Truy cập vô tuyến trong công nghệ LTE luận văn tốt nghiệp đại học

Lời nói đầu
Thông tin liên lạc là một nhu cầu của bất kỳ một xã hội phát triển nào.
Để đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao của xã hội, thông tin di động đã
được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm, bắt đầu với các hệ thống thông tin
di động sử dụng công nghệ analog, cho đến nay các mạng di động sử dụng
công nghệ số đang được ứng dụng rộng rãi và phát triển vô cùng mạnh mẽ.
Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang
phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới
đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có
rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai,
đó là LTE (Long Term Evolution). Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này
đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại
hóa LTE đã đến rất gần.
Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định
để kết nối. Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các
dịch vụ mọi lúc mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: Xem phim chất lượng cao
HDTV, điện thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ
liệu v.v… với một tốc độ “siêu tốc”. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di
động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G).
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là:
“Truy nhập vô tuyến trong công nghệ LTE”. Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng
quan về công nghệ LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử
dụng trong công nghệ này để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn
mà công nghệ này sẽ mang lại. Đề tài của em bao gồm 3 chương:
Chương 1. Lịch sử phát triển của thông tin di động
Chương 2. Tổng quan về công nghệ LTE
Chương 3. Truy nhập vô tuyến LTE
1


Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn

Thông đã giảng dạy cho em những kiến thức về chuyên môn, để em thực hiện
tốt đồ án này.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo. Hồ Sỹ Phương đã tận
tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài này!
Do khuôn khổ của bài viết cũng như còn hạn chế về kiến thức cho nên
không tránh khỏi thiếu sót cũng như lầm lẫn, em mong muốn nhận được
những ý kiến đóng góp thêm để hoàn thiện hơn nữa về kiến thức của mình.
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ em hoàn thành đợt
tốt nghiệp này.
Nghệ An, tháng 5 năm 2011
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Dũng

2


Mục lục
Lời nói đầu.......................................................................................................1
Mục lục.............................................................................................................3
Danh mục các hình vẽ ....................................................................................6
Danh mục các bảng ........................................................................................8
Danh mục các chữ viết tắt ..............................................................................9
Chương 1. Lịch sử phát triển của mạng thông tin di động........................14
1.1. Mạng thông tin di động 1G.......................................................................14
1.2. Mạng thông tin di động 2G.......................................................................14
1.3. Mạng thông tin di động 3G......................................................................17
1.4. Mạng thông tin di động 4G......................................................................21
Chương 2. Tổng quan về công nghệ LTE....................................................24
2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE.................................................................24

2.2. Cấu trúc hệ thống LTE.............................................................................26
2.2.1. Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN..........................................27
2.2.2. EPC (evoled packet core )...............................................................28
2.2.2.1. PDN Gateway (Packet Data Network Gateway)..................28
2.2.2.2. Serving Gateway (SGW)......................................................28
2.2.2.3. MME (Mobility Management Entity)..................................29
2.2.3. Các giao diện liên kết......................................................................30
2.2.4. Giao thức giao diện vô tuyến..........................................................30
2.2.5. Kênh chuyển tải...............................................................................33
2.2.5.1. Kênh chuyển tải đường xuống.............................................34
2.2.5.2. Kênh chuyền tải đường lên..................................................34
2.2.6. Kênh logic.......................................................................................35
2.2.6.1. Các loại kênh logic điều khiển.............................................35
2.2.6.2. Kênh logic lưu lượng............................................................36

3


2.2.7. Kênh vật lý......................................................................................36
2.2.7.1. Các loại kênh vật lý đường xuống........................................36
2.2.7.2. Các loại kênh vật lý đường lên.............................................37
Chương 3. Truy nhập vô tuyến trong công nghệ trong LTE...........................
38..........................................................................................................................
3.1. Truy nhập đường xuống...........................................................................38
3.1.1. Khái quát về công nghệ OFDM......................................................38
3.1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM.........................................................40
3.1.3. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM................................................45
3.1.3.1. Điều chế BPSK.....................................................................46
3.1.3.2. Điều chế QPSK....................................................................47
3.1.3.3. Điều chế QAM.....................................................................50

