Giáo trình lộ trình phát triển thông tin di động 3g lên 4g tập 1 TS nguyên phạm anh dũng

(Tập 1)


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 1)

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 1. Tổng quan kế hoạch nghiên cứu phát triển 3G, LTE
trong 3GPP và lộ trình tiến lên 4G ...................................13
1.1. Mở đầu ....................................................................................14
1.2. Quá trình tiêu chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP .........14
1.3. Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE ......................................24
1.4. IMT-ADVANCED và lộ trình tiến lên 4G..............................27
1.5. Tổng quan truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) ..........................30
1.6. Tổng quan LTE .......................................................................33
1.7. Kiến trúc mô hình LTE ...........................................................42
1.8. Tổng kết...................................................................................45
1.9. Câu hỏi ....................................................................................46
Chương 2. Truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong thông tin không dây
băng rộng.............................................................................47
2.1. Các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn tốc độ số liệu cao ......48
2.2. Truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong băng thông
hạn chế và điều chế bậc cao....................................................54
2.3. Ảnh hưởng của môi trường truyền sóng
lên truyền dẫn không dây băng rộng.......................................59
2.4. Cân bằng chống phađinh chọn lọc tần số................................65
2.5. Truyền dẫn đa sóng mang cho không dây băng rộng..............72
2.6. Tổng kết...................................................................................77
2.7. Câu hỏi ....................................................................................78

i


Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE.......................................79
3.1. Mở đầu ....................................................................................80
3.2. Tóm tắt nguyên lý OFDM .......................................................81
3.3. Ước tính kênh và các ký hiệu tham khảo ................................91

3.4. Mã hóa kênh và phân tập tần số trong truyền dẫn OFDM ......93
3.5. Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở.......................................95
3.6. Ảnh hưởng của thay đổi mức công suất tức thời ....................98
3.7. Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập.....................99
3.8. Phát quảng bá và đa phương trong nhiều ô và OFDM..........102
3.9. Nguyên lý truyền dẫn DFTS-OFDM ....................................105
3.10. Tổng quan SC-FDMA.........................................................114
3.11. Sắp xếp sóng mang con SC-FDMA ...................................119
3.12. Trình bày các tín hiệu SC-FDMA trong miền thời gian .....121
3.13. Tổng kết...............................................................................125
3.14. Câu hỏi ................................................................................125
Chương 4. Kỹ thuật đa anten .............................................................127
4.1. Các cấu hình đa anten ...........................................................127
4.2. Các lợi ích của sử dụng các kỹ thuật đa anten ......................129
4.3. Đa anten thu ..........................................................................129
4.4. Đa anten phát.........................................................................136
4.5. Ghép kênh không gian...........................................................146
4.6. Tổng kết.................................................................................155
4.7. Câu hỏi ..................................................................................155
Chương 5. Lập biểu, thích ứng đường truyền
và yêu cầu phát lại tự động lai ghép .............................. 157
5.1. Mở đầu ..................................................................................157
5.2. Thích ứng đường truyền: điều khiển công suất
và tốc độ số liệu ....................................................................159

ii


5.3. Lập biểu phụ thuộc kênh .......................................................161
5.4. Các sơ đồ phát lại tiên tiến ....................................................176

5.5. Yêu cầu phát lại tự động lai ghép với kết hợp mềm..............177
5.6. Tổng kết.................................................................................182
5.7. Câu hỏi ..................................................................................183
Phụ lục
Thuật ngữ viết tắt
Tài liệu tham khảo

iii


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 1

TỔNG QUAN PHÁT TRIỂN 3G, LTE
TRONG 3GPP VÀ LỘ TRÌNH TIẾN LÊN 4G

Các hệ thống thông tin di động 3G (gọi tắt là 3G) đã được triển
khai tại nhiều nước trên thế giới. 3G+ đang được triển khai và 4G được
nghiên cứu để được một chuẩn chung. Lộ trình phát triển từ 3G lên 4G
của 3GPP là một lộ trình dài hạn và có vị thế áp đảo trong xu thế cạnh
tranh của các công nghệ thông tin di động băng rộng.
Các chủ đề được trình bày trong chương này bao gồm:
Quá trình tiêu chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP
Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE
IMT-ADVANCED là lộ trình tiến lên 4G
Tổng quan truy nhập gói tốc độ cao HSPA
Tổng quan LTE
Kiến trúc mô hình LTE
Mục đích chương nhằm cung cấp cho sinh viên thông tin về các
hoạt động nghiên cứu và phát triển (R&D) 3G và lộ trình lên 4G đang
được tiến hành trong 3GPP và biết được một số công nghệ triển vọng

cho 4G khác như WiMAX. Về WiMAX sinh viên có thể đọc thêm tài
liệu tham khảo ‘WiMAX’ của Học viện CNBCVT.
Để hiểu được chương này sinh viên cần đọc kỹ tư liệu được trình
bày trong chương, tham khảo thêm các tài liệu [1], [9], [10], [11],
[12], [14], [15], [16] và trả lời các câu hỏi cuối chương.


