Tối ưu cấu trúc mạng di động thế hệ mới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MINH HƯỚNG

TỐI ƯU CẤU TRÚC MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - Tháng 6/2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MINH HƯỚNG

TỐI ƯU CẤU TRÚC MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI

Ngành:

Công nghệ thông tin

Chuyên ngành:

Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Hồng Quân

Hà Nội - Tháng 6/2015
2


Lời cảm ơn
Trước tiên tôi xin cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện đã tận tình chỉ bảo tôi
trong suốt khóa học; Cảm ơn tập thể lớp K17 chuyên ngành Truyền dữ liệu và Mạng
máy tính; Cảm ơn các thầy với những ý kiến góp ý quý báu trong quá trình tôi thực
hiện đề tài. Đặc biệt, tôi chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Hồng Quân đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè của tôi,
những người đã luôn khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Do thời gian và điều kiện có hạn nên luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, tôi rất
mong nhận được sự góp ý từ quý thầy cô và bạn bè đồng nghiệp.

3


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân
tôi, không sao chép của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều
được trình bày là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu và được
trích dẫn rõ ràng. Tất cả các tài liệu mà tôi nghiên cứu, tổng hợp đều có trong phụ lục
"Tài liệu tham khảo" ở cuối chương được ghi chép rõ ràng. Tôi xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày 06 tháng 6 năm 2015
Nguyễn Minh Hướng

4


MỤC LỤC
Lời cảm ơn .................................................................................................................. 3
Lời cam đoan ............................................................................................................... 4
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... 9
Chương 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................... 11
1.1. Một số đối tượng của bài toán ......................................................................... 11
1.2. Phạm vi và mục tiêu nghiên cứu...................................................................... 12
1.3. Tổ chức của luận văn ...................................................................................... 13
Chương 2: MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI ......................................................... 14
2.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 14
2.2. Đặc điểm mạng NGN ..................................................................................... 14
2.3. Khái niệm mạng LTE ...................................................................................... 16
2.4. Kĩ thuật đa truy nhập của mạng LTE ............................................................... 16
2.4.1. OFDM...................................................................................................... 17
2.4.2. OFDMA ................................................................................................... 17
2.4.3. SC-FDMA................................................................................................ 19
2.5. Cấu trúc mạng LTE ......................................................................................... 20
2.5.1. Thiết bị người dùng (UE) ......................................................................... 20
2.5.2. E-UTRAN ................................................................................................ 20
2.5.3. Evolved Packet Core (EPC) ..................................................................... 21
2.6. Cấu trúc giao thức E-UTRAN ......................................................................... 21
2.6.1. Điều khiển vô tuyến (RLC) ...................................................................... 23
2.6.2. Điều khiển truy nhập trung gian (MAC) ................................................... 24
2.6.3. Các kênh logic và kênh chuyển tải ........................................................... 24
2.7. Tóm tắt chương 2 ............................................................................................ 25
Chương 3: CƠ SỞ LẬP KẾ HOẠCH MẠNG........................................................ 26
3.1. Những vấn đề cơ bản trong thiết kế tế bào ...................................................... 26

3.1.1. Phân loại tế bào ........................................................................................ 26
3.1.2. Quá trình tính toán hệ thống tế bào ........................................................... 32
3.2. Các mô hình tính toán ..................................................................................... 34
3.3. Mô hình Macrocell .......................................................................................... 34
5


3.4. Mô hình Microcell .......................................................................................... 36
3.4.1. Mô hình Microcell hai chiều .................................................................... 36
3.4.2. Mô hình 3 chiều ....................................................................................... 38
3.5. Mô hình truyền sóng trong nhà........................................................................ 39
3.6. Tính toán vùng phủ sóng ................................................................................. 39
3.7. Tính toán lưu lượng......................................................................................... 41
3.8. Số kênh yêu cầu .............................................................................................. 42
3.9. Tính toán can nhiễu ......................................................................................... 44
3.10. Tóm tắt chương 3 .......................................................................................... 45
Chương 4: TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ SAU .......................................... 46
4.1. Cực trị ............................................................................................................. 46
4.2. Phương pháp Gradient .................................................................................... 47
4.3. Qui hoạch tuyến tính ....................................................................................... 48
4.4. Qui hoạch phi tuyến ........................................................................................ 49
4.4.1. Qui hoạch dạng toàn phương: ................................................................... 49
4.4.2. Phương pháp Hildreth-D'Esopo ................................................................ 50
4.5. Các giải thuật cho bài toán tối ưu cấu trúc mạng di động thế hệ mới ............... 51
4.5.1. Thuật toán di truyền cơ bản ...................................................................... 51
4.5.2. Thuật toán di truyền đa mục tiêu .............................................................. 53
4.5.3. Thuật toán Tabu Search ............................................................................ 54
4.6. Mô phỏng, tính toán và đánh giá ..................................................................... 54
4.6.1. Mô phỏng, tính toán xác suất chặn, số kênh của một tế bào ...................... 54
4.6.2. Mô phỏng cường độ Erlang theo kênh ...................................................... 57

