đến và chuyển vùng đi sang các mạng SAE
khác. Hơn thế nữa sự tương tác giữa dịch vụ chuyển mạch gói và dịch vụ
chuyển mạch kênh cũng được yêu cầu. Tuy nhiên nó không yêu cầu việc hỗ
trợ chuyển mạch kênh từ các thành phần chuyển mạch kênh của các mạng
khác.
Tất nhiên là SAE hỗ trợ các dịch vụ truyền thống như là thoại, video,
tin nhắn và truyền file dữl iệu , thêm vào đó là các dịch vụ multicast và
broadcast. Thực tế, với các yêu cầu để hỗ trợ việc kết nối giữa IPv4 và IPv6
gồm có việc di chuyển giữa các mạng truy nhập hỗ trợ các phiên bản IP khác
nhau cũng như liên lạc giữa các thiết bị đầu cuối sử dụng phiên bản khác
nhau, bất kỳ dịch vụ nào dựa trên IP cũng sẽ được hỗ trợ mặc dù có lẽ không
cùng với việc tối ưu hóa chất lượng dịchvụ.
Hệ thống SAE cần phải cung cấp các cơ chế bảo mật cao cấp cái mà
tương đương hoặc tốt hơn so với mức bảo mật của 3GPP cho
WCDMA/HSPA và GSM. Điều này có nghĩa là bảo vệ chống lại mối đe dọa
và tấn công bao gồm cả thứ hiện có trên Internet sẽ là một phần của SAE.


12

Hơn nữa, hệ thống SAE sẽ cung cấp thông tin nhận thực giữa các thiết bị di
động và mạng, nhưng đồng thời cũng cho phép ngăn chặn hợp pháp về lưu
lượng.
Hệ thống SAE có yêu cầu cao về sự riêng tư người sử dụng. Một vài
cấp độ đã được cung cấp. Ví dụ như bảo mật thông tin liên lạc, riêng tư về vị
trí.... Vì vậy, hệ thống cơ sở cúa SAE sẽ ẩn đi sự nhận dạng về người sử dụng
từ bên thứ ba không hợp pháp, bảo vệ nội dung, nguồn gốc và đích đến của
một kênh liên lạc từ các đối tượng không hợp pháp và phát hiện vị trí của
người sử dụng từ đối tượng không hợp pháp.

Một số mô hình tính phí, bao gồm cả bên gọi trả tiền, tỷ lệ cố định, và
tính phí dựa trên trên QoS được yêu cầu để được hỗ trợ trong SAE. Khía cạnh
tính cước thỉnh thoáng có thể thấy trong mạng truy nhập vô tuyến, đặc biệt là
những mô hình được tính phí dựa trên gửi QoS hoặc gửi dữ liệu khối tin. Tuy
nhiên, hầu hết các chương trình tính phí chỉ có thể thấy thông tin trong các
mạng lõi.


13

Chương 2
CÁC KỸ THUẬT SỦ DỤNG TRONG LTE
2.1. Truy nhập vô tuyến LTE
2.1.1. Các sơ đồ truyền dẫn: OFDM đường xuống và SC-FDMA
đường lên.
Sơ đồ truyền dẫn đường xuống dựa trên cơ sở OFDM (Orthogolnal
Frequency-Division Mtilplexing). Do thời gian symbol OFDM tương đối dài
kết hợp với một tiếp đầu tuần hoàn CP (CP:Cycle Prefix), OFDM có sức chịu
đựng cao về mặt chống lại độ chọn lọc tần số kênh. Mặc dù sự sai lạc tín hiệu
do một kênh chọn lọc theo tần số về nguyên lý có thể được xử lý bằng cách
san bằng ở bên thu, sự phức tạp của việc san bằng bắt đầu trở nên không hấp
dẫn để thực thi trong một thiết bị đầu cuối di động tại các độ rộng băng trên
5MHz. Vì vậy, OFDM cùng với sức chịu đựng vốn có của nó đối với pha
đinh chọn lọc theo tần số đã được áp dụng cho đường xuống, đặc biệt là khi
được kết hợp cùng với sự ghép không gian.