14

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

1.1. MỞ ĐẦU

Chương này sẽ trình bày các hoạt động nghiên cứu và phát triển
(R&D) 3G và lộ trình lên 4G đang được tiến hành trong 3GPP là tổ
chức quốc tế chịu trách nhiệm cho việc phát triển và hài hòa các các
tiêu chuẩn được phát hành của UMTS UTRA (WCDMA và TDSDMA). Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G phát triển và
tiến dần đến 4G là việc đưa ra công nghệ HSPA (High Speed Packet
Access: đa truy nhập gói tốc độ cao) và LTE (Long term Evolution:
phát triển dài hạn) cho phần vô tuyến và SAE (System Architecture
Evolution: phát triển kiến trúc hệ thống) cho phần mạng.
Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới. 3GPP đã tiến
hành nghiên cứu để cải thiện hiệu năng của UMTS bằng việc đưa ra
các phát hành R5, R6 và R7 với các tính năng như HSDPA, HSUPA
và MBMS. Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ
thống sau R6 RAN để có thể triển khai vào năm 2010. Các nghiên cứu
của LTE nhằm giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi
nhuận cao và cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch
vụ. Để đạt được các mục tiêu này cần đưa ra một công nghệ vô tuyến
tiềm năng mới cho phép nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng

người sử dụng và giảm thời gian trễ. Ngoài ra cũng cần nghiên cứu để
giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và
quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ dàng triển khai và khai
thác hệ thống.
1.2. QUÁ TRÌNH TIÊU CHUẨN HÓA WCDMA/ HSPA TRONG 3GPP

1.2.1. 3GPP
3GPP được giao trách nhiệm tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa
HSPA. Trước đó tổ chức quốc tế này đã được giao nhiệm vụ tiêu
chuẩn hóa cho WCDMA. Hoạt động tiêu chuẩn hóa cho
WCDMA/HSPA của tổ chức này từ năm 1999 đến năm 2006 được
tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình 1.1.


Chương 1: Tổng quan phát triển 3G…

Phát hành 1999
(R3), 12/99

2000

Phát hành 4
(R4) 03/01

2001

2002

Phát hành 5
(R5) 03/02

2003

Phát hành 6
(R6) 12/04

2004

2005

15

Phát hành 7
(R7) 09/06

2006

Phát hành 8
(R8)

2007

2008

Các phát hành
tiếp theo

2009

2010

Hình 1.1. Lộ trình đưa ra các phát hành trong 3GPP
Mốc phát triển đầu tiên cho WCDMA đã đạt được vào cuối năm
1999 khi phát hành 1999 (R3) được công bố chứa đựng toàn bộ các
đặc tả WCDMA. Phát hành R4 được đưa ra sau đó vào đầu năm 2001.
Tiếp theo là phát hành R5 được đưa ra vào năm 2002 và R6 vào năm
2004. Phát hành R7 được đưa ra vào nửa cuối của năm 2006. 3GPP
lúc đầu có bốn nhóm đặc tả kỹ thuật khác nhau (TSG: Technical
Specifications Group) và sau đó là năm nhóm chuyển từ các hoạt động
GSM/EDGE vào 3GPP. Sau khi cơ cấu lại vào năm 2005, quay lại còn
bốn nhóm TSG (hình 1.2) sau đây:
TSG RAN (Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến).
TSG RAN tập trung lên giao diện vô tuyến và các giao diện bên trong
giữa các trạm thu phát gốc (BTS)/ các bộ điều khiển trạm gốc (RNC)
cũng như giao diện giữa RNC và mạng lõi. TSG RAN chịu trách
nhiệm cho các tiêu chuẩn HSDPA và HSUPA