4.6.3. Mô phỏng, tính toán xác suất vùng phủ .................................................... 58
4.7. Tóm tắt chương 4 ............................................................................................ 65
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ........................................... 66
5.1. Kết luận: ......................................................................................................... 66
5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo: ........................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 67

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Kiến trúc mạng NGN ................................................................................. 15
Hình 2.2. Cấu trúc mạng LTE .................................................................................... 16
Hình 2.3. Tín hiệu OFDM trong miền tần số và miền thời gian.................................. 17
Hình 2.4. Lập lịch phụ thuộc kênh giữa hai người dùng ............................................. 18
Hình 2.5. Một ví dụ so sánh OFDMA và SC-FDMA ................................................. 19
Hình 2.6. Cấu trúc LTE E-UTRAN ........................................................................... 20
Hình 2.7. Khối giao thức mặt phẳng người dùng ........................................................ 22
Hình 2.8. Cấu trúc giao thức tuyến xuống của LTE ................................................... 23
Hình 3.1. Hình mẫu sử dụng lại tần số ....................................................................... 27
Hình 3.2. Đường cong Erlang B................................................................................. 30
Hình 3.3. Chia tế bào ................................................................................................. 32
Hình 3.4. Lưu đồ tính toán hệ thống tế bào ................................................................ 33
Hình 3.5. Can nhiễu lẫn nhau giữa hai tế bào ............................................................. 44
Hình 4.1. Diễn biến phương pháp Grandient với độ dốc âm....................................... 47
Hình 4.2. Các thủ tục chính của thuật toán di truyền .................................................. 51
Hình 4.3. Mô phỏng cường độ lưu lượng ErlangB ..................................................... 56
Hình 4.4. Mô phỏng cường độ (Erlang) theo kênh ..................................................... 57
Hình 4.5. Kết quả mô phỏng xác suất vùng phủ ......................................................... 63
Hình 4.6. Kết quả mô phỏng xác suất vùng phủ với ảnh hưởng fading ....................... 65

7


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Các kênh chuyển tải MAC .......................................................................... 25
Bảng 2.2. Các kênh logic MAC ................................................................................. 25
Bảng 3.1. Một số đặc trưng của tế bào ....................................................................... 26
Bảng 4.1. Mô phỏng tính xác suất chặn ..................................................................... 55
Bảng 4.2. Các tham số mô phỏng xác suất vùng phủ.................................................. 61