3.1.4. Công nghệ OFDM trong đường xuống của LTE.............................51
3.1.4.1. Cấu trúc khung LTE trong miền thời gian............................52
3.1.4.2. Đường xuống sóng mang và khối tài nguyên.......................57
3.2. Công nghệ SC-FDMA trong đường lên của LTE.....................................58
3.2.1. Cấu trúc Hybrid ARQ với kết hợp mềm.........................................59
3.3. Đa truy nhập MIMO.................................................................................61
3.4. Cấu trúc khung TDD và FDD..................................................................63
3.4.1. Cấu trúc khung loại 1......................................................................64
3.4.2. Cấu trúc khung Loại 2.....................................................................66
3.5. Các thủ tục truy nhập trong LTE..............................................................66
3.5.1. Tìm Cell...........................................................................................67
3.5.2. Thủ tục tìm Cell...............................................................................68
3.5.1.1. Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ..............69
3.5.1.2. Tìm ô ban đầu và tìm ô lân cận............................................71
3.5.2. Truy nhập ngẫu nhiên......................................................................72
3.5.2.1. Bước 1: Truyền dẫn tiền tố truy nhập..................................74
3.5.2.2. Bước 2: Trả lời truy nhập ngẫu nhiên .................................78
4


3.5.2.3. Bước 3: Nhận dạng đầu cuối................................................79
3.5.2.4. Bước 4: Phân giải va chạm...................................................80
3.5.3. Tìm gọi............................................................................................81
Kết luận chung ..............................................................................................83
1. Những kết quả đã đạt được................................................................. 83
2. Hướng phát triển...................................................................................83
Tài liệu tham khảo...........................................................................................84

5

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Quá trình phát triển của thông tin di động.......................................21
Hình 2.1. Kiến trúc của mạng LTE.................................................................26
Hình 2.2. Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống).........................................31
Hình 2.3. Phân đoạn và hợp đoạn RLC...........................................................32
Hình 2.4. Mối liên hệ giữa các kênh trong đường xuống................................33
Hình 2.5. Các kênh trong đường lên...............................................................33
Hình 3.1. OFDM và SC-FDMA......................................................................38
Hình 3.2. So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng
mang chồng xung (b)........................................................................................41
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống OFDM....................................................................42
Hình 3.4. Symbol OFDM với 4 subscriber....................................................44
Hình 3.5. Phổ của sóng mang con OFDM......................................................45
Hình 3.6. Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK.................................................47
Hình 3.7. Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK.......................................................49
Hình 3.8. Chùm tín hiệu M-QAM...................................................................51
Hình 3.9. Nguyên tắc của OFDMA đối với đường xuống..............................52
Hình 3.10. Cấu trúc khung trong miền thời gian LTE....................................52
Hình 3.11. Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống
trong trường hợp TDD và sự so sánh với FDD..........................................53
Hình 3.12. Sơ đồ thời gian và tần số của tín hiệu OFDM...............................54
Hình 3.13. Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE.......................................54
Hình 3.14. Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE..............55

6


Hình 3.15. Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình
thường.............................................................................................................57

Hình 3.16. Điều chế SC-FDMA cho đường lên..............................................58
Hình 3.17. Sơ đồ khối DFT-S- OFDM............................................................59
Hình 3.18. Giao thức hybrid - ARQ đồng bộ và không đồng bộ....................61
Hình 3.19. Ví dụ về công nghệ MIMO...........................................................62
Hình 3.20. Cấu trúc khung loại 1....................................................................65
Hình 3.21. Cấu trúc khung loại 2....................................................................66
Hình 3.22. Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp................................................68
Hình 3.23. Tạo tín hiệu đồng bộ trong miền tần số.........................................71
Hình 3.24. Tổng quan thủ tục truy nhập ngẫu nhiên.......................................74
Hình 3.25. Minh họa nguyên lý truyền dẫn tiền tố ngẫu nhiên.......................76
Hình 3.26. Định thời tiền tố tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập
ngẫu nhiên......................................................................................................77
Hình 3.27. Tạo tiền tố truy nhập ngẫu nhiên...................................................77
Hình 3.28. Thu không liên tục (DRX) đối với tìm gọi....................................82