Các lợi ích khi dùng OFDM gồm có:
• OFDM cung cấp sự truy nhập tới miền tần số, theo cách đó cho

phép thêm độ tự do cho bộ lập lịch + - phụ thuộc kênh so với HSPA.
• Các sự phân chia dải thông mềm dẻo được hỗ trợ một cách dễ
dàng bởi OFDM, bằng cách biến đổi số lượng các sóng mang con OFDM
được sử dụng cho truyền dẫn. Tuy nhiên, chú ý rằng sự hỗ trợ về các sự phân
chia nhiều phổ cũng đòi hỏi việc lọc RF (Radio Frequency) mềm dẻo, đó là


14

việc làm mà không phù hợp cho sơ đồ truyền dẫn chính xác. Tuy nhiên nó lại
cho phép duy trì cấu trúc xử lý băng gốc giống nhau, không quan tâm độ rộng
của băng thông, làm đơn giản việc thực thi đầu cuối.
•

Sự truyền dẫn quảng bá/đa trạm trong đó các thông tin giống nhau

được phát từ nhiều trạm gốc, được thực hiện dễ dàng nhờ OFDM.
Đối với đường lên LTE, sự truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên cơ sở
OFDM trải DFT (Discrete Fourier Transform) (DFTS-OFDM) được sử dụng.
Việc sử dụng sự điều chế đơn sóng mang trong đường lên được thúc đẩy nhờ
tỷ số đỉnh trên trung bình của tín hiệu được truyền thấp hơn so với việc truyền
dẫn đa sóng mang như là OFDM. Tỷ số đỉnh–trung bình của tín hiệu được
phát nhỏ hơn sẽ có thể cho công suất truyền dẫn trung bình cao hơn đối với
một bộ khuếch đại cho trước. Vì vậy, sự truyền dẫn đơn sóng mang cho phép
sử dụng bộ khuếch đại công suất hiệu quả hơn, điều này tương đương với
vùng phủ sóng tăng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với đầu cuối bị giới hạn
công suất.
Ngược lại, đối với đường lên WCDMA/HSPA cũng dựa vào sự truyền
dẫn đơn sóng mang nhưng không trực giao, trong khi đó đường lên của LTE
dựa trên cơ sở phân tách trực giao những người sử dụng về thời gian và tần

số. Sự phân tách người dùng trực giao có ích trong nhiều trường hợp vì nó
ngăn ngừa nhiễu nội tế bào. Tuy nhiên, sự cấp phát một tài nguyên dải thông
tức thời rất lớn cho một người dùng đơn lẻ là một chiến lược không hiệu quả
ở các trường hợp mà trong đó tốc độ dữ liệu chủ yếu bị giới hạn bởi công suất
truyền hơn là dải thông. Trong hoàn cảnh như thế, một đầu cuối chỉ được cấp
phát một phần của tổng dải thông truyền dẫn và các đầu cuối khác có thể phát
song song trên phần còn lại của phổ. Theo cách đó, đường lên LTE này bao
gồm thành phần đa truy nhập miền tần số, kế hoạch truyền dẫn đường lên


15

LTE đôi khi cũng được gọi là FDMA đơn sóng mang (SC-FDMA: Single
Carrier-FDMA).
2.1.2. Sự lập lịch phụ thuộc kênh và sự thích nghi tốc độ
Điểm chủ yếu của sơ đồ truyền dẫn LTE là việc sử dụng truyền dẫn
kênh chia sẻ, trong đó nguồn tài nguyên thời gian-tần số được chia sẻ một
cách động giữa những người sử dụng. Việc sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ
thích ứng tốt với các yêu cầu nguồn tài nguyên thay đổi một cách nhanh
chóng đã được đề ra bởi dữ liệu gói và cũng cho phép một vài công nghệ then
chốt khác được sử dụng bởi LTE.
Trong mỗi khoảng thời gian ngắn, bộ lập lịch điều khiển để ấn định
những người dùng các tài nguyên được chia sẻ này. Nó cũng quyết định tốc
độ dữ liệu được dùng cho mỗi liên kết, tức là sự thích nghi tốc độ và có thể
được xem như một phần của bộ lập lịch này.
Bộ lập lịch là một phần tử chủ chốt và quyết định lớn đến hiệu suất
toàn bộ đường xuống, đặc biệt là trong một mạng tải mức cao. Sự tăng đáng
kể dung lượng hệ thống có thể đạt được nếu các điều kiện về kênh được đưa
vào tính toán trong quyết định lập lịch, nên được gọi là sự lập lịch phụ thuộc
kênh (Channel-Dependent-Scheduling). Điều này đã được khai thác trong

