Giáo trình lộ trình phát triển thông tin di động 3g lên 4g tập 3 TS nguyên phạm anh dũng

(Tập 3)


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
TS. NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG

GIÁO TRÌNH

LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN
THÔNG TIN DI ĐỘNG

3G LÊN 4G

(Tập 3)

NHÀ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG


GD 01 HM 10


LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động là ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh
nhất với con số thuê bao đã đạt đến 3,8 tỷ tính đến cuối năm 2008. Khởi
nguồn từ dịch vụ thoại đắt tiền phục vụ một số ít người di chuyển, đến
nay với sự ứng dụng ngày càng rộng rãi các thiết bị thông tin di động thế
hệ ba, thông tin di động có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ đòi hỏi
tốc độ số liệu cao kể cả các chức năng camera, MP3 và PDA. Với các
dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao ngày càng trở nên phổ biến thì nhu cầu về 3G
cũng như phát triển nó lên 4G đang càng trở nên cấp thiết. Để phục vụ
nhu cầu học tập của sinh viên, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông phối hợp với Nhà xuất bản Thông tin và Truyền thông xuất bản
“Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G” do
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng biên soạn.
3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ 3 (Third Generation). Mạng 3G (Third-generation technology) là thế
hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ
liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh,
hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển
mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập vô tuyến hoàn toàn
khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với
công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh,
hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di
chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có
thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc
chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụ
định vị toàn cầu (GPS); E-mail; video streaming; High-ends games;...
Do khuôn khổ có hạn, giáo trình sẽ chỉ tập trung trình bày hai công
nghệ: đó là HSPA (sự phát triển tăng cường của WCDMA) và 3GPP
LTE. Có thể coi công nghệ HSPA và sự phát triển tiếp theo của nó là hậu
3G còn công nghệ LTE là tiền 4G. Đây là các công nghệ dự kiến sẽ rất
phát triển trong những thập niên tới. Giáo trình được xây dựng trên cơ sở
sinh viên đã học môn "Đa truy nhập vô tuyến và lý thuyết trải phổ".


Vì đây là giáo trình cho môn chuyên đề đòi hỏi sinh viên phải tự đọc
nên giáo trình được biên soạn chi tiết với kết cấu hợp lý để sinh viên có
thể tự học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, có phần tổng kết
và các câu hỏi.
Giáo trình bao gồm 16 chương. Chương đầu giới thiệu tổng quan về
các hệ thống phát triển của 3G và lộ trình phát triển lên 4G. Chương 2 đề

cập đến các vấn đề liên quan đến truyền dẫn vô tuyến băng rộng. Chương
3 nghiên cứu các công nghệ đa truy nhập OFDMA và SC-FDMA ứng
dụng cho LTE. Chương 4 trình bày một trong các kỹ thuật quan trọng
của 3G phát triển và 4G là đa anten. Chương 5 trình bày một số kỹ thuật
then chốt của 3G phát triển và 4G là: thích ứng đường truyền, lập biểu
phụ thuộc kênh và HARQ (phát lại lai ghép). Chương 6 và chương 7
trình bày nguyên lý của HSDPA và HSUPA. Chương 8 đề cập đến các
vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến của HSPA. Chương 9 trình bày dịch
vụ VoIP trong HSPA. Chương 10 trình bày một số dịch vụ tiên tiến của
HSPA là MBMS - dịch vụ quảng bá, đa phương đa phương tiện và
CPC - kết nối gói liên tục. Chương 11 trình bày các mục tiêu LTE.
Chương 12 trình bày các vấn đề chung của truy nhập vô tuyến LTE và
kiến trúc giao diện vô tuyến LTE. Chương 13 và 14 trình bày lớp vật lý
và các thủ tục truy nhập LTE. Chương 15 trình bày phát triển kiến trúc hệ
thống LTE/SAE. Chương 16, trình bày mô phỏng đánh giá hiệu năng
HSPA, LTE và tính toán quỹ đường truyền.
Ngoài ra phần Phụ lục của giáo trình, trình bày các yêu cầu đối với
phần vô tuyến của máy đầu cuối HSPA và có thêm phần Thuật ngữ viết
tắt, Tài liệu tham khảo để bạn đọc tiện tra cứu.
Giáo trình có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường đại
học, các chuyên gia, các cán bộ quản lý và kỹ thuật trong lĩnh vực thông
tin di động. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song quá trình biên soạn sẽ khó
tránh khỏi thiếu sót, Học viện rất mong nhận được ý kiến góp ý của các
bạn đồng nghiệp và bạn đọc gần xa.
Xin trân trọng cảm ơn!
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