7


Danh mục các bảng biểu

Bảng 3.1. Các dạng điều chế được sử dụng trong OFDM..............................45
Bảng 3.2. Mối quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu
điều chế QPSK trong tín hiệu không gian.......................................49
Bảng 3.3. Thông số tiêu biểu cho truyền dẫn đường xuống.......................64

8


Các từ viết tắt
Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1G

First Generation

2G

Second Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1
Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

3G

Third Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

4G

Fourth Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 4

All IP Network

Mạng toàn IP

AIPN
MC
AMPS
AM
AWGN

Adaptive Modulation

Điều chế và mã hoá thích nghi

Coding
Amercan Mobile Phone

Hệ thống thông tin di động Mỹ

System
Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

Additive White Gaussian
Noise

Nhiễu trắng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BTS

Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

CDMA
CMTS
CRC
DCCH
DCH
DFT

Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo mã

Access
Cellular
MobileTelephone System
Cyclic Redundancy

Hệ thống điện thoại di động tổ ong

Kiểm tra tính dư tuần hoàn

Dedicated Control

Kênh điều khiển dành riêng

Channel
Dedicated Channel
Discrete Fourier

Kênh dành riêng
Biến đổi fourier rời rạc

Transform

9


DFTS-

DFT-Spread OFDM, See

OFDM

Also SC-FDMA

DL
DL-SCH
DPCCH
DPCH

DTCH
EDGE
eNodeB
EPC
FBSS
FDMA
FDM

OFDM trải phổ DFT, cũng được
xem
như là SC-FDMA
Tuyến xuống

DownLink

Downlink Shared Channe Kênh chia sẻ đường xuống
Dedicated Physical

Kênh điều khiển vật lý dành riêng

Control Channel
Dedicated Physical

Kênh vật lý dành riêng

Channel
Dedicated Traffic

Kênh lưu lượng dành riêng

Channe
Enhanced Data Rate for

Tốc độ số liệu gói tăng

GSM
Enhanced NodeB

Các trạm cơ sở LTE

Evolved Packet Core

Lõi gói cải tiến

Fast Base Station

Chuyển mạch trạm gốc nhanh

Switching
Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Multiple Access
Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

FFT

Fast Fourrier Transform

Biến đổi Fourrier nhanh

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

GERAN
GMSC
GPRS

Mạng truy nhập vô tuyến GSM

GSM EDGE RAN

EDGE
Gateway Mobile Services MSC cổng
General Packet Radio

Dịch vụ vô tuyến gói chung

Service

10

GSM
HARQ

Global System for

Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Mobile
Hybrid Automatic Repeat Tự động lặp lại yêu cầu theo hình

HHO

reQuest
Hard Handoff

thức lai
Chuyển vùng cứng

HLR

Home Location Register

Bộ đăng ký vị trí thường trú

HO

Hand Off or Hand Over

Chuyển vùng

HSS

Home Subscriber Server

IFFT
ICI
IDFT

Inverse Fast Fourrier

Hệ thống máy chủ thuê bao thường
trú
Biến đổi Fourrier nhanh nghịch đảo

Transform
Inter Channel

Nhiễu xuyên kênh

Interference
Inverse Discrete Fourier

Sự Biến đổi Fourier ngược

Transform
International Mobile

Tiêu chuẩn thông tin di động toàn

Telecommunication

cầu

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ISI

Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

IMT-2000

ISDN
ITU

Integrated Services

Mạng số liên kết đa dịch vụ

Digital Network
International
Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa lâu dài

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập đa phương tiện

MDHO
MS

Macro Diversity Hand

Chuyển vùng phân tập vĩ mô

Over
Mobile Station

Trạm di động

11


MSC
MIMO
NAK
MT
OFDM

OFDMA
PKM

Mobile Services

Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ

Switching Center
Multiple Input Multiple

di động
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Ouput
Negative

Báo nhận thất bại (trong giao thức

Acknowledgement
Mobile Terminal
Orthogonal Frequency

ARQ)
Đầu cuối di động
Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Division Multiplex
Orthogonal Frequency

giao

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Division Multiple Access trực giao
Public Key management

Quản lý khoá công cộng

Paging System
Parallel to Serial
Single Carrier

Hệ thống nhắn tin
Chuyển song song sang nối tiếp
Sóng mang đơn

PUSC

Partially Used Sub Carrier

Sóng mang con được dùng một phần

PAPR

Peak to Average Power

Tỉ số công suất đỉnh trên công suất

Ratio

trung bình

Resource Block

Khối tài nguyên

PS
P/S
SC

RB
QAM
QoS
QPSK

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modulation
Quality of Service
Quadrature Phase Shift