HSPA, nơi mà bộ lập lịch đường xuống này phát tới một người dùng khi các
điều kiện kênh thuận lợi để tối đa hoá tốc độ dữ liệu, và ở phạm vi nào đó
cũng có khả năng thực hiện đối với đường lên được nâng cao.


16

Hình 2.1. Lập lịch trình phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời
gian và tần số.
Tuy nhiên, thêm vào miền thời gian này LTE cũng có cả truy nhập tới
miền tần số, nhờ có sử dụng OFDM trong đường xuống và DFTS – OFDM
trong đường lên. Cho nên, với mỗi miền tần số, bộ lập lịch có thể lựa chọn
người dùng cùng với các điều kiện kênh tốt nhất. Nói cách khác, việc lập lịch
trong LTE không chỉ có thể đưa các sự biến đổi kênh vào tính toán ở miền
thời gian như HSPA mà còn trong cả miền tần số. Điều này được minh hoạ
trong hình 2.1.
Khả năng đối với việc lập lịch phụ thuộc kênh ở miền tần số là có ích
nhất tại các tốc độ đầu cuối thấp, nói cách khác khi kênh này đang thay đổi
một cách chậm chạp theo thời gian. Việc lập lịch phụ thuộc kênh dựa vào các
sự biến đổi chất lượng kênh giữa những người dùng để đạt được lợi ích về
dung lượng hệ thống. Đối với các dịch vụ nhạy với trễ, một bộ lập lịch miền
thời gian duy nhất có thể bị bắt buộc để lập một người dùng cụ thể, bất chấp
chất lượng kênh đang tại đỉnh của nó hay không. Trong hoàn cảnh như vậy,
việc lợi dụng các sự biến đổi chất lượng kênh cả trong miền tần số sẽ giúp cải


17

thiện hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Đối với LTE, các quyết định lập lịch có
thể được thực hiện mỗi 1ms một lần và trong miền tần số là 180 kHz. Điều

này cũng cho phép các sự biến đổi kênh tương đối nhanh được theo dõi nhờ
bộ lập lịch này.
• Lập lịch đường xuống
Ở đường xuống, mỗi đầu cuối thông báo một sự đánh giá về chất
lượng kênh tức thời tới trạm gốc. Các đánh giá này thu được nhờ phép đo dựa
vào một tín hiệu chuẩn được phát bởi trạm gốc và cũng được dùng cho các
mục đích điều chế. Dựa vào đánh giá chất lượng kênh, bộ lập lịch đường
xuống có thể ấn định các nguồn tài nguyên cho những người sử dụng, đưa các
chất lượng kênh vào trong tính toán. Về nguyên lý, một đầu cuối được lập
lịch có thể được ấn định một tập bất kỳ của các khối tài nguyên rộng 180 kHz
trong mỗi khoảng thời gian lập lịch 1ms.
• Lập lịch đường lên
Đường lên LTE được dựa vào sự phân tách trực giao của những
người sử dụng và nó làm nhiệm vụ của bộ lập lịch đường lên để ấn định các
tài nguyên trong cả miền thời gian lẫn miền tần số (kết hợp TDMA và
FDMA) cho những người dùng khác nhau. Các quyết định lập lịch được đưa
ra một lần cho mỗi ms để điều khiển các đầu cuối di động mà được phép phát
bên trong một tế bào trong một khoảng thời gian đã cho về những tài nguyên
tần số truyền dẫn sẽ thực hiện và những tốc độ dữ liệu đường lên (dạng truyền
tải) mà sử dụng. Chú ý rằng chỉ một miền tần số kề nhau được ấn định cho
các đầu cuối di động trong đường lên như là hệ quả của việc dùng truyền dẫn
đơn sóng mang trên đường xuống LTE.
Các điều kiện kênh có thể được đưa vào trong tính toán trong quá
trình xử lý lập lịch đường lên giống như việc lập lịch cho đường xuống. Tuy
nhiên, thông tin thu được về các điều kiện kênh đường lên này là một nhiệm