8


BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ARQ

Automatic Repeat Request

ATM

Asynchronous Transfer Mode

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BS

Base station

CA

Carrier Aggregation

CDMA

Code division multiple access

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

DEM

Digital elevation model

DSDV

Destination-Sequenced Distance Vector

EUTRAN

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

EPC

Evolved Packet Core

FIFO

First In First Out

GPRS

General Packet Radio Service

GSM

Global System for Mobile communication

HARQ

Hybrid Automatic Repeat Request

HSPA

High speed packet access

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engineering

I/O

Input/output

LAN

Local Area Network

LTE

Long Term Evolution

MAC

Media Access Control

MIMO

Multiple input multiple output

NGN

Next Genaration Network

9


OFDMA

Orthogonal Frequency Domain Multiple Access

PDN

Packet Data Network

PRnet

Packet Radio Network

QoS

Quality of Service

RNC

Radio Network Controller

SC-FDMA

Single Carrier Frequency Domain Multiple Access

SIM

Subscriber Identity Module

SINR

Signal to Interference Noise Ratio

TDMA

Time Division Multiple Access

UMTS

Universal Mobile Telecommunications Systems

USIM

User Service Identity Module

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access Network

WIFI

Wireless Fidelity

WiMAX

World Interoperability for MicroAccess

WLAN

Wireless Local Area Network

WWAN

Wireless Wide Area Networks

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

10

Chương 1: GIỚI THIỆU
Cuộc sống là vận động, hàng ngày hầu hết mọi người đều làm việc, di chuyển từ
nơi này đến nơi khác và kèm theo đó là nhu cầu cần liên lạc, trao đổi thông tin với
nhau qua các hình thức thoại, số liệu, truyền hình ảnh... Để đáp ứng yêu cầu đó, một
phương tiện thông tin ngày nay không thể thiếu đó là mạng di động. Trong một xã hội
phát triển thì thông tin số liệu kết nối các phương tiện thông tin di động ngày càng
chiếm thị phần lớn trong khối lượng tin tức cần truyền đi, nó cần đòi hỏi chất lượng
mạng, chất lượng dịch vụ theo yêu cầu. Do đó, việc thiết kế các mạng di động thỏa
mãn các nhu cầu đó là một bài toán tối cần thiết.
Luận văn này nghiên cứu một số khía cạnh trong bài toán lập quy hoạch mạng di
động thế hệ mới. Sau đây, luận văn giới thiệu tổng quan luận văn, phạm vi, mục tiêu
nghiên cứu.
1.1. Một số đối tượng của bài toán
Các tham số quan trọng liên quan đến bài toán quy hoạch mạng:
 Chất lượng dịch vụ: là mức độ đảm bảo yêu cầu của khách hàng đối với dịch
vụ mà nhà tổ chức mạng thông tin cung cấp. Để đảm bảo sự phát triển bền vững mạng
lưới thì chất lượng dịch vụ như mức kết nối thành công, phần trăm tổn thất cuộc gọi, tỉ
lệ lỗi... phải đảm bảo mức độ cho phép.
 Dung lượng hệ thống: Nói lên lượng tin có khả năng truyền chính xác qua
mạng trên một đơn vị thời gian, hoặc nói ngắn gọn đó là số người dùng trong hệ thống.
 Hiệu suất sử dụng phổ: vì lượng khả dụng phổ tần đối với thông tin di động
hữu hạn, cho nên khi tính toán thiết kế mạng cần phải xem xét, tính đến bài toán ấn
định kênh.
 Tối ưu hóa vị trí đặt trạm gốc: mạng thông tin di động, người ta chia vùng phủ
sóng thành từng ô có hình lục giác đều, về lý tưởng trạm gốc được đặt ở tâm ô đó.
Nhưng thực tế, do các yêu tố địa hình, các công trình kiến trúc, cấu trúc đừng phố, ảnh
hưởng đến đặc tính truyền sóng điện từ, làm suy yếu cường độ sóng tại điểm thu. Vậy
nên để đảm bảo vùng phủ sóng của trạm gốc theo yêu cầu, ta phải chọn vị trí đặt các
trạm gốc một cách tối ưu.

11


 Tối ưu cỡ và các vị trí của tế bào: Trong luận văn này sử dụng khái niện chi phí
phổ là phổ tần bé nhất cần có cho mỗi tế bào để đảm bảo số kênh xác định. Để cực tiểu
chi phí phổ cần phải tối ưu vị trí và cỡ của tế bào.
Với những tham số cơ bản trên, ta thấy để đảm bảo tổ chức mạng hoạt động có
hiệu quả, ổn định thì việc tính toán, tối ưu các tham số đó là bài toán hết sức quan
trọng cho nhà thiết kế quy hoạch mạng.
1.2. Phạm vi và mục tiêu nghiên cứu
Tối ưu mạng là một bài toán rất phức tạp, cần phải đề cập đến nhiều khía cạnh
như: cấu hình mạng, phân bố lưu lượng, cơ sở hạ tần hiện có…
Trong mạng thông tin di động 3G trở lên, không chỉ đơn thuần truyền tín hiệu
thoại mà còn truyền nhiều dịch vụ khác nhau như số liệu tốc độ cao, video số... Mật
độ lưu lượng của chúng sẽ biến đổi theo các tốc độ dịch vụ khác nhau. Điều đó làm
cho các phương pháp thiết kế, tính toán mạng thông thường như trước đây không còn
đáp ứng được. Khắc phục điều đó người ta đã đưa ra công cụ tính toán thông minh hơn
dựa vào các thuật toán tiên tiến [Cheung (1994)].
Luận văn này sẽ nghiên cứu một số giải pháp tính toán phù hợp với bài toán tối
ưu mạng thế hệ mới, bước đầu tiếp cận phát triển cách tính toán cho mạng di động thế
hệ sau mà thực tiễn đang đặt ra trước mắt.
Mục tiêu các công cụ tính toán ở đây là tính được mạng di động thế hệ mới đảm
bảo yêu cầu vùng phủ sóng, dung lượng, phạm vi chuyển vùng mẫu, chi phí thực hiện,
vị trí, cấu hình trạm, tham số anten.
Trong phạm vi nghiên cứu bài toán tối ưu mạng di động thế hệ mới đã có một số
công trình nghiên cứu đã được công bố: [Box (1978)], [Kunz (1991)], [Mathar
(1993)], [Ngo (1998)] và [Beckmann (1999)] đưa ra các thuật toán ấn định kênh để
cực tiểu chi phí phổ. Nhưng hạn chế ở đây là chưa xét đến tối ưu vị trí và cỡ tế bào.
Các tác giả [Cale'gari (1997)], [Chamaret (1997)], [Molina (1999)] sử dụng thuật toán

di truyền để chọn số cell cực tiểu, tuy vậy vẫn chưa quan tâm đến cực tiểu chi phí xây
dựng mạng. [Hoa (1997)] dựa vào mô phỏng để giải quyết bài toán tối ưu về kinh tế,
nhưng ở đây vẫn bỏ ngỏ bài toán hiệu quả phổ.
Trong luận văn này, học viên sẽ nghiên cứu chọn giải pháp phù hợp để giải quyết
bài toán tối ưu mạng di động thế hệ mới có tính đến chất lượng và chi phí.