Chất lượng dịch vụ
Khóa dịch pha cầu phương

Keying

SC-FDMA Single Carrier FDMA
TAF
TDM

TDMA

FDMA đơn sóng mang

Time Alignment Flag

Cờ đồng bộ thời gian

Time Division

Ghép kênh phân chia theo thời gian

Multiplexing
Time Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo thời

Access

gian
12


TE

Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối

UL

UpLink

Tuyến lên

UniversalMobile
UMTS

VLR
WCDMA
WLAN

Hệ thống viễn thông di động toàn

Telecommunication

cầu

System
Visistor Location

Bộ đăng ký vị trí tạm trú

Register
Wide Band CodeDivision
Wireless Local Area

Đa truy nhập phân chia theo mã băng
rộng
Mạng vùng nội hạt vô tuyến

Network

13


Chương 1. Lịch sử phát triển của mạng
thông tin di động
1.1. Mạng thông tin di động 1G
∗ Lịch sử phát triển
Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín
hiệu tương tự (analog), là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại,
được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Những công nghệ chính thuộc thế hệ
thứ nhất này có thể kể đến là: NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng
ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác như
AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem - hệ thống điện thoại di động tiên
tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem
- hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức,
Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia.
∗ Đặc điểm của hệ thống
Hầu hết các hệ thống ñều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu
chủ yếu là âm thanh. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên
thứ ba. Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD,
Mobitex, DataTac. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất
rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh
kém, không có chế độ bảo mật…Do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được
nhu cầu sử dụng.
1.2. Mạng thông tin di động 2G
∗ Lịch sử phát triển
Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT

European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations)
thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM - Group Speciale Mobile, mục đích phát
14


triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký
vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991.
Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI - European
Telecommunication Standards Institute) được thành lập, có trách nhiệm biến
đổi nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European.
Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA 1G, 2G là kết hợp FDMA và TDMA.
∗

Đặc điểm của hệ thống
- Dài tần cơ bản từ (890 - 960MHz);
- Uplink band từ (890 - 915) MHz;
- Downlink ban từ (935 - 960)MHz;
- Băng tần gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng

25MHz;
- Khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz;
- Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là
kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz;
- Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là
một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. Tốc độ mã từ (6.5 -13)
Kbps;
-125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt
đối.
∗

Phương pháp truy nhập
- Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple

Access);
- Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division Multiple
Access);
- Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple
Access).
∗ Các hệ thống điển hình

15


Các mạng thế thứ hai cho phép truyền dữ liệu hạn chế trong khoảng từ
9.6 kbps đến 19.2 kbps. Các mạng này được sử dụng chủ yếu cho mục đích
thoại và là các mạng chuyển mạch kênh.
Tương tự như trong 1G, không tồn tại một chuẩn chung toàn cầu nào
cho 2G, hiện nay các hệ thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:
- D-AMPS (Digital AMPS): Được sử dụng tại Bắc Mỹ. D-AMPS đang
dần được thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000.
- GSM (Global System for Mobile Communications): Các hệ thống
triển khai GSM được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ,
Nhật). Hệ thống GSM dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu
cuối di động truyền thông trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số
khác cao hơn (chênh lệch 80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM).
Trong cả hai hệ thống, phương pháp dồn kênh phân chia thời gian lại được áp
dụng cho một cặp tần số, làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của
hệ thống. Tuy nhiên, các kênh GSM rộng hơn các kênh AMPS (200kHz so
với 30kHz) qua đó GSM cung cấp độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS
- CDMA (code Division Multiple Access): CDMA sử dụng công nghệ