MỤC LỤC
Lời nói đầu..............................................................................................5

Chương 11. Các mục tiêu thiết kế LTE và SAE ............................. 419
11.1. Các mục tiêu thiết kế LTE...................................................420
11.2. Các mục tiêu thiết kế SAE ..................................................430
11.3. Tổng kết...............................................................................434
11.4. Câu hỏi ................................................................................435
Chương 12. Truy nhập vô tuyến
và kiến trúc giao diện vô tuyến LTE...............................437
12.1.Tổng quan truy nhập vô tuyến LTE .....................................438
12.2. Kiến trúc giao thức LTE......................................................449
12.3. Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) ....................................451
12.4. Điều khiển truy nhập môi trường (MAC) ..........................453
12.5. Lớp vật lý (PHY).................................................................465
12.6. Các trạng thái LTE ..............................................................468
12.7. Luồng số liệu.......................................................................470
12.8. Tổng kết...............................................................................471
12.9. Câu hỏi ................................................................................472
Chương 13. Lớp vật lý LTE................................................................473
13.1. Cấu trúc tổng thể miền thời gian .........................................473
13.2. Sơ đồ truyền dẫn đường xuống ...........................................476
13.3. Sơ đồ truyền dẫn đường lên ................................................502
13.4. Tổng kết...............................................................................521
13.5. Câu hỏi ................................................................................522

i


Chương 14. Các thủ tục truy nhập LTE............................................523
14.1. Tìm ô ...................................................................................523
14.2. Truy nhập ngẫu nhiên..........................................................529
14.3. Tìm gọi ................................................................................539

14.4. Tổng kết...............................................................................540
14.5. Câu hỏi ................................................................................541
Chương 15. Phát triển kiến trúc hệ thống, SAE .............................. 543
15.1. Phân chia chức năng giữa mạng truy nhập vô tuyến
và mạng lõi..........................................................................544
15.2. Mạng truy nhập vô tuyến HSPA/WCDMA và LTE ..........548
15.3. Kiến trúc mạng lõi...............................................................558
15.4. Tổng kết...............................................................................568
15.5. Câu hỏi ................................................................................568
Chương 16. Hiệu năng và quỹ đường truyền của HSPA và LTE .. 571
16.1. Đánh giá hiệu năng..............................................................571
16.2. Đánh giá hiệu năng của phát triển 3G và LTE dựa trên
mô phỏng tĩnh .....................................................................573
16.3. Đánh giá LTE trong 3GPP dựa trên mô phỏng động ..........588
16.4. Quỹ đường truyền HSPA ....................................................593
16.5. Quỹ đường truyền LTE .......................................................598
16.6. Tổng kết...............................................................................602
16.7. Câu hỏi ................................................................................602
Phụ lục ...............................................................................................605
Thuật ngữ viết tắt...............................................................................623
Tài liệu tham khảo .............................................................................633

ii


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
2G

Second Generation

Thế hệ thứ hai

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

3GPP

3rd Generation Partnership Project

Đề án các đối tác thế hệ thứ ba

3GPP2

3rd Generation Partnership Project 2

Đề án đối tác thế hệ thứ ba - 2

AAS

Adaptive Antenna System

Hệ thống anten thích ứng

ACLR

Adjacent Channel Leakage Ratio

Tỷ số rò kênh lân cận

ACK

Acknowledgement

Công nhận

AGW

Access Gateway

Cổng truy nhập

AM

Acknowledged Mode

Chế độ công nhận

AMC

Adaptive Modulation and Coding

Mã hóa và điều chế thích ứng

AMR

Adaptive MultiRate

Đa tốc độ thích ứng

ARQ

Automatic Repeat-reQuest

Yêu cầu phát lại tự động

AWGN

Additive Gaussian Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BES

Best Effort Service

Dịch vụ nỗ lực nhất

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BLER

Block Error Rate

Tỷ số lỗi khối

BM-SC

Broadcast/Multicast Service Center

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Trung tâm dịch vụ quảng bá/đa
phương
Khóa chuyển pha hai trạng thái


BS

Base Station

Trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

CAZAC
CC

Constant Amplitude Zero AutoCorrelation
Convolutional Code

Tự tương quan bằng không biên
độ không đổi
Mã xoắn

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CN

Core Network

Mạng lõi

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố chu trình

CPC

Continuous Packet Connectivity

Kết nối gói liên tục

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

CQI

Channel Quality Indicator

Chỉ thị chất lượng kênh

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra vòng dư

CS

Circuit Switch

Chuyển mạch kênh

CTC

Convolutional Turbo Code

Mã hóa Turbo xoắn

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển riêng

DCH

Dedicated Channel

Kênh riêng

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DFTSOFDM
DL

DFT-Sread OFDM

OFDM trải phổ

Downlink

Đường xuống

DPCCH

Dedicated Physical Control Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DPCH