12


1.3. Tổ chức của luận văn
Luận văn được trình bày trong năm chương, cụ thể như sau:
 Chương 1: Giới thiệu
Giới thiệu một số tham số cơ bản trong bài toán tối ưu mạng di động, đặc điểm
khác biệt trong tối ưu mạng di động thế hệ mới, các công trình đã được công bố của
các đồng nghiệp để giải quyết bài toán đặt ra và một số hạn chế của nó, từ đó đưa ra
cách giải quyết của luận văn trong hoàn cảnh này.
 Chương 2: Tổng quan mạng di động thế hệ mới
Giới thiệu những nét cơ bản của mạng di động thế hệ mới, từ đó ta thấy những
điểm khác biệt giữa mạng di động này với mạng di động trước đây.
 Chương 3: Cơ sở lập kế hoạch mạng di động
Cung cấp các kĩ thuật cơ bản trong bài toán lập quy hoạch tế bào mạng di động.
Trước hết giới thiệu những khái niệm cơ bản của tính toán hệ thống tế bào và quá trình
thiết kế điểm hình. Ngoài ra, luận văn cũng giới thiệu phương thức dự đoán vùng phủ
sóng, dự báo dung lượng, phân tích can nhiễu và ấn định kênh.
 Chương 4: Tối ưu mạng di động thế hệ mới
Trong đó giới thiệu mô hình tối ưu, các thuật toán tối ưu, các tham số tối ưu, vị
trí, cấu hình trạm; xác định một số tham số của anten; tính vùng phủ sóng, dung lượng
tế bào, phạm vi chuyển vùng, chi phí thực hiện và tính toán thực tế.
 Chương 5: Tổng kết
Tóm tắt luận văn và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. Sau đây chương 2, luận

văn giới thiệu tổng quan về mạng di động thế hệ mới.

13


Chương 2: MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI
2.1. Giới thiệu
Mạng thông tin thế hệ mới (NGN) ra đời là mạng có cơ sở hạ tầng thông tin duy
nhất dựa trên công nghệ chuyển mạch gói, triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và
nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa cố định và di động.
Như vậy, có thể xem mạng thông tin thế hệ mới là sự tích hợp mạng thoại PSTN,
chủ yếu dựa trên kỹ thuật TDM (Time Division Multiplexing), với mạng chuyển mạch
gói, dựa trên kỹ thuật IP/ATM. Nó có thể truyền tải tất cả các dịch vụ vốn có của
PSTN đồng thời cũng có thể nhập một lượng dữ liệu rất lớn vào mạng IP, nhờ đó có
thể giảm nhẹ gánh nặng của PSTN. [2]
Tuy nhiên, NGN không chỉ đơn thuần là sự hội tụ giữa thoại và dữ liệu mà còn là
sự hội tụ giữa truyền dẫn quang và công nghệ gói, giữa mạng cố định và di động. Vấn
đề chủ đạo ở đây là làm sao có thể tận dụng hết lợi thế đem đến từ quá trình hội tụ này.
Một vấn đề quan trọng khác là sự bùng nổ nhu cầu của người sử dụng cho một khối
lượng lớn dịch vụ và ứng dụng phức tạp bao gồm cả đa phương tiện, phần lớn trong đó
là không được trù liệu khi xây dựng các hệ thống mạng hiện nay. Vì vậy, việc tính
toán, lập kế hoạch mạng hợp lý, chính xác là yếu tố quyết định để nâng cao chất
lượng, hiệu quả khai thác mạng sau này.
2.2. Đặc điểm mạng NGN
Mạng di động NGN có bốn đặc điểm chính:
1. Nền tảng là hệ thống mạng mở.
2. Mạng NGN là do mạng dịch vụ thúc đẩy, những dịch vụ phải thực hiện độc
lập với mạng lưới.
3. Mạng NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một giao thức thống nhất.
4. Là mạng có dung lượng ngày càng tăng, có tính thích ứng cũng ngày càng

tăng, có đủ dung lượng để đáp ứng nhu cầu.
Trước hết, do áp dụng cơ cấu mở mà:
 Các khối chức năng của tổng đài truyền thống chia thành các phần tử mạng độc
lập, các phần tử được phân theo chức năng tương ứng, và phát triển một cách độc lập.
 Giao diện và giao thức giữa các bộ phận phải dựa trên các tiêu chuẩn tương ứng.
Tiếp đến, mạng NGN là mạng dịch vụ thúc đẩy, với đặc điểm của:
 Chia tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi.
 Chia tách cuộc gọi với truyền tải.
Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với mạng, thực
hiện một cách linh hoạt và có hiệu quả việc cung cấp dịch vụ. Thuê bao có thể tự bố trí
14