đa truy cập thông qua mã. Nhờ công nghệ này mà CDMA có thể nâng cao
dung lượng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cell cao hơn hẳn so
với hai công nghệ trên.
- PDC (Personal Digital Cellular): Là chuẩn được phát triển và sử dụng
duy nhất tại Nhật Bản. Giống như D-AMPS và GSM, PDC sử dụng TDMA.
∗ GPRS (General Packet Radio Service)
GPRS chính là bước đệm giữa 2G với 3G trong công nghệ điện thoại
không dây. Khái niệm 2,5G được dùng để miêu tả hệ thống di động 2G có
trang bị hệ thống chuyển mạch gói, bên cạnh hệ thống chuyển mạch kênh
truyền thống. Trong khi các khái niệm 2G và 3G được chính thức định nghĩa
thì khái niệm 2,5G lại không được như vậy. Khái niệm này chỉ dùng cho mục
đích tiếp thị. 2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ chuyển mạch
16


gói), và có thể dùng cơ sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM
và CDMA. GPRS là công nghệ được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông
GSM sử dụng. Chất lượng như các dịch vụ 3G (vì dùng tốc độ truyền dữ liệu
144Kb/s), nhưng vẫn được xem như dịch vụ 2,5G bởi vẫn chậm hơn vài lần so
với dịch vụ 3G thật sự.
∗

EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) hay 2,75G đôi khi

còn gọi là EGPRS, là công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS cho phép
truyền dự liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kbit/s cho người dùng cố định
hoặc di chuyển chậm và 144kbit/s cho người dùng di chuyển tốc độ cao. Trên
đường tiến đến 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G. Thực tế
bên cạnh điều chế GMSK, EDGE dùng phương thức điều chế 8-PSK để tăng

tốc độ dự liệu truyền. Chính vì thế, để triển khai EDGE, các nhà cung cấp
mạng phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng như là thiết bị di động so với
mạng GPRS.
EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ. Đây là
lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn. ITU đã định nghĩa 384kbps là giới
hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi
trường không lý tưởng. 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời
gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian.
1.3. Mạng thông tin di động 3G
Các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các
mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công
nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước. Vào năm 1992, ITU công bố
chuẩn IMT-200 (International Mobile Telecommunication-2000) cho hệ
thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G:
- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao;
- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ...);
- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc);
17


- Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ...);
- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích
toàn cầu giữa các hệ thống.
Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng
truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông
2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển
giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp
ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di
chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps.
∗

UMTS (W-CDMA)
- UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-

CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ
thống GSM muốn chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu
và được quản lý bởi 3GPP (third Generation Partnership Project), tổ chức
chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS. UMTS hoạt động ở băng
thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo
giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có.
- CDMA2000: Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn
này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong
thế hệ 2. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách
rời khỏi 3GPP của UMTS. CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps
đến 2Mbps. Hệ thống CDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ
thống GSM hoặc D-AMPS của thế hệ thứ 2.
∗ Đặc Điểm của hệ thống
Đặc điểm nổi bật nhất của mạng 3G là khả năng hỗ trợ một lượng lớn
các khách hàng trong việc truyền tải âm thanh và dữ liệu - đặc biệt là ở các
vùng đô thị, với tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn mạng 2G.
3G sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho
phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps
18


trong hệ thống tĩnh. Người dùng hy vọng mạng 3G sẽ được phát triển hiệu quả
hơn nữa, để các khách hàng của các mạng 3G khác nhau trên toàn cầu có thể
kết nối với nhau.
Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân
tầng, không giống như mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại

những ưu điểm như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập
trung hóa. Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình
và cho phép mạng lưới có thể được phân chia linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết
nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu
âm thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP.
- CDMA được dùng trong mạng IMT-2000 3G là WCDMA (Wideband
CDMA) và CDMA2000.
- Ở Châu Âu, mạng 3G WCDMA được biết như là UMTS (Universal
Mobile Telephony System) là một cái tên khác cho W-CDMA/dịch vụ 3G.
- UMTS sử dụng WCDMA, WCDMA như chuẩn phát vô tuyến. Nó có
băng thông kênh là 5 MHz, có thể mang 100 cuộc gọi cùng một lúc, hoặc nó
có thể mang dữ liệu tới 2Mbps. Tuy nhiên, với sự tăng cường HSDPA và
HSUPA chính là trong những release sau này (R99/R4/R5/R6) của chuẩn, tốc
độ phát dữ liệu tăng tới 14,4 Mbps.
- UMTS cho phép cả 2 chế độ FDD và TDD. Chế độ đầu tiên là FDD là
uplink và downlink trên các tần số khác nhau. Không gian giữa chúng là
190MHz cho mạng band1. Ở TDD uplink và downlink được chia theo thời
gian với những trạm cơ sở (base station) và sau đó di động phát lần lượt trên
cùng tần số, đặc biệt phù hợp tới nhiều loại ứng dụng khác nhau. Nó cũng
thực hiện ở những cell nhỏ. Thời gian bảo vệ được yêu cầu giữa phát và thu.
Hệ thống TDD có thể hiệu quả khi sử dụng trong picocell để mang dữ liệu
internet.