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

16

TSG CT (lõi và các đầu cuối). TSG CT tập trung lên các vấn đề
mạng lõi cũng như báo hiệu giữa mạng lõi và các đầu cuối
TSG SA (dịch vụ và kiến trúc hệ thống). TSG SA tập trung lên
các dịch vụ và kiến trúc hệ thống tổng thể
TSG GERAN (GSM/EDGE RAN). TSG RAN tập trung lên các
vấn đề về RAN nhưng cho giao diện vộ tuyến dựa trên
GSM/GPRS/EDGE.
Các đối tác có tổ chức

Các thành viên
cá lẻ

Cử đại diện

Nhóm điều phối đề án

TSG GERAN

TSG SA

TSG RAN

TSG CT

Các nhóm công tác (WG)

Hình 1.2. Cấu trúc 3GPP
Dưới TSG là các nhóm công tác (WG: Working Group), tại đây
công tác nghiên cứu kỹ thuật thực sự được tiến hành. Chẳng hạn dưới
TSG RAN, nơi nghiên cứu HSDPA và HSUPA, có năm nhóm công
tác sau đây:
TS RAN WG1: chịu trách nhiệm cho các khía cạnh về lớp vật lý
TS RAN WG2: chịu trách nhiệm cho các khía cạnh lớp 2 và lớp 3
TSG WG3: chịu trách nhiệm cho các giao diện bên trong RAN
TSG RAN WG4: chịu trách nhiệm cho các yêu cầu về hiệu năng
và vô tuyến
TSG RAN WG5: chịu trách nhiệm cho kiểm tra đầu cuối.

Chương 1: Tổng quan phát triển 3G…

17

Các thành viên của 3GPP gồm các đối tác có tổ chức. Các hãng
cá nhân phải là thành viên của một trong các đối tác có tổ chức và dựa
trên tổ chức này họ có quyền tham gia vào hoạt động của 3GPP. Dưới
đây là các đối tác có tổ chức hiện nay:
Liên minh các giải pháp công nghệ viễn thông (ATIS) từ Mỹ
Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) từ châu Âu
Liên hiệp các tiêu chuẩn thông tin Trung Quốc (CCSA) từ
Trung Quốc
Liên hiệp giới công nghiệp và kinh doanh vô tuyến (ARIB) từ
Nhật Bản
Ủy ban công nghệ viễn thông (TTC) từ Nhật Bản
Liên hiệp công nghệ viễn thông (TTA) từ Hàn Quốc
3GPP tạo lập nội dung kỹ thuật của các đặc tả, nhưng chính các
đối tác có tổ chức sẽ công bố công việc này. Điều này cho phép có
được các tập đặc tả giống nhau tại tất cả các vùng trên thế giới và vì
thể đảm bảo phổ biến trên tất cả các lục địa. Ngoài các đối tác có tổ
chức, còn có các đối tác được gọi là đại diện thị trường như UMTS
Forum, là bộ phận của 3GPP
Công tác trong 3GPP được xây dựng xung quanh các danh mục
công tác (nghiên cứu), thông qua các thay đổi nhỏ được đưa ra trực
tiếp như ‘các yêu cầu’ thay đổi đối với đặc tả. Đối với các danh mục
lớn hơn, thông thường nghiên cứu khả thi được thực hiện trước khi
tiến đến các thay đổi thực tế đối với các đặc tả.
1.2.2. Chuẩn hóa HSDPA trong 3GPP
Khi phát hành R3 hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được
đưa vào kế hoạch nghiên cứu. Trong năm 2000, khi thực hiện hiệu

chỉnh WCDMA và nghiên cứu R4 kể cả TD-SCDMA, người ta nhận
thấy rằng cần có một số cải thiện cho truy nhập gói. Để cho phép phát
triển này, nghiên cứu khả thi (danh mục nghiên cứu) cho HSDPA
được khởi đầu vào tháng 3 năm 2000. Nghiên cứu này được bắt đầu