và xác định đặc trưng dịch vụ của mình, không quan tâm đến mạng truyền tải dịch vụ
và loại hình đầu cuối. Điều đó làm cho việc cung cấp dịch vụ và ứng dụng có tính linh
hoạt cao.
Thứ ba, NGN là mạng chuyển mạch gói, giao thức thống nhất. Mạng thông tin
hiện nay, dù là mạng viễn thông, mạng máy tính hay mạng truyền hình cáp, đều không
thể lấy một trong các mạng đó làm nền tảng để xây dựng cơ sở hạ tầng thông tin.
Cuối cùng là với sự phát triển của công nghệ IP, người ta mới nhận thấy rõ ràng
là mạng viễn thông, mạng máy tính và mạng truyền hình cáp cuối cùng rồi cũng tích
hợp trong một mạng IP thống nhất, đó là xu thế lớn mà ta thường gọi là “dung hợp ba
mạng”. Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ sở đều có thể thực hiện nối
thông các mạng khác nhau; đó là lần đầu tiên có được giao thức thống nhất mà ba
mạng lớn đều có thể chấp nhận được. Hình 2.1 biểu thị kiến trúc mạng NGN.

Hình 2.1. Kiến trúc mạng NGN
Giao thức IP đang trở thành giao thức ứng dụng linh hoạt và bắt đầu được sử
dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ. mặc dù hiện tại vẫn còn ở thế bất lợi so với
các chuyển mạch kênh về mặt khả năng hỗ trợ lưu lượng thoại và cung cấp chất lượng

dịch vụ đảm bảo cho số liệu. Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet, mà nó
được tạo điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm khắc phục những thiếu
sót này. Tiếp theo chúng ta tìm hiểu một trong những mạng di động thế hệ mới LTE.

15


2.3. Khái niệm mạng LTE
Mạng di động thế hệ mới dựa trên nền tảng công nghệ LTE (Long Term
Evolution) được bắt đầu nghiên cứu vào tháng 3 năm 2005. Mục tiêu chủ yếu của
nghiên cứu này là để quyết định cấu trúc mới của hệ thống và lựa chọn sử dụng kĩ
thuật đa truy nhập. Qua nghiên cứu đó, người ta chỉ ra cấu trúc cơ bản của mạng LTE
như hình 2.2 [4].

Hình 2.2. Cấu trúc mạng LTE
Mục tiêu chính của mạng LTE:
 Cấu trúc mạng chủ yếu để chuyển gói
 Tốc độ số liệu lên đến 100 Mbps ở hướng xuống và 50 Mbps ở hướng lên
 Nếu sử dụng thêm kĩ thuật MIMO thì tốc độ số liệu có thể đạt cao hơn
 Sử dụng phổ tần từ 1.25 MHz đến 20 MHz
 Kĩ thuật đa truy nhập đối với tuyến xuống và tuyến lên sử dụng kĩ thuật
OFDMA và SC-FDMA tương ứng
2.4. Kĩ thuật đa truy nhập của mạng LTE
Kĩ thuật đa truy nhập của LTE chủ yếu dựa trên cơ sở ghép theo tần số (FDM) và
sử dụng hai loại khác nhau: Đa truy nhập cho tần số trực giao (OFDMA) cho tuyến
xuống và đa truy nhập theo tần số đơn sóng (SC-FDMA) cho tuyến lên.
OFDMA là một kĩ thuật truyền dẫn rất hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong
nhiều hệ thống truyền dẫn số như: Truyền hình số, WiMax, mạng WLAN. Sở dĩ nó
được sử dụng rộng rãi vì khả năng chống được fading lựa chọn theo tần số trong kênh.
Ngoài ra, OFDMA có khả năng sử dụng băng tần rất linh hoạt ở tuyến xuống.

16


Ở tuyến lên của LTE sử dụng kĩ thuật SC-FDMH vì nó có tỉ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình thấp. Đó là một đặc điểm rất hấp dẫn vì tuyến lên cần sử
dụng bộ khuếch đại công suất một cách hiệu quả để tăng tuổi thọ làm việc cho pin của
máy di động.
2.4.1. OFDM
Nguyên lý cơ bản của các hệ thống đa sóng mang là chia băng tần tổng thành
nhiều băng tần con có độ rộng băng tần nhỏ hơn. Do độ rộng băng tần con hẹp cho nên
trong đó chỉ tồn tại fading phẳng, vậy chỉ cần sử dụng thiết bị đơn giản để bù biến đổi
độ lợi của kênh, không cần dùng đến các giải pháp cân bằng phức tạp.
Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau. Hình 2.3 biểu thị
nguyên lý OFDM. Biểu diễn kênh con OFDM trong miền tần số là một hàm Sinc1,
việc lấy mẫu nếu được thực hiện với những khoảng cách chính xác chỉ ở những sóng
mang phụ của kênh con và bằng 0 tại những tần số của sóng mang phụ khác. Điều này
có nghĩa là các kênh con là trực giao với nhau.