19


- Tần số: Hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào
UMTS tầnsố cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 - 2025)MHz và Downlink
(2110 - 2200)MHz.
- UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến. Điều

chế trên đường uplink và downlink là khác nhau. Downlink sử dụng dịch
khóa pha cầu phương (QPSK) cho tất cả những kênh vận chuyển. Tuy nhiên,
Uplink sử dụng 2 kênh riêng biệt để thực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng
thái on và off để không gây ra nhiễu trên đường audio, những kênh đôi (dual
channel phase chifl keying) dùng để mã hóa dữ liệu người dùng tới I hoặc đầu
vào In - phase tới bộ điều chế QPSK.
- CDMA 2000, chuẩn 3G khác. Nó là một sự nâng cấp CDMAOne. Nó
sử dụng trải phổ rộng do đó có thể phát và thu thông tin nhanh hơn và hiệu
quả hơn, phát dữ liệu internet nhanh, video, và phát nhạc chất lượng CD.
∗

Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM
- Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến.
- Có khả năng truyền tải đa phương tiện.
- Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất

là 2Mbps.
- Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn.
- Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN.
- Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần
so với GSM.
- CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin.
- Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp
hơn so với GSM.
∗ HSDPA (High Speed Downlink Package Access)
HSDPA hay còn gọi là 3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên
công nghệ hiện có của 3G. Công nghệ của 3,5G chính là HSDPA (High Speed

20

Downlink Package Access). Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công
nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA.
HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương
đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ
kết nối của một điện thoại thông thường.
HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng
di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS. HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng
dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương
tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ
Streaming. [1]
t
1985

1995

GSM
CDMA One

2000

2005

WCDMA
CDMA 2001

3G

Wifi/IE
EE

802.11

AMPS
TACS
< 10Kbps

< 20Kbps

2015

IMT
Avd 4G
E3
G

3G
+

2G
1G

2010

300Kbps – 10Mbps

Wimax/IE
E
E802.16e

< 100Mbps 100Mbps –1Gbps

Hình 1.1. Quá trình phát triển của thông tin di động [1]
1.4. Mạng thông tin di động 4G
Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều luôn mong muốn và
hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch
vụ hơn với tính năng và chất lượng dịch vụ cao hơn. Với cách nhìn nhận này,
Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đã và đang làm việc để hướng tới một
chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ tư 4G. ITU đã lên kế hoạch để
có thể cho ra đời chuẩn này một vài năm tới. Công nghệ này sẽ cho phép
thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất

21


nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay. Về lý thuyết, theo
tính toán dự kiến tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 288 Mb/s.
Cho đến hiện nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông
qua. Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề
cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G. Các sở cứ quan trọng để ITU
thông qua cho chuẩn 4G đó chính là từ hỗ trợ của các công ty di động toàn
cầu. Các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt là sự xuất hiện của ba công nghệ cho
việc phát triển mạng di động tế bào LTE (Long-Term Evolution), UMB
(Ultramobile Broadband) và WiMAX II (IEEE 802.16m). Ba công nghệ này
có thể được xem là các công nghệ tiền 4G. Chúng sẽ là các công nghệ quan
trọng giúp ITU xây dựng các phát hành cho chuẩn 4G trong thời gian tới.
∗ LTE (Long-Term Evolution)
Tổ chức chuẩn hóa công nghệ mạng thông tin di động 3G UMTS 3GPP
bao gồm các tổ chức chuẩn hóa của các nước châu Á, châu Âu và Bắc Mỹ đã
bắt đầu chuẩn hóa thế hệ tiếp theo của mạng di động 3G là LTE.
LTE được xây dựng trên nền công nghệ GSM, vì thế nó dễ dàng thay

thế và triển khai cho nhiều nhà cung cấp dịch vụ. Nhưng khác với GSM, LTE
sử dụng phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).
LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể hoạt động ở
băng tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz.
∗ UMB (Ultra Mobile Broadband)
Tổ chức chuẩn hóa công nghệ thông tin di động 3G CDMA2000
3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) được thành lập và phát triển
bởi các tổ chức viễn thông của Nhật, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc đã
đề xuất phát triển UMB. Thành viên của 3GPP2, Qualcom là người đi đầu
trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù công ty này cũng chú tâm cả vào việc
phát triển LTE.

