Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP. Vinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

--- – & — ---

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE
VÀ ÁP DỤNG CHO TP. VINH

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN NHƯ TRINH

Lớp

:

49K - ĐTVT

Khóa học

:

2008 – 2013

Giảng viên hướng dẫn: TH.S CAO THÀNH NGHĨA

I


NGHỆ AN - 2013

II


MỤC LỤC
Trang

III


LỜI MỞ 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, WiMax ... 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 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 (Long Term
Evolution).
Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối.

Trong tương lai không xa với LTE, có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi
nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy hình,
chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc”.
Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di
động thế hệ thứ tư (4G). 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. Trong bài đồ án tốt nghiệp này em xin trình bày đề tài: “Quy hoạch
mạng 4G LTE và áp dụng cho TP. Vinh”. Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.
Chương 2. Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan .
Chương 3. Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP.VINH.
Chương 4. Kết quả mô phỏng mạng 4G LTE áp dụng cho TP.VINH.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em còn có những hạn chế về khả năng và
còn nhiều sai sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè.

IV


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE và các yêu cầu của
công nghệ LTE như giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận
cao, cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ, nâng cao hiệu quả
phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ. Để đạt được các mục
đích đó LTE có các tính năng quan trọng như sử dụng công nghệ truyền dẫn OFDM
cho đường lên, SC-FDMA cho đường xuống, sử dụng công nghệ đa ăng ten MIMO
cho hệ thông thu phát, truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao dùng băng thông rộng 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 đã trình bày chi tiết quá trình quy hoạch mạng LTE cũng như sử dung

phần mềm Visual Studio 2010 cho việc mô phỏng tính toán quy hoạch mạng LTE.

ABSTRACT
This thesis was studied an overview of LTE technology and the requirements
of LTE as cost reducting compared to previous technologies, enhancing support for
high-profit services and improving underwriting as well as providing support services,
improving spectrum efficiency and user throughput, reducing latency. To achieve
these purposes, LTE have key features such as transmission technology using OFDM
for uplink and SC-FDMA for the downlink, transceiver system using multiple
antenna technology (MIMO), radio transmission using high-speed broadband with
other technologies such as adaptive transmission and scheduling, delivery
techniques, power control and HARQ. These new technology have been applied to
wireless access part of LTE in order to enhance the wireless transmission performance.
In this thesis was also introduced the process of LTE network planning as well as
Visual Studio 2010 software for the simulation LTE network planning.

V


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý LTE.....................................................................13
Bảng 2.2. Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp..................................................................14
Bảng 2.3. Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền.....................................32
Bảng 3.1. Ví dụ về quỹ đường lên của LTE.............................................................57
Bảng 3.2. Ví dụ của quỹ đường xuống LTE.............................................................58
Bảng 3.3. So sánh quỹ đường truyền lên của các hệ thống......................................60
Bảng 3.4. So sánh về quỹ đường truyền xuống của các hệ thống............................61
Bảng 3.5. Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng.................................69
Bảng 3.6. Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông.........70
Bảng 3.7. Giá trị của băng thông cấu hình tương ứng với băng thông kênh truyền. .72

Bảng 3.8. Diện tích và dân số từng phường của TP.VINH......................................74

VI


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

VII


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Từ viết tắt

1G

One Generation Cellular

2G

Second Generation Cellular

3G

Third Generation Cellular

4G

Four Generation Cellular

3GPP
ACK
BCCH
BCH
BW
CDMA
CP
DL-SCH
DL
EDGE
E- UTRAN

EPC
eNodeB
FDMA
FDD
FEC
GSM
GERAN
GPRS
GI
HSDPA

Third Generation Patnership
Project
ACK
Broadcast Control Channel
Broadcast Channel
Band Width

Code Division Multiple Access
Cycle Prefix
Downlink Share Channel
Downlink
Enhance Data rates for GSM
Evolution
Evolved UMTS Terrestrial
Radio Access
Evolved Packet Core
Enhance NodeB
Frequency Division Multiple
Access

FrequencyDivision
Duplexing Forward Error
Correction
Global System for Mobile
GSM/EDGE Radio Access

Nghĩa
Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ nhất
Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ hai
Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ ba
Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ tư
Dự án hợp tác thế hệ 3
Tín hiệu xác nhận