Hình 2.3. Tín hiệu OFDM trong miền tần số và miền thời gian
2.4.2. OFDMA
OFDMA là phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao. Phương
pháp truy nhập sử dụng nguyên lý OFDM để điều hòa phối hợp sự phân bố các tài
nguyên vô tuyến cho người dùng để thiết lập thông tin. Điều này được thực hiện bằng
1

Các chức năng sinc hay được sử dụng trong xử lý tín hiệu và biến đổi Fourier. Nó thường được định nghĩa là
Sinc (x) = Sin (x) / x

17

cách sử dụng đa truy nhập theo miền thời gian (TDMA). Tại đó, người dùng nhận
được các tài nguyên động tại các thời điểm lập lịch khác nhau. [14]
Bộ lập lịch sử dụng các điều kiện kênh của người dùng khác nhau để phân phối
các tài nguyên vô tuyến (các sóng mang phụ) cho những nơi phù hợp nhất như tại đó
điều kiện kênh tức thời có CI - Max
Hình 2.4 mô tả một thủ tục lập lịch phụ thuộc kênh giữa người dùng. Ở đây, các
sóng mang con của hệ thống được phân phối giữa hai người dùng trên cơ sở người có
kênh tốt nhất. Một hệ thống lập lịch phụ thuộc kênh như vậy thường linh hoạt, đạt
được dung lượng hệ thống tương đối tốt hơn và hiệu quả sử dụng phổ cao hơn so với
hệ thống OFDM một người dùng.

Hình 2.4 Lập lịch phụ thuộc kênh giữa hai người dùng

18


2.4.3. SC-FDMA
Thời gian gần đây người ta đã xây dựng phương pháp đa truy nhập phân theo tần
số đơn sóng mang để thực hiện truyền dẫn cho tuyến lên LTE (SC-FDMA). Phương
pháp này có một đặc tính hấp dẫn nó cho tỉ số công suất đỉnh trên công suất tín hiệu
trung bình tốt để sử dụng bộ khuếch đại công suất một cách hiệu quả nhằm tiết kiệm
được năng lượng pin cho máy di động tuyến lên. SC-FDMA là một loại OFDM đặc
biệt, nó kết hợp được cả tỉ số công suất tín hiệu đỉnh trên công suất tín hiệu trung bình
thấp với khả năng chống fading đa đường và bố trí tần số hiệu quả. Người ta vẫn sử
dụng sóng mang con trực giao như OFDMA, nhưng nó khác là các sóng mang con
được sử dụng để truyền dẫn được chọn liên tiếp mà không phải là song song. [14]

Hình 2.5. Một ví dụ so sánh OFDMA và SC-FDMA

19


2.5. Cấu trúc mạng LTE
Người ta thiết kế hệ thống LTE để cung cấp các dịch vụ chuyển mạng gói thực
hiện kết nối IP giữa mạng số liệu gói (PDN) và thiết bị người dùng (UE) mà không bị
gián đoạn dịch vụ trong lúc di chuyển. Hệ thống LTE được phân thành hai nhánh
chính: Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất (E-UTRAN) và biến đổi cấu trúc hệ thống
(SAE). E-UTRAN bao gồm mạng truy nhập vô tuyến UMTS. SAE trợ giúp mạng lõi
gói. Kết hợp cả hai E-UTRAN và SAE tạo nên hệ thống gói EPS. Hình 2.6 chỉ ra cấu
trúc mạng LTE

Hình 2.6. Cấu trúc LTE E-UTRAN
2.5.1. Thiết bị người dùng (UE)
Đây là thiết bị mà các khách hàng của LTE sử dụng để kết nối mạng LTE và kết
nối giữa các thiết bị người dùng. UE có thể là một điện thoại di động, một máy tính
bảng, hoặc một thẻ số liệu sử dụng trong máy tính. Chúng bao gồm hai phần chính:
Card sim hoặc khối nhận dạng dịch vụ người dùng (USIM) và thiết bị đầu cuối (TE).
SIM-Card chứa những thông tin cần thiết để nhận dạng người dùng và thực hiện các
thủ tục xác thực. Thiết bị đầu cuối có những phần cứng cần thiết để xử lý, lưu trữ và
vận hành để chạy các ứng dụng của chúng và thực hiện thu phát các dịch vụ.
2.5.2. E-UTRAN
E-UTRAN trong LTE bao gồm các nút eNodeBs để kết nối trực tiếp chúng với
nhau thông qua giao tiếp X2 và kết nối với mạng lõi thông qua giao tiếp S1. Điều này
20