18

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

theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất bốn hãng ủng hộ). Các
hãng ủng hộ khởi đầu nghiên cứu HSDPA gồm Motorola và Nokia
thuộc phía các nhà bán máy và BT/Cellnet, T-Mobile và
NTTDoCoMo thuộc phía các nhà khai thác.
Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên họp toàn thể TSG RAN
và kết luận rằng các giải pháp được nghiên cứu cho thấy có lợi. Trong
danh mục nghiên cứu HSDPA này có các vấn đề được nghiên cứu để
cải thiện truyền dẫn số liệu gói đường xuống so với các đặc tả R3. Các
chuyên đề như phát lại lớp vật lý và lập biểu dựa trên BTS đã được
nghiên cứu cùng với mã hóa và điều chế thích ứng. Nghiên cứu cũng
bao hàm cả một số nghiên cứu về công nghệ phát thu nhiều anten dưới
tiêu đề “Nhiều đầu vào nhiều đầu ra” (MIMO) cùng với chọn ô nhanh
(FCS: Fast Cell Selection).
Vì nghiên cứu khả thi cho thấy có thể đạt được cải thiện đáng kể
với mức độ phức tạp hợp lý, nên rõ ràng là cần tiếp tục danh mục
nghiên cứu thực tế để phát triển các đặc tả. Sau khi danh mục công tác
này đã được thiết lập, phạm vi công tác này vẫn tuân theo danh mục
nghiên cứu nhưng MIMO được lấy ra thành một danh mục nghiên cứu
riêng và nghiên cứu khả thi FCS cũng được bắt đầu độc lập. Danh
mục nghiên cứu HSDPA được nhiều nhà bán máy ủng hộ hơn và danh

mục nghiên cứu thực tế này đã nhận được sự ủng hộ từ các nhà bán
máy lớn như Motorola, Nokia và Ericsson. Trong quá trình nghiên
cứu, tất nhiên con số các hãng đóng góp kỹ thuật cho quá trình này
còn lớn hơn nhiều. Một năm sau, đặc tả HSDPA R5 được phát hành.
Tất nhiên vẫn còn có các hiệu chỉnh cho HSDPA, nhưng những chức
năng lõi đã có trong các đặc tả lớp vật lý. Nghiên cứu một phần bị
chậm lại do các hoạt động hiệu chỉnh song song cần thiết cho các đầu
cuối và mạng R3 đang được triển khai. Nhất là đối với các khía cạnh
giao thức, các kiểm tra kỹ lưỡng được thực hiện để phát hiện các chi
tiết cần hiệu chỉnh và làm rõ nghĩa các đặc tả và đây là trường hợp đối
với các thiết bị R3 trước khi bắt đầu các hoạt động thương mại tại
châu Âu vào nửa cuối của năm 2002. Nghiên cứu các bộ phận của


Chương 1: Tổng quan phát triển 3G…

19

giao thức HSDPA chiếm nhiều thời gan nhất, trong đó nghiên cứu
tương thích ngược được bắt đầu vào tháng 3 năm 2004.

Trong số các chuyên đề khác liên quan đến HSDPA, danh mục
nghiên cứu MIMO không hoàn thành trong chương trình khung thời
gian của R5 và R6. Người ta vẫn tranh luận xem có xứng đáng đưa nó
vào hệ thống hay không và đây là chuyên đề nằm trong danh sách các
chuyên đề của R7. Nghiên cứu khả thi đối với FCS đã kết luận rằng
lợi ích nhận được từ nó không đáng kể so với sự tăng thêm độ phức
tạp vì thế sau khi nghiên cứu này khép lại không có danh mục nghiên
cứu nào được đưa ra cho FCS. Trong khi tập trung lên FDD (ghép
song công phân chia theo tần số), TDD (ghép sóng công phân chia

theo thời gian) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA kể
cả các giải pháp tương tự trong cả hai chế độ TDD (TDD băng hẹp
và băng rộng).
1.2.3. Chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP
Mặc dù HSUPA là thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trên thị
trường, trong quá trình chuẩn hóa HSUPA thuật ngữ này được sử
dụng đưới cái tên ‘kênh riêng đường lên tăng cường’ (E-DCH:
Enhanced Uplink Dedicated Channel). Nghiên cứu được tiến hành
trong giai đoạn hiệu chỉnh HSDPA và được bắt đầu bằng danh mục
nghiên cứu về ‘tăng cường đường lên cho các kênh truyền tải’ vào
tháng 9 năm 2002. Từ phía các nhà bán máy, Motorola, Nokia, và
Ericsson là các hãng ủng hộ khởi xướng nghiên cứu cho vần đề này
trong 3GPP.
Các kỹ thuật được nghiên cứu cho HSUPA (E-DCH) bao gồm
(xem hình 1.3):
HARQ lớp vật lý nhanh cho đường lên
Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B
Độ dài thời gian truyền dẫn (TTI) đường lên ngắn hơn
Thiết lập TTI nhanh