Dedicated Physical Channel

Kênh vật lý riêng

DPDCH

Dedicated Physical Data Channel

Kênh số liệu vật lý riêng

DRX

Discontinuous Reception

Thu không liên tục

DSCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DTX

Discontinuous Transmission

Phát không liên tục


DUSP

Switching point from downlink to uplink

E-AGCH

Enhanced Absolute Grant Channel

E-DCH

Enhanced Dedicated Channel

Điểm chuyển mạch từ đường
xuống sang đường lên
Kênh cho phép tuyệt đối
tăng cường
Kênh riêng tăng cường

E-DPCCH

Enhanced Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển riêng tăng cường

E-DPDCH

Enhanced Dedicated Data Channel

Kênh số liệu riêng tăng cường

eNodeB

E-UTRAN Node B

Nút B của E-UTRAN

EPC

Evolved Packet Core

Lõi gói phát triển

E-RGCH

Enhanced Relative Grant Channel

E-UTRA

Evolved UTRA

ErtPS

Extended Real Time Packet Service

E-TFC

E-DCH Transport Format Combination

E-TFCI

E-DCH Transport Format Combination
Index
Evolved UTRA/Evolved-RAN

Kênh cho phép tương đối
tăng cường
Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
phát triển
Dịch vụ gói thời gian thực mở
rộng
Kết hợp khuôn dạng truyền tải

E-DCH
Chỉ số kết hợp khuôn dạng truyền
tải E-DCH
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS phát triển

EUTRAN/ERAN
FACH

Forward Access Channel

Kênh truy nhập đường xuống

FBSS

Fast Base Station Switching

Chuyển mạch trạm gốc nhanh

FCC

Federal Communication Commision

Ủy ban thông tin liên bang

FDD

Frequency Division Duplex

FDM

Frequency Division Multiplex

FDMA

Frequency Division Multiple Access

F-DPCH

Fractional DPCH

Ghép song công phân chia theo
thời gian
Ghép kênh phân chia theo
tần số
Đa truy nhập phân chia theo
tần số
DPCH một phần (phân đoạn)

FEC

Forward Error Correction

Hiệu chỉnh lỗi trước


FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

GERAN

GSM EDGE Radio Access Network

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Mạng truy nhập vô tuyến GSM
EDGE
Nút hỗ trợ GPRS cổng

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GPS

Global Positionning System

Hệ thống định vị toàn cầu

G-RAKE

Generalized-RAKE

RAKE tổng quát

GSM
HARQ

Global System For Mobile
Communications
Hybrid Automatic Repeat reQuest

Hệ thống thông tin di động
toàn cầu
Yêu cầu phát lại tự động lai ghép

HCR

High Chip Rate

Tốc độ chip cao

HHO

Hard Handover

Chuyển giao cứng

HLR

Home Location Register

Bộ ghi định vị thường trú

HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói đường xuống
tốc độ cao
HS-DPCCH High-Speed Dedicated Physical Control Kênh điều khiển vật lý riêng
Channel
tốc độ cao
HS-DSCH High-Speed Dedicated Shared Channel Kênh chia sẻ riêng tốc độ cao
Truy nhập gói tốc độ cao

HS-PDSCH High-Speed Physical Dedicated Shared Kênh chia sẻ riêng vật lý
Channel
tốc độ cao
HSS
Home Subscriber Server
Server thuê bao nhà
HS-SCCH

High-Speed Shared Control Channel

HSUPA

High-Speed Uplink Packet Access

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Kênh điều khiển chia sẻ
tốc độ cao
Truy nhập gói đường lên
tốc độ cao
Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFDMA
IFFT

Interleaved FDMA
Inverse Fast Fourier Transform

FDMA đan xen
Biến đổi Fourier nhanh ngược

IMS

IP Multimedia Subsystem

Phân hệ đa phương tiện IP


IMT-2000

Thông tin di động quốc tế 2000

IP

International Mobile
Telecommunications 2000
Internet Protocol

IPv4

IP version 4

Phiên bản IP 4

IPv6

IP version 6

Phiên bản IP 6

IR

Incremental Redundancy

Phần dư tăng

IRC

Interferrence Rejection Combining

Kết hợp loại nhiễu

ISDN

Integrated Services Digital Network

Mạng số đa dịch vụ tích hợp

ITU

International Telecommunications Union Liên minh Viễn thông quốc tế

ITU-R

International Telecommunications
Union- Radio Sector

Giao thức Internet

LCR

Low Chip Rate

Liên minh Viễn thông quốc tế bộ
phận vô tuyến
Giao diện được sử dụng để thông
tin giữa RNC và mạng lõi
Giao diện được sử dụng để thông
tin giữa nút B và RNC
Giao diện được sử dụng để thông
tin giữa các RNC