loại bỏ được nhược điểm lớn nhất của các hệ thống 3GPP: Cần phải kết nối và điều
khiển các NodeBs thông qua bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC).
Thực tế NodeB được nâng cấp làm trung gian giữa UE và EPC. Nó tạo nên các

giao thức vô tuyến cần thiết cho thiết bị người dùng, cũng như để phát và thu số liệu,
tạo nên những số liệu an toàn để chuyển cho PDN -GW và ngược lại. Nut B cũng có
khả năng đáp ứng chức năng lập lịch, một trong những chức năng vô tuyến quan trọng
nhất. eNodeB lập lịch các tài nguyên phổ tần giữa các người dùng khác nhau và đảm
bảo chất lượng khác nhau của các dịch vụ cho những người dùng đầu cuối. Ngoài ra
nút B còn đảm bảo duy trì thông tin trong khi thiết bị đầu cuối di chuyển.
2.5.3. Evolved Packet Core (EPC)
Từ hình 2.2 ta thấy, EPC gồm ba thực thể chính:
 Thực thể quản lý di động (MME)
 Cổng dịch vụ (S-GW)
 Cổng mạng số liệu gói (PDN-GW)
Ngoài ra còn có một số thực thể logic khác như: Home Subscriber Server (HSS),
chức năng tính cước và chính sách (PCRF). Mục đích chính của EPC là tạo ra những
chức năng cần thiết để trợ giúp người dùng.
Thực thể MME tạo ra các chức năng điều khiển cũng như báo hiệu cho EPC.
MME cũng trợ giúp các chức năng xác thực, bảo mật, chuyển vùng, bán chuyển động
và chuyển giao di động. S-GW là cổng chính lưu lượng người dùng, tất cả người dùng
đều đi qua cổng S-GM. Nó là điểm neo di động địa phương cho chuyển giao giữa các
nút eNodeB. Ngoài ra S-GW cũng tạo ra một số chức năng khác như: Định tuyến
đường truyền, tính cước... Cổng PDN-GW hoạt động như một điểm kết nối cho lưu
lượng của người dùng. Nó có thể trợ giúp xác định địa chỉ IP cũng như phân loại lưu
lượng người dùng thành các lớp QoS khác nhau. Ngoài ra PDN-GW tác dụng như
điểm neo di động. [4]
2.6. Cấu trúc giao thức E-UTRAN
Giao thức E-UTRAN bao gồm mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển.
Mặt phẳng người dùng bao gồm một tập các giao thức để chuyển số liệu của người
dùng qua mạng LTE. Còn mặt phẳng điều khiển bao gồm các giao thức để điều khiển
và thiết lập kết nối người dùng trong E-UTRAN. Hình 2.7 biểu thị khối giao thức mặt
phẳng người dùng.

21


Hình 2.7. Khối giao thức mặt phẳng người dùng
Cấu trúc truy nhập vô tuyến LTE chủ yếu là nút eNodeB là một loại nâng cấp của
NodeB ban đầu của hệ thống UMTS. Hình 2.8 biểu thị chi tiết cấu trúc eNodeB và
giao thức UE cho tuyến xuống. Các giao thức vô tuyến chính của LTE là:
 Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC): Có thể đáp ứng các chức năng chuyển
giao, quyết định chuyển giao, chuyển đổi nội dung UE từ eNodeB phục vụ sang
eNodeB mục tiêu trong khi chuyển giao. Ngoài ra nó điều khiển một cách định kì bộ
biểu thị chất lượng kênh (CQI) và cũng có thể đáp ứng thiết lập và duy trì chuyển tải
vô tuyến.
 Giao thức hội tụ số liệu gói (PDCP): Có thể nén địa chỉ đầu IP (IP Header),
giảm địa chỉ đầu IP một cách hiệu quả
 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC): Phân đoạn và kết nối các gói PDCP; hình
thành việc phát lại và duy trì phân phát liên tiết các gói cho các lớp cao hơn. RLC cũng
có khả năng sửa lỗi bằng cách sử dụng phương pháp hỏi lại tự động.
 Kênh truy nhập trung gian (MAC): Chịu trách nhiệm lập lịch các tài nguyên
giao tiếp không gian cho cả tuyến lên và tuyến xuống. Nó cũng có thể đáp ứng thỏa
mãn QoS của người dùng qua giao tiếp không gian. Ngoài ra, lớp MAC cũng thực hiện
hỏi lặp tự động (HARQ)
 Lớp vật lý (PHY): Để đáp ứng các yêu cầu liên quan đến vô tuyến như: Điều
chế/ giải điều chế; Mã hóa/ giải mã, MIMO