18

vụ không phải không quan trọng. Vì vậy, các phương pháp khác nhau để đạt

được sự phân tập đường lên là điều quan trọng như một sự bổ xung trong các
hoàn cảnh mà sự lập lịch phụ thuộc kênh không được sử dụng.
• Sự lập toạ độ nhiễu liên tế bào
LTE cung cấp tính trực giao giữa những người sử dụng bên trong
một tế bào trong cả đường xuống lẫn đường lên. Vì vậy, hiệu suất LTE về mặt
hiệu quả phổ và tốc độ dữ liệu đã dùng bị hạn chế hơn bởi nhiễu từ các tế bào
khác (nhiễu liên tế bào) so với WCDMA/HSPA. Do đó, các phương pháp để
giảm hoặc kiểm soát nhiễu liên tế bào có thể cung cấp lợi ích đáng kể về hiệu
suất LTE, nhất là về mặt dịch vụ (các tốc độ dữ liệu, v..v..) để có thể được
cung cấp cho nhiều người dùng ở mép tế bào đó.
Sự lập toạ độ nhiễu liên tế bào là một chiến lược lập lịch trong đó
các tốc độ dữ liệu rìa tế bào được tăng nhờ việc đưa nhiễu liên tế bào vào
trong tính toán. Về cơ bản, sự lập toạ độ nhiễu liên tế bào đưa các sự hạn chế
(miền tần số) nào đó tới các bộ lập lịch đường lên và đường xuống trong một
tế bào để kiểm soát nhiễu liên tế bào. Nhờ khống chế công suất truyền dẫn
của các thành phần của phổ trong một tế bào, nhiễu ở các tế bào láng giềng
gặp trong thành phần của phổ này sẽ được giảm. Thành phần của phổ này sau
đó có thể được dùng để cung cấp các tốc độ dữ liệu cao hơn cho nhiều người
sử dụng trong tế bào láng giềng. Về bản chất, hệ số dùng lại tần số là khác
nhau trong các phần khác nhau của tế bào (hình 2.2).


19

Hình 2.2. Ví dụ về sự lập toạ độ nhiễu liên cell nơi mà phổ bị hạn chế về
mặt công suất truyền
2.1.3. ARQ lai cùng với sự kết hợp mềm
ARQ lai nhanh kết hợp mềm được sử dụng trong LTE với các lý do rất
giống như trong HSPA, cụ thể là để cho phép đầu cuối yêu cầu truyền lại một
cách nhanh chóng các khối truyền tải thu được bị nhầm và cung cấp một công

cụ cho sự thích nghi tốc độ ngầm. Giao thức cơ bản cũng giống với cái đã
dùng đối với HSPA- nhiều quá trình xử lý ARQ lai dừng và đợi song song.
Những sự truyền lại có thể được yêu cầu nhanh chóng sau sự truyền mỗi gói.
Độ dư thừa tăng lên được dùng như chiến lược kết hợp mềm và các bộ đệm
các bit mềm máy thu có thể thực hiện sự kết hợp mềm giữa các lần thử.
2.1.4. Hỗ trợ nhiều anten
LTE đã hỗ trợ nhiều anten tại cả ở trạm gốc lẫn đầu cuối như một bộ
phận không thể thiếu của đặc tính kỹ thuật. Về nhiều khía cạnh việc sử dụng
nhiều anten là kỹ thuật chủ yếu để đạt được các mục đích hiệu suất LTE lớn.
Nhiều anten có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau cho các mục đích
khác nhau:


20

• Nhiều anten thu có thể được dùng cho phân tập thu. Đối với các sự
truyền dẫn đường lên, cái này đã được sử dụng trong nhiều hệ thống tế bào
cho nhiều năm. Tuy nhiên, hai anten thu là chuẩn cho tất cả các đầu cuối
LTE, hiệu suất đường xuống cũng được cải thiện. Cách đơn giản nhất của
việc sử dụng nhiều anten thu là sự phân tập thu cổ điển để triệt phađing,
nhưng các độ tăng ích thêm vào có thể đạt được trong kịch bản hạn chế nhiễu
nếu các anten cũng được dùng không chỉ cung cấp sự phân tập chống pha
đinh mà còn để khử nhiễu.
• Nhiều anten phát tại trạm gốc có thể dùng cho phân tập phát và các loại
khác về tạo chùm (beam-forming). Mục đích chính của tạo chùm là cải thiện
tỉ số SNR và/hoặc SIR thu được, cuối cùng là cải thiện dung lượng hệ thống
và vùng phủ sóng.
• Ghép không gian (Spatial Multiplexing), đôi khi được gọi là MIMO, sử
dụng nhiều anten ở cả máy phát lẫn máy thu được hỗ trợ bởi LTE. Ghép
không gian dẫn đến kết quả tốc độ dữ liệu được tăng, sự cho phép các điều

kiện về kênh, trong các trường hợp bị giới hạn dải thông bởi việc tạo một vài
kênh song song.
Nhìn chung, các kỹ thuật nhiều anten khác nhau là có ích trong các
trường hợp khác nhau. Ví dụ, tại SNR và SIR tương đối thấp như là tải cao
hoặc tại rìa tế bào thì việc ghép không gian cho các lợi ích tương đối hạn chế.
Trong các trường hợp như thế nhiều anten tại bên máy phát nên được dùng để
tăng SNR/SIR nhờ các phương pháp của tạo chùm. Mặt khác, trong các
trường hợp mà đã có một SNR và SIR tương đối cao, ví dụ trong các cell nhỏ,
việc tăng chất lượng tín hiệu hơn nữa cung cấp các lợi ích tương đối nhỏ vì
các tốc độ dữ liệu có thể đạt được bị giới hạn bởi dải thông là chính hơn là bị
giới hạn bởi SIR/SNR. Trong các trường hợp như thế, ghép không gian nên
được dùng để khai thác đầy đủ các điều kiện kênh tốt. Sơ đồ nhiều anten đã


21

dùng được điều khiển bởi trạm gốc, do vậy có thể chọn một sơ đồ phù hợp
cho mỗi sự truyền dẫn.
2.1.5. Hỗ trợ phát đa trạm và quảng bá
Quảng bá nhiều tế bào đưa đến sự truyền dẫn của các thông tin giống
nhau từ nhiều tế bào. Bằng cách khai thác điều này tại đầu cuối, việc sử dụng
một cách hiệu quả công suất tín hiệu từ nhiều vị trí tế bào lúc dò tìm có thể
đạt được một sự cải thiện đáng kể về mức độ phủ sóng (hoặc các tốc độ quảng
bá cao hơn). Điều này đã được khai thác trong WCDMA, trong đó, ở trường
hợp quảng bá/đa trạm nhiều tế bào, một đầu cuối di động có thể thu các tín
hiệu từ nhiều tế bào và kết hợp mềm một cách tích cực bên trong máy thu.
LTE thực hiện điều này một bước xa hơn để cung cấp sự quảng bá
nhiều tế bào hiệu quả cao. Bằng cách truyền không chỉ các tín hiệu giống
nhau từ nhiều vị trí tế bào (với mã và sự điều chế giống nhau), mà còn đồng
bộ hoá thời gian truyền giữa các tế bào, tín hiệu tại các đầu cuối di động sẽ