Tốc độ chip thấp

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

Iu
Iub
Iur

MBMS
MBS
MBSFN

Multimedia Broadcast Multicast Service Dịch vụ quảng bá đa phương đa
phương tiện
Multicast Broadcast Service
Dịch vụ đa phương quảng bá

MCCH

Multicast Broadcast Single Frequency

Network
MBMS Control Channel

Mạng đa phương quảng bá đơn
tần số
Kênh điều khiển MBMS

MCE

MBMS Coordination Entity

Thực thể điều phối MBMS

MCH

Multicast Control Channel

Kênh điều khiển đa phương

MC-CDMA Multi Carrier- Code Division Multiple
Access
MC-WCDMA Multi Carrier- Wide band Code Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
đa sóng mang
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng đa sóng mang

MDHO

Macro Diversity Handover

Chuyển giao phân tập vĩ mô

MICH

MBMS Indicator Channel

Kênh chỉ thị MBMS

MIMO

Multi-Input Multi-Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

ML

Maximum Likelihood

Khả giống cực đại

MLD

Maximum Likelihood Detection

Tách sóng khả giống cực đại

MMS

Multimedia Messaging Service

Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện

MMSE

Minimum Mean Square Error

MRC

Maximum Ratio Combining

Sai số bình phương trung bình
cực tiểu
Kết hợp tỷ lệ cực đại

MSC

Mobile Services Switching Center

MSCH

MBMS Scheduling Channel

Trung tâm chuyển mạch các dịch
vụ di động
Kênh lập biểu MBMS

MTCH

MBMS Traffic Channel

Kênh lưu lượng MBMS

Non-Acknowledgement

Không công nhận

NACK
NodeB

Nút B

nrTPS

Non-Real-Time Polling Service

Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực

OFDM

OOK

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Orthogonal Frequency Division Multiple
Access
On-Off Keying

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao
Khóa tắt bật

OVSF

Orthogonal Variable Spreading Factor

Hệ số trải phổ khả biến trực giao

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PAR

Peak to Average Ratio

PARC

Per-Antenna Rate Control

Tỷ số công suất đỉnh trên công
suất trung bình
Tỷ số đỉnh trên trung bình (giống
như PAPR)
Điểu khiển tốc độ cho một anten

PCI

Precoding Control Indication

Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa

PDCCH

Physical Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển riêng vật lý

OFDMA


PDCP

Packet-Data Convergence Protocol

Giao thức hội tụ số liệu gói

PDSCH

Physical Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

PDU

Packet Data Unit

Khối số liệu gói

PF

Proportional Fair

Công bằng tỷ lệ (một kiểu lập biểu

PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

PRB

Physical Resource Block

Khối tài nguyên vật lý

PS

Packet Switch

Chuyển mạch gói

PSTN

Public Switched Telephone Network

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng
Điều chế biên độ vuông góc

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadtrature Phase Shift Keying

Khóa chuyển pha vuông góc

RAB

Radio Access Bearer

Kênh mang truy nhập vô tuyến

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RAT

Radio Access Technology

Công nghệ truy nhập vô tuyến

RB

Resource Block

Khối tài nguyên

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển liên kết vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNTI

Radio Network Temporary Identity

ROHC

Robust Header Compression

Nhận dạng tạm thời mạng vô
tuyến
Nén tiêu đề bền chắc

RR

Round Robin

Quay vòng

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RRM

Radio Resource Management

Quản lý tài nguyên vô tuyến

RS

Reference Symbol

Ký hiệu tham khảo


RSN

Retransmission Sequence Number

Số trình tự phát lại

RTP

Real Time Protocol

Giao thức thời gian thực

rtPS

Real Time Polling Service

Dịch vụ thăm dò thời gian thực

RU

Resource Unit

Đơn vị tài nguyên

RV

Redundancy Version

Phiên bản dư

SA

System Aspects

Các khía cạnh hệ thống

SAE

System Architecture Evolution

Phát triển kiến trúc mạng

SC-FDMA
SCH

Single Carrier – Frequency Division
Multiple Access
Synchronization channel

Đa truy nhập phân chia theo
tần số đơn sóng mang
Kênh đồng bộ

SDMA

Spatial Division Multiple Access

SDU

Service Data Unit

Đa truy nhập phân chia theo
không gian
Đơn vị số liệu dịch vụ

SF

Spreading Factor

Hệ số trải phổ

SFBC

Space Frequency Block Code

Mã khối không gian tần số

SFN

Single Frequency Network

Mạng tần số đơn

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

SIC

Successive Interference Combining

Kết hợp loại bỏ nhiễu lần lượt

SIM

Subscriber Identity Module

Môđun nhận dạng thuê bao

SINR
SMS

Signal to Interferdence plus Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng
tạp âm
Short Message Service
Dịch vụ nhắn tin