22


Hình 2.8. Cấu trúc giao thức tuyến xuống của LTE
2.6.1. Điều khiển vô tuyến (RLC)
Giao thức điều khiển tuyến vô tuyến để tập trung và phân xử lý. Nó phân các

gói từ lớp PDCP (tức là các gói IP sau lúc nén Header), thành các gói RLC nhỏ hơn và
tập trung các gói RLC ở phía thu thành các gói PDCP. Ngoài ra giao thức RLC còn tạo
thông tin tin cậy giữa các eNodeB và UE bằng cách truyền lại gói. RLC có khả năng
phát hiện các gói bị mất ở phía thu và thông tin cho người gửi để phát lại. Giao thức
RLC có thể hoạt động theo ba phương thức khác nhau:
 Phương thức thừa nhận (AM): Sử dụng để tạo nên truyền dẫn không có lỗi
giữa máy phát và máy thu. Phương thức này thích hợp cho các dịch vụ sử dụng giao
thức truyền tải như TCP giống như FTP và HTTP, ở đó điểm quan trọng nhất là phân
phối tin cậy và không có lỗi.
23


 Phương thức không thừa nhận (UM): Trong phương thức này không phát lại và
RLC chỉ thực hiện chức năng phân đoạn và tập trung. Phương thức này thích hợp sử
dụng không yêu cầu phát không lỗi và có dung thứ tổn thất như VoIP và hội nghị
truyền hình.
 Phương thức trong suốt (TM): Phương thức này không cần bổ sung bất kì giao
thức trên cho số liệu lớp cao hơn. Thường được sử dụng cho truy nhập ngẫu nhiên.
Việc phân đoạn và tập trung của RLC dựa vào quyết định của bộ lập lịch MAC,
ở đó bộ lập lịch thông tin cho lớp RLC. Ngoài ra các chức năng phát lại /phân đoạn
hay tập trung của RLC có một số chức năng khác:
 Đệm
 Phân phối liên tiếp cho PDU của lớp bậc cao hơn
 Phát hiện lặp
 Điều khiển lưu lượng
 Kiểm tra SN
 Phát hiện lỗi và khôi phục giao thức
 Lỗi mã hóa
 Chức năng đình chỉ /hồi phục lại để chuyển tải số liệu.
2.6.2. Điều khiển truy nhập trung gian (MAC)

Lớp MAC có khả năng đáp ứng một trong những chức năng quan trọng nhất: Lập
lịch cho cả tuyến xuống và lên. Ngoài ra, lớp MAC cho phép: Yêu cầu lặp tự động
(HARQ), ghép và tách kênh logic, ánh xạ giữa kênh logic và kênh chuyển tải, công bố
thông tin lập lịch, điều khiển định kì giữa các UE, điều khiển định kì giữa các kênh
logic, chọn dạng chuyển tải.
2.6.3. Các kênh logic và kênh chuyển tải
Vì lớp MAC bố trí dưới lớp RLC để cung cấp các dịch vụ cho RLC qua các kênh
logic. Có hai loại kênh logic: Kênh lưu lượng và kênh điều khiển.
Các kênh chuyển tải được thống kê trong bảng 2.1

24


Bảng 2.1 Các kênh chuyển tải MAC
Tên kênh

Kí hiệu

Tuyến xuống

BCH

x

DL-SCH

x

Kênh nhắn tin

PCH

x

Kênh Muticast

MCH

x

Kênh quảng bá
Kênh chung tuyến xuống

Kênh chung tuyến lên
Kênh truy nhập ngẫu nhiên

Tuyến lên

UL-SCH

x

RACH

x

Các kênh logic được biểu thị ở bảng 2.2
Bảng 2.2. Các kênh logic MAC
Tên kênh

Kí hiệu

Kênh điều khiển

Kênh lưu lượng

Kênh điều khiển quảng bá

BCCH

x

Kênh điều khiển nhắn tin

PCCH

x

Kênh điều khiển chung

CCCH

x

Kênh điều khiển dành riêng

DCCH

x

Kênh điều khiển Multicast

MCCH

x

Kênh lưu lượng dành riêng

DTCH

x

Kênh lưu lượng Multicast

MTCH

x

2.7. Tóm tắt chương 2
Chương 2 giới thiệu tổng quan mạng thế hệ mới, sau đó giới thiệu mạng LTE,
công nghệ hứa hẹn cho các mạng di động tương lai gần của thế giới và Việt Nam.
Với đặc điểm chủ yếu phục vụ truyền số liệu tốc độ tương đối cao, vì vậy, trong
quá trình tính toán, lập qui hoạch mạng cũng mang những đặc trưng khác so với các
mạng di động trước đây.
Giới thiệu đặc điểm mạng LTE; các phương pháp đa truy nhập OFDMA, SCFDMA. Tiếp đó là cấu trúc mạng LTE, E-UTRAN, lõi gói EPC; cấu trúc giao thức ETRAN. Ta sẽ sử dụng một số tham số và tính toán của mạng di động LTE dùng để mô
phỏng xác suất vùng phủ của một tế bào tại chương 4. Tiếp theo chương 3 sẽ giới thiệu
về cơ sở lập kế hoạch mạng.

25