hiện diện đúng như một tín hiệu được phát đi từ một vị trí tế bào đơn lẻ và lệ
thuộc vào đường truyền đa đường. Do sức chịu đựng của OFDM đối với
đường truyền đa đường nên sự truyền dẫn nhiều tế bào như vậy cũng được gọi
là mạng một tần số đa trạm-quảng bá (MBSFN: Multicast-Broadcast SingleFrequency Network) (điều này cũng được gọi là mạng tần số đơn (SFN:
Single Frequency Network) mặc dù trong 3GPP sự viết tắt MBFSN được
dùng vì SFN là sự viết tắt của System Frame Number), sau đó sẽ không chỉ
cải thiện cường độ tín hiệu thu, mà còn loại trừ nhiễu liên tế bào. Vì vậy, cùng
với OFDM, năng suất quảng bá/đa trạm nhiều tế bào cuối cùng còn bị hạn chế
duy nhất bởi tạp âm và trong trường hợp các tế bào nhỏ thì hiệu suất có thể
đạt cực cao. Nên chú ý rằng việc sử dụng truyền dẫn MBSFN cho quảng
bá/đa trạm phải đảm bảo sự đồng bộ khắt khe và sự đồng chỉnh thời gian của
các tín hiệu được phát từ các vị trí tế bào khác nhau.


22

2.2. Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE
Tương tự với WCDMA/HSPA, cũng như tất cả các hệ thống thông tin
hiện đại khác, quá trình xử lý đối với LTE được kết cấu thành các lớp giao
thức khác nhau. Mặc dù một vài lớp tương tự với những cái đã dùng trong
WCDMA/HSPA, nhưng cũng có một vài sự khác biệt, ví dụ do các sự khác
nhau trong cấu trúc toàn thể giữa WCDMA/HSPA và LTE. Phần này bao
gồm sự diễn tả về:
• Các lớp mạng phía trên lớp vật lý.
• Sự tác động lẫn nhau của chúng.
• Giao diện với lớp vật lý.
Trong phần này chỉ nói tới kiến trúc truy nhập vô tuyến LTE gồm có
một nốt đơn–eNodeB (Evolved-Universal Terrestrial Radio Access NodeB).
Tổng quát chung về cấu trúc giao thức LTE đối với đường xuống được
minh hoạ trong hình 2.3. Nhưng không phải tất cả các thực thể đã minh hoạ

trong hình 2.3 có thể ứng dụng ở tất cả các hoàn cảnh. Ví dụ, không phải sự
lập lịch trình MAC mà cũng không phải ARQ lai cùng với sự kết hợp mềm
được sử dụng cho quảng bá về thông tin hệ thống. Hơn nữa, cấu trúc giao
thức LTE liên quan tới các sự truyền dẫn theo đường lên là tương tự với cấu
trúc đường xuống trong hình 2.3, mặc dù có các sự khác nhau về việc lựa
chọn dạng truyền tải và sự truyền dẫn nhiều anten như sẽ được thảo luận.


23

Hình 2.3. Cấu trúc giao thức LTE (đường xuống)
Dữ liệu được truyền theo đường xuống được tiến hành dưới dạng các
gói IP dựa vào một trong các dịch vụ mang SAE (SAE: System Architecture
Evolution). Trước khi truyền dẫn qua giao diện vô tuyến, các gói IP đến được
cho qua nhiều thực thể giao thức mạng được diễn tả chi tiết hơn trong các
phần sau đây:
• Giao thức hội tụ dữ liệu gói PDCP ( PDCP: Paket Data Convergence
Protocol) thực hiện việc nén mào đầu IP để giảm số lượng bít cần thiết để
phát trên giao diện vô tuyến. Cơ chế nén mào đầu dựa trên cơ sở sự nén mào
đầu mạnh ROHC (Robust Header Compression) - một thuật toán nén mào đầu