Kênh điều khiển quảng bá
Kênh quảng bá
Băng thông
Đa truy cập phân chia theo mã
Tiền tố lặp
Kênh chia sẻ đường xuống
Hướng xuống
Tốc độ dữ liệu tăng cường cho mạng
GSM cải tiến
Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến
Mạng lõi gói
NodeB cải tiến
Đa truy cập phân chia theo tần số
Ghép kênh phân chia theo tần số
Sửa lỗi hồi tiếp
Hệ thống di động toàn cầu
Mạng truy nhập vô tuyến

Network
General Packet Radio Service
Guard Interval
High Speed Downlink Packet

GSM/EDGE
Dịch vụ gói vô tuyến thông dụng
Khoảng bảo vệ
Truy nhập gói đường xuống tốc độ

Access

cao

VIII


HDTV
HSOPA
HO
HSPA
HSS
ITU
IP
IMS
ISI
IFFT

High Definition Television
High Speed OFDM Packet
Access
Handover
High Speed Packet Access
Home Subscriber Server
International
Telecommunication Union
Internet Protocol
IP Multimedia Sub-system
Inter-Symbol Interference

Long Term Evolution
MS

Mobile Station
BTS
Base Station
MIMO
Multi Input Multi Output
MME
Mobility Management Entity
MAC
Medium Access Control
MU-MIMO Multi User – MIMO
MoU
Minutes of Using
MCS
Modulation Coding Scheme
Orthogonal Frequency Division
OFDM
Multiple
Orthogonal Frequency Division
OFDMA
Multiple Access
PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

P2P

Point to Point
Physical Downlink Shared

PUCCH

PDCCH
PBCH
PCCH
PCH
QoS
RLC
RRC

Truy cập gói OFDM tốc độ cao
Chuyển giao
Truy nhập gói tốc độ cao
Quản lý thuê bao
Đơn vị viễn thông quốc tế
Giao thức internet
Hệ thống đa phương tiện sử dụng IP
Nhiễu liên ký tự

Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược

LTE

PDSCH

Tivi có độ phân giải cao

Channel
Physical Uplink Control
Channel
Physical Downlink Control
Channel

Physical Broadcast Channel
Paging Control Channel
Paging Channel
Quality of Services
Radio Link Control
Radio Resource Control

Tiến hóa lâu dài
Trạm di động
Trạm gốc
Đa ngõ vào đa ngõ ra
Quản lý tính di động
Điều khiển trung nhập trung bình
Đa người dung – Đa ngõ vào đa ngõ ra
Thời gian sử dụng
Kỹ thuật mã hóa và điều chế
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình
Điểm đến điểm
Kênh vật lý chia sẻ đường xuống
Kênh vật lý điều khiển đường lên
Kênh vật lý điều khiển đường xuống
Kênh vật lý quảng bá
Kênh điều khiển tin nhắn
Kênh tin nhắn
Chất lượng dịch vụ

Điều khiển kết nối vô tuyến
Điều khiển tài nguyên vô tuyến

IX


RB
RE
RSRP
RSRQ
RS
SDR
SNR
SC- FDMA
SMS
SAE
SGSN
SU- MIMO
TDMA
TTI
TDD
UMB
UL

UTRAN
UTMS
UE
VHE
VoIP
WCDMA

WAP

Resource Block
Resource Element
Reference Signal Receive
Power
Reference Signal Receive
Quality
Reference Signal
Software - Defined Radio
Signal to Noise Ratio
Single Carrier Frequency
Division multiple Access
Short Message Service
System Architecture Enhance
Serving GPRS Support Node
Single User Multi Input Multi
Output
Time Division Multiple Access
TTI Time Transmit Interval
Time Division Duplexing
Ultra Mobile Broadband
Uplink
UTMS Terrestrial Radio
Access Networks
Universal Telecommunication
Mobile System
User Equipment
Virtual Home Environment
Voice IP

Wideband Code Division
Multiple Access
Wireless Applicaion protocol

Khối tài nguyên
Thành phần tài nguyên
Công suất thu tín hiệu tham khảo
Chất lượng thu tín hiệu tham khảo
Tín hiệu tham khảo
Phần mềm nhận dạng vô tuyến
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Đa truy cập phân chia theo tần số
trực giao đơn sóng mang
Tin nhắn ngắn
Cấu trúc hệ thống tăng cường
Nút cung cấp dịch vụ GPRS
Đơn user-Đa ngõ vào đa ngõ ra
Đa truy cập phân chia theo thời gian
Khoảng thời gian phát
Ghép kênh phân chia theo thời gian
Di động băng rộng mở rộng
Đường lên
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
Hệ thống thông tin di động
Thiết bị người dùng (Di động)
Môi trường nhà ảo
Thoại sử dụng IP
Đa truy cập phân chia theo mã băng
Giao thức ứng dụng không dây

X


CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ 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.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến
lĩnh vực thông t i n 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)

1

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 của hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)
Hầu hết các hệ thống ñều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ
yếu là âm thanh. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba.
Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex,
DataTac. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi
cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có
chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng.
- 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.
- 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 tia.
- 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.