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SOHO

Soft Handover

Chuyển giao mềm

SRNS

Serving Radio Network Subsystem

Phân hệ mạng vô tuyến phục vụ

STBC

Space Time Block Code

Mã khối không gian thời gian

STC

Space Time Code

Mã không gian thời gian

STTD

Space Time Transmit Diversity

TCP

Transmission Control Protocol

TD-CDMA
TDD

Time Division -Code Division Multiple
Access
Time Division Duplex

TDM

Time Division Multiplex

TDMA

Time Division Multiple Access

Phân tập phát không gian thời
gian
Giao thức điều khiển truyền dẫn

TD-SCDMA Time Division-Synchronous Code
Division Multiple Access

TF
Transport Format

Đa truy nhập phân chia theo mã –
phân chia theo thời gian
Ghép song công phân chia theo
thời gian
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Đa truy nhập phân chia theo mã
đồng bộ - phân chia theo thời gian
Khuôn dạng truyền tải

TFC

Transport Format Combination

Kết hợp khuôn dạng truyền tải

TFCI
TM

Transport Format Combination Indicator Chỉ thị kết hợp khuôn dạng
truyền tải
Transparent Mode
Chế độ trong suốt (cấu hình RLC)

TR

Technical Report

Báo cáo kỹ thuật

TrCH

Transport Channel

Kênh truyền tải

TS

Technical Specication

Đặc tả kỹ thuật

TSG

Technical Specication Group

Nhóm đặc tả kỹ thuật

TSN

Transmission Sequence Number

Số trình tự phát

TSTD

Time Switched Transmit Diversity

TTI

Transmission Time Interval

Phân tập phát chuyển mạch theo
thời gian
Khoảng thời gian phát

UDSP

Switching point from uplink to downlink

UE

User Equipment

Điểm chuyển mạch từ đường lên
sang đường xuống
Thiết bị người sử dụng

UL

Uplink

Đường lên

UM

Unacknowledged Mode

Chế độ không công nhận (cấu
hình RLC)


UMTS
USIM

Universal Mobile Telecommunications
System
UMTS Subcriber Identity Module

UTRA

UMTS Terrestrial Radio Access

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access
Network

Hệ thống thông tin di động
toàn cầu
Môđun nhận dạng thuê bao
UMTS
Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

WG

Wideband Code Division Multiple
Access
Working Group

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS
Giao diện được sử dụng để giao
tiếp giữa nút B và UE
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng
Nhóm công tác

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng nội vùng không dây

AMR

Adaptive Multirate

Đa tốc độ thích ứng

AMR-WB

Adaptive Multirate- Wide Band

Đa tốc độ thích ứng băng rộng

VoIP

Voice over IP

Thoại qua IP

Uu
WCDMA

X2

Giao diện giữa các eNodeB

ZC

Zadoff- Chu

ZF

Zero Forcing

Cưỡng bức về không


Chương 11

CÁC MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE VÀ SAE

Trong các chương 6,7, HSPA được trình bày. Như đã giải thích

trong các chương này, HSPA là phát triển của 3G WCDMA được xây
dựng trên cấu trúc cơ sở của WCDMA cùng với yêu cầu chặt chẽ về
tương thích ngược đến các mạng hiện đã triển khai. Song song với
việc phát triển HSPA, 3GPP cũng đặc tả một công nghệ vô tuyến mới
được gọi là LTE. Mục tiêu của LTE là sử dụng các tình trạng phổ
phức tạp hơn và yêu cầu tương thích ngược ít hơn. Như vậy phát triển
3G đi theo hai hướng song song để phát triển truy nhập vô tuyến và cả
hai đều có những phẩm chất riêng. Quan hệ giữa HSPA và LTE đã
được xét trong chương đầu.
Để hỗ trợ các khả năng số liệu gói mới mà các giao diện vô tuyến
của LTE cung cấp, một mạng lõi phát triển mới cũng được nghiên cứu.
Công tác đặc tả mạng lõi này được gọi là SAE (System Architecturre
Evolution: Phát triển kiến trúc hệ thống).
Các chủ đề được trình bày trong chương này bao gồm:
- Các mục tiêu thiết kế LTE
- Các mục tiêu thiết kế SAE
Mục đích chương nhằm cung cấp cho bạn đọc các tiêu chí cơ bản
trong thiết kế LTE và SAE.