24

được tiêu chuẩn hoá đã dùng trong WCDMA cũng như một vài các tiêu chuẩn
thông tin di động khác. PDCP cũng có trách nhiệm mã mật và bảo vệ nguyên
vẹn về dữ liệu được phát. Tại bên thu, giao thức PDCP thực hiện giải mã mật
và các hoạt động giải nén tương ứng.
• Điều khiển liên kết vô tuyến RLC (RLC: Radio Link Control) có trách
nhiệm phân đoạn/ móc nối, xử lý truyền lại và phân phát theo chuỗi nối tiếp

tới các lớp cao hơn. Khác với WCDMA, giao thức RLC được đặt trong
eNodeB đó chỉ là một loại nút đơn lẻ trong cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến
LTE. RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng các dịch vụ mang vô
tuyến. Có một thực thể RLC cho mỗi dịch vụ mang vô tuyến đã thiết lập cấu
hình cho một đầu cuối.
• Điều khiển truy nhập môi trường MAC (MAC: Medium Access
Control) điều khiển các sự truyền lại ARQ lai và lập lịch đường lên và đường
xuống. Chức năng lập lịch được đặt trong eNodeB, cái mà có một thực thể
MAC cho mỗi tế bào đối với cả đường lên và đường xuống. Thành phần giao
thức ARQ lai được hiện diện trong cả ở đầu phát lẫn thu của giao thức MAC.
MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic.
• Lớp vật lý PHY (PHY: Physical Layer) xử lý việc mã hoá/giải mã, điều
chế/ giải điều chế, sự ánh xạ nhiều anten, và các chức năng lớp vật lý điển
hình khác. Lớp vật lý cung cấp các dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh
truyền tải.

2.2.1. Điều khiển liên kết vô tuyến RLC
RLC LTE tương tự với WCDMA/HSPA chịu trách nhiệm về phân chia
đoạn (nén mào đầu) các gói IP cũng được biết đến như là RLC-SDUs (SDUService Data Unit ) từ PDCP thành cách đơn vị nhỏ hơn RLC- PDUs (PDU-


25

Protocol Data Unit). Với chú ý là thực thể dữ liệu từ/tới một lớp giao thức cao
hơn được biết đến như một SDU và thực thể tương ứng tới/từ một lớp giao
thức thấp hơn biểu thị PDU. Nó cũng xử lý việc truyền lại của các PDUs bị
thu sai, cũng như việc xoá bỏ bản sao và móc nối các PDUs thu được. Cuối
cùng, RLC đảm bảo phân phát nối tiếp các SDUs cho các lớp phía trên.
Cơ chế truyền lại RLC chịu trách nhiệm cho sự phân phát không bị lỗi
của dữ liệu cho các lớp trên. Để làm điều này, một giao thức truyền lại hoạt

động giữa các thực thể RLC trong máy thu và máy phát. Bằng cách giám sát
chuỗi các chữ số đi vào, RLC thu có thể nhận ra các PDUs bị lỗi. Các thông
báo trạng thái được quay trở lại RLC phát, yêu cầu truyền lại các PDUs bị lỗi.
Dựa vào thông báo các trạng thái thu được, thực thể RLC ở máy phát có thể
đưa ra hành động phù hợp và truyền lại PDUs lỗi nếu được yêu cầu.
Khi RLC được định cấu hình để yêu cầu các sự truyền lại các PDUs lỗi
như đã trình bày ở trên, nó được nói là hoạt động trong chế độ báo nhận (AM:
Acknowledged Mode). Điều này tương tự với cơ chế tương ứng đã dùng trong
WCDMA/HSPA. AM được dùng điển hình trong các dịch vụ TCP
(Transmission Control Protocol) cơ bản như truyền file trong đó việc phân
phát dữ liệu không bị lỗi là điều quan trọng hàng đầu.
Tương tự với WCDMA/HSPA, RLC cũng có thể được định cấu hình
theo chế độ không báo nhận (UM: Unacknowledged Mode) và chế độ trong
suốt (TM: Transparent Mode). Trong UM, sự phân phát nối tiếp tới các lớp
cao hơn được cung cấp nhưng không truyền lại các PDUs lỗi được yêu cầu.
UM được dùng điển hình cho các dịch vụ như VoIP, trong đó sự phân phát
không bị lỗi là ít quan trọng đối với thời gian phân phát ngắn. TM, mặc dù đã
hỗ trợ song chỉ dùng cho các mục đích đặc biệt như truy nhập ngẫu nhiên.