2


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 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 AccessTDMA): 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.

3


 Một số 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.
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.
 Một số 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


4 đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao 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.
 Các tiêu chuẩn của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 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.
- CDMA2000: Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là
sự tiếp nối đối với cáchệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2.
CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP
của UMTS. CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps. Hệ thống
CDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D-AMPS
của thế hệ thứ 2.

5


 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:
o Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
o 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:

o 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.
o Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
o 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.
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

6


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 [6]
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…
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 MIMO, các anten mảng được sử dụng.
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.
 Mục tiêu hướng đến của mạng 4G
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

7


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 kỹ thuật được sử dụng
- 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 SCFDE (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.

8


- 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: 1885-2025MHz; DL: 2110-2200MHz; với tốc độ từ
144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần:
700MHz - 2,6GHz 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: 50
Mbps với 2 aten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh oạt
là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10
MHz, 15MHz, 20MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người
dùng/cell so với WCDMA.
Ưu điểm nổi bật của 4G LTE
- 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 nữa.
- 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.
- Tần số tái sử dụng linh hoạt
- 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.

9


1.4. Kết luận chương 1

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.

10


CHƯƠNG 2
CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung có
khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai. Cơ sở hạ tầng 4G được thiết kế với
điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng hiện tại
mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng. Để thực hiện điều đó, cần
tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kết
nối) và các ứng dụng của người sử dụng. Chương này sẽ trình bày hệ thống di động
4G LTE: các đặc điểm kỹ thuật của LTE, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó
liên kết với các mạng khác ra sao, các kênh sử dụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sử
dụng cho đường lên, đường xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên
quan đến giao diện vô tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất.
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 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 SCFDMA. 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 (Peak-to-Average
Power Ratio 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.

11


2.1.1. Mục tiêu của LTE
Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân năm
2005 đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE. Những mục tiêu
và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913.
Những yêu cầu cho LTE được chia thành 07 phần khác nhau như sau:
•

Tiềm năng, dung lượng.

•

Hiệu suất hệ thống

•

Các vấn đề liên quan đến việc triển khai

•

Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

•

Quản lý tài nguyên vô tuyến

•

Độ phức tạp

•

Những vấn đề chung

•

Tốc độ dữ liệu cao

•

Độ trễ thấp

•

Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu

2.1.2. Các đặc tính cơ bản của LTE
- Hoạt động ở băng tần: 700MHz - 2,6Ghz.

- 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: 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz; 20MHz. 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.

12


- 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.
- 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 1.4MHz đến 20MHz, điều này có nghĩa
là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. 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 (1.9-2GHz) và dải mở rộng (2.5GHz), cũng như tại 850-900MHz,
1800MHz, phổ AWS (1.7- 2.1GHz)…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.
2.1.3. Các thông số lớp vật lý của LTE [7]
Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý LTE
Kỹ thuật truy

UL

DTFS-OFDM(SC-FDMA)

nhập

DL

OFDMA

Băng thông

1.4MHz, 3MHz , 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz

TTI tối thiểu

1ms

Khoảng cách sóng mang
con

15KHz

13


Chiều dài CP

Ngắn

4.7µs

Dài

16.7 µs

Điều chế

QPSK, 16QAM, 64QAM

1 lớp cho UL/UE
Ghép kênh không gian

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

DL

10

50

100

150

300

đỉnh

UL

5

25

50

50

75

Dung lượng cho các chức năng vật lý
Băng thông RF
Điều chế

DL

UL

20MHz
QPSK, 16QAM, 64QAM

QPSK, 16QAM

QPSK,
16QAM,
64QAM

14


2.2. Cấu trúc của LTE [1]
- Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 2.1. So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE

Hình 2.1 cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE. Song song
với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng SAE.
Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi
phí và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP.
Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): 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 dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những
kênh gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung
lượng hệ thống trở nên cao hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập
gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện
và giữa những dịch vụ cố định và không dây.
Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng, mạng
có thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Những
chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập. Còn những

15