420

Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G

Để hiểu được chương này bạn đọc cần đọc kỹ tư liệu được trình
bày trong chương, tham khảo thêm các tài liệu [11], [14] và trả lời các
câu hỏi cuối chương.
11.1 CÁC MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE

Như đã xét trong chương 1, hoạt động 3GPP vào đầu năm 2005

đã đặt ra các tiêu chí, các yêu cầu và các mục tiêu cho LTE. Các mục
tiêu và các yêu cầu này được ghi lại trong 3GPP TR 25.91. Các yêu
cầu cho LTE này được chia thành bảy lĩnh vực khác nhau:
- Các khả năng
- Hiệu năng hệ thống
- Các khía cạnh liên quan đến triển khai
- Kiến trúc và phát triển
- Quản lý tài nguyên vô tuyến
- Mức độ phức tạp
- Các khía cạnh chung
Dưới đây ta sẽ xem xét từng nhóm nói trên.
11.1.1. Các khả năng
Mục tiêu cho các yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh đường xuống và
đường lên là 100Mbit/s và 50Mbit/s, khi làm việc trong băng thông
20MHz. Như vậy ta có thể biểu diễn các yêu cầu này là 5bit/s/Hz cho
đường xuống và 2,5bit/s/Hz cho đường lên. Như sẽ trình bày dưới đây,
LTE hỗ trợ cả FDD (Frequency Division Duplex: ghép song công
phân chia theo tần số) và TDD (Time Division Duplex: ghép song
công phân chia theo thời gian). Trong trường hợp TDD, cả đường
xuống và đường lên đều sử dụng chung một băng tần, vì thế không thể
đáp ứng đồng thời yêu cầu tốc độ đỉnh. Đối với FDD, đường xuống và
đường lên sử dụng hai băng tần khác nhau vì thế đồng thời phát thu
đều đạt được các tốc độ số liệu như đặc tả ở trên.


Chương 11: Các mục tiêu thiết kế LTE và SAE

421

Các yêu cầu trễ được chia thành các yêu cầu cho mặt phẳng điều

khiển và các yêu cầu cho mặt phẳng người sử dụng. Các yêu cầu trễ
mặt phẳng điều khiển đề cập đến trễ để chuyển từ các trạng thái không
tích cực khác nhau của máy đầu cuối sang trạng thái tích cực khi đầu
cuối có thể phát và (hoặc) thu số liệu. Tồn tại hai số đo:
1. Số đo được biểu thị như thời gian chuyển từ trạng thái rỗi
(trạng thái rỗi trong R6 là trạng thái trong đó mạng truy nhập
vô tuyến không biết UE và nó không có context (ngữ cảnh),
của UE cũng như không ấn định tài nguyên cho UE. UE có thể
ngủ và định kỳ thức giấc để nghe thông tin từ mạng trong các
đoạn thời gian quy định), yêu cầu này là 100ms.
2. Số đo khác biểu thị thời gian chuyển từ trạng thái ngủ
(dormant) (trạng thái Cell_PCH trong R6, trong trạng thái này
mạng truy nhập vô tuyến biết UE và biết nó ở ô nào nhưng
không ấn định tài nguyên cho nó. UE có thể ngủ và định kỳ
thức giấc để nghe thông tin từ mạng trong các đoạn thời gian
quy định), yêu cầu này là 50ms.
Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng được biểu diễn như là thời
gian cần thiết để phát một gói IP nhỏ từ đầu cuối đến nút biên của
RAN hoặc ngược lại tại lớp IP. Thời gian truyền dẫn một chiều không
được vượt quá 5ms trong mạng không tải, nghĩa là không có các đầu
cuối khác trong ô. Đối với cả hai yêu cầu, trễ chế độ ngủ và báo hiệu
không phải RAN được loại trừ.
Một yêu cầu bổ sung đối với yêu cầu trễ mặt phẳng điều khiển là
LTE phải hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối di động trong trạng thái tích cực
trong băng thông 5MHz. Đối với băng thông rộng hơn 5MHz, ít nhất
400 đầu cuối phải được hỗ trợ. Số đầu cuối không tích cực không
được công bố rõ ràng, nhưng phải cao hơn đáng kể.


Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G

422

11.1.2. Hiệu năng hệ thống
Các mục tiêu thiết kế hiệu năng hệ thống của LTE đề cập đến
thông lượng của người sử dụng, hiệu suất sử dụng phổ tần, vùng phủ
và MBMS tăng cường hơn.
Nói chung, các yêu cầu hiệu năng của LTE được biểu diễn tương
đối so với hệ thống tham khảo sử dụng R6 HSPA như đã trình bày
trong các chương trước. Đối với trạm gốc, giả thiết là một anten phát
và một anten thu, trong khi đó đầu cuối có cực đại một anten phát và
hai anten thu. Tuy nhiên cần nhấn mạnh rằng một số tính năng tiên
tiến của HSPA không được đưa ra trong mô hình tham khảo. Vì thế
đầu cuối trong hệ thống tham khảo có hai anten thu, một máy thu
RAKE đơn giản. Tương tự ghép kênh không gian không có trong hệ
thống tham khảo.
Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở
hai điểm: Vùng phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử
dụng có hiệu năng tốt hơn). Mục tiêu hiệu suất sử dụng phổ tần cũng
đã được đặc tả, trong đó hiệu suất sử dụng phổ tần được định nghĩa
như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/MHz. Các
mục tiêu thiết kế nói trên được cho trong bảng 11.1.
Bảng 11.1. Các yêu cầu thông lượng của người sử dụng
và hiệu suất sử dụng phổ tần
Số đo hiệu năng
Thông lượng trung bình của
người sử dụng (trên MHz)
Thông lượng tại biên ô của
người sử dụng

Mục tiêu đường xuống
so với tham khảo*

Mục tiêu đường lên
so với tham khảo**

3x - 4x

2x – 3x

2x - 3x

2x – 3x

3x - 4x

2x – 3x

(trên MHz, năm phần trăm)
Hiệu suất sử dụng phổ tần
(bit/s/Hz/ô)


Chương 11: Các mục tiêu thiết kế LTE và SAE

423

* Tham khảo được chọn là hiệu năng của HSDPA R6 (xem bảng
1.2 chương 1)
** Tham khảo được chọn là hiệu năng HSUPA R6 (xem bảng 1.3

chương 1)
Các yêu cầu về tính di động tập trung lên tốc độ của các đầu cuối
di động. Mục tiêu đề ra phải đạt hiệu năng cực đại tại các tốc độ thấp
của đầu cuối di động, 0-15km/giờ, hiệu năng có thể giảm một chút tại
các đầu cuối tốc độ cao hơn. Đối với các tốc độ lên đến 120km/giờ,
LTE phải đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tổ
ong. Hệ thống LTE có thể quản lý tốc độ đến 350km/giờ (hay thậm
chí 500km/giờ phụ thuộc vào băng tần). LTE phải đảm bảo dịch vụ
thoại ngang bằng với WCDMA/HSPA.
Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ (bán kính) ô,
nghĩa là khoảng cách cực đại từ trạm ô đến một thiết bị đầu cuối trong
ô. Yêu cầu đối với các kịch bản không bị giới hạn nhiễu là phải đáp
ứng các yêu cầu về thông lượng của người sử dụng, hiệu suất sử dụng
phổ tần và di động cho các ô có bán kính đến 5km. Đối với các ô có
vùng phủ lên đến 30km, cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép
giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ. Tuy nhiên vẫn phải đáp ứng tính
di động. Tiêu chuẩn cũng không được cản trở các vùng phủ đến
100 km, tuy nhiên các yêu cầu về hiệu năng trong trường hợp này
không được công bố.
Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cập đến chế độ quảng bá và
chế độ phát đơn phương. Tổng quát, LTE phải đảm bảo các dịch vụ
MBMS tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp. Yêu cầu cho trường hợp
quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần 1bit/s/Hz, tương đương với 16
kênh truyền hình, trong đó mỗi kênh sử dụng 300kbps trong băng
thông 5MHz. Ngoài ra phải có thể cung cấp dịch vụ MBMS như là


424

Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G

dịch vụ duy nhất trên một sóng mang, đồng thời cũng có thể cung cấp
dịch vụ này trộn lẫn với các dịch vụ khác không phải MBMS. Tất
nhiên chuẩn LTE phải đảm bảo cung cấp đồng thời các dịch vụ thoại
và các dịch vụ MBMS.
11.1.3. Các khía cạnh liên quan đến triển khai
Các yêu cầu liên quan đến triển khai bao gồm các kịch bản triển
khai, tính linh hoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như
tương tác với các công nghệ truy nhập vô tuyến của 3GPP khác chẳng
hạn GSM, WCDMA/HSPA.
Yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm cả trường hợp hệ thống
LTE được triển khai độc lập lẫn trường hợp nó được triển khai cùng
với WCDMA/HSPA và (hoặc) GSM. Như vậy trong thực tế yêu cầu
này không giới hạn các tiêu chí thiết kế. Các yêu cầu về tính linh hoạt
phổ tần được trình bày cụ thể hơn trong mục 11.1.3.1.
Sự đồng tồn tại và tương tác với các hệ thống 3GPP khác và các
yêu cầu tương ứng đã đặt ra yêu cầu về tính di động giữa LTE và
GSM, giữa LTE và WCDMA/HSPA cho các đầu cuối hỗ trợ các công
nghệ này. Bảng 11.2 liệt kê các yêu cầu về gián đoạn, nghĩa là gián
đoạn cho phép cực đại trên đường truyền vô tuyến khi chuyển động
giữa hai công nghệ truy nhập khác nhau, cho các dịch vụ thời gian
thực và phi thời gian thực. Cần lưu ý rằng các yêu cầu này là rất nhỏ
đối với thời gian gián đoạn chuyển giao và có thể kỳ vọng là các giá
trị này tốt hơn nhiều trong các triển khai thực tế.
Yêu cầu đồng tồn tại và tương tác cũng đề cập đến chuyển mạch
lưu lượng truyền đa phương được LTE cung cấp theo kiểu quảng bá
đến lưu lượng đơn phương được GSM hoặc WCDMA cung cấp. Mặc
dù không con số nào được đưa ra.

Chương 11: Các mục tiêu thiết kế LTE và SAE

425

Bảng 11.2. Các yêu cầu thời gian gián đoạn,
LTE-GSM và LTE-WCDMA
Phi thời gian thực (ms)

Thời gian thực (ms)

LTE sang WCDMA

500ms

300ms

LTE sang GSM

500ms

300ms

11.1.3.1. Tính linh hoạt phổ và triển khai
Cơ sở đối với các yêu cầu về tính linh hoạt phổ là yêu cầu đối với
hệ thống LTE được triển khai trong các băng tần đã có của IMT-2000,
có nghĩa là sự đồng tồn tại giữa các hệ thống đã triển khai trong các
băng này bao gồm GSM và WCDMA/HSPA. Yêu cầu tính linh hoạt
phổ của LTE là phải có khả năng triển khai truy nhập vô tuyến dựa
trên LTE trong cả các ấn định băng kép và băng đơn, nghĩa là LTE
phải hỗ trợ cả ghép song công phân cia theo tần số (FDD) và ghép

song công phân chia theo thời gian (TDD).
Sơ đồ ghép song công hay sắp xếp ghép song công là một thuộc
tính của công nghệ vô tuyến. Tuy nhiên một cấp phát phổ tần cho
trước thường liên kết với một cách sắp xếp song công đặc thù. Các hệ
thống FDD được triển khai trong các ấn định kép với một băng cho
truyền dẫn đường xuống và một băng khác cho truyền dẫn đường lên.
Các hệ thống TDD được triển khai trong các ấn định băng đơn.
Ta xét thí dụ phổ tần IMT-2000 tại 2GHz (có thể coi như “băng
gốc” của IMT-2000). Như thấy trên hình 11.1, phổ này gồm một cặp
băng tần 1920-1980MHz và 2110-2170MHz dành cho truy nhập vô
tuyến theo FDD, và hai băng tần 1910-1920MHz và 2010-2025MHz
dành cho truy nhập vô tuyến TDD. Lưu ý rằng các quy định địa
phương và vùng có thể sử dụng phổ IMT-2000 khác với phổ được chỉ
ra ở đây.


426

Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G

Hình 11.1. Cấp phát phổ băng ‘lõi’ IMT-2000 tại 2GHz
Cấp phát băng kép cho FDD trên hình 11.1 là 2x60MHz, nhưng
phổ khả dụng cho một nhà khai thác có thể là 2x20MHz hay thậm chí
2x10MHz. Trong các băng tần khác thậm chí phổ khả dụng có thể ít
hơn. Ngoài ra việc chuyển dịch vào phổ hiện đang được sử dụng cho
các công nghệ truy nhập vô tuyến khác phải được thực hiện từ từ để
đảm bảo đủ lượng phổ còn lại cho hỗ trợ các người sử dụng hiện có.
Như vậy lượng phổ chuyển cho LTE lúc đầu có thể khá nhỏ, nhưng sẽ
tăng dần (hình 11.2). Sự thay đổi các kịch bản phổ có thể có cho thấy
cần có một yêu cầu về tính linh hoạt phổ đối với LTE để hỗ trợ các

băng thông truyền dẫn.

Hình 11.2. Ví dụ về quá trình chuyển dịch từng bước của LTE vào
vùng phổ của WCDMA hiện đã triển khai