22


UMB dựa trên CDMA có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ
1,25MHz đến 20MHz và làm việc ở nhiều dải tần số. UMB được đề xuất với
tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mb/s cho luồng xuống và 75Mb/s cho luồng
trên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz. Công nghệ này sẽ cung cấp kết
nối

thông qua các sóng mang dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã

CDMA.
∗ IEEE 802.16m (WiMAX II)
Như chúng ta đã biết, WiMAX hay chuẩn 802.16 ban đầu được xây
dựng cho mục đích chính là cung cấp các dịch vụ mạng cố định. Chuẩn IEEE
802.16e được phát triển thêm tính năng di động từ các chuẩn WiMAX trước
đó. IEEE 802.16 là một chuỗi các chuẩn do IEEE phát triển, chúng hỗ trợ cả cố
định và di động, là công nghệ truyền thông, truy nhập diện rộng, nó cũng được

gọi với một tên khác là WiMAX. WiMAX hoạt động trong dải tần từ 10GHz
đến 66 GHz.
IEEE 802.16m hay còn gọi là WiMAX II là công nghệ duy nhất trong
các công nghệ tiền 4G được xây dựng hoàn toàn dựa trên công nghệ đa truy
nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA. WiMAX II được phát triển lên
từ chuẩn IEEE 802.16e. Công nghệ WiMAX II sẽ hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu
lên tới 100Mb/s cho các ứng dụng di động và có thể lên tới 1Gb/s cho các
người dùng tĩnh. Khoảng cách truyền cho WiMAX II sẽ khoảng 2 km ở môi
trường thành thị và là khoảng 10 km cho các khu vực nông thôn.

23


Chương 2. Tổng quan về công nghệ LTE

2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE (Long Term Evolution) còn được gọi là EUTRA (Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access) hay E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio
Access Network) là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ
truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các telco có thể phát triển thêm nhiều dịch
vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng IP tối ưu, và đặc biệt thuận
tiện cho việc nâng cấp mạng từ 3G lên 4G.
∗ Các đặc điểm của công nghệ
Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu: LTE
được xây dựng trên một mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên
công nghệ OFDM. Được chỉ rõ trong 3GPP Release 8, giao diện không gian
LTE kết hợp đa truy nhập và điều chế dựa trên OFDMA cho đường xuống,
cùng với SC-FDMA cho đường lên. OFDM chia phổ tần khả dụng thành hàng
nghìn sóng mang con cực hẹp, mỗi trong số chúng mang một phần của tín
hiệu. Ở LTE, hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM được tăng cường lên nhờ

các sơ đồ điều chế bậc cao hơn như là 64QAM, mã hóa xoắn, mã hóa turbo,
cùng với các kỹ thuật vô tuyến bổ sung như MIMO và định dạng chùm lên
đến 4 anten mỗi trạm. Kết quả là thông lượng trung bình gấp 5 lần của HSPA.
- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20MHz và dùng 2 anten thu và 2
anten phát;
- Tải xuống: 150 Mbps; Tải lên: 50 Mbps;
- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz và dùng 4 anten thu và 4
anten phát: Tải xuống: 300 Mbps; Tải lên: 75 Mbps;
- Trễ được giảm: Bằng cách giảm thời gian round - trip xuống còn 10
ms hoặc thậm chí ít hơn (so với 40-50ms cho HSPA), LTE cung cấp trải
24


nghiệm người sử dụng đáp ứng nhanh hơn. Điều này cho phép các dịch vụ
tương tác, thời gian thực như là trò chơi điện tử nhiều người, hội thảo
video/audio chất lượng cao;
- Tối ưu IP (tập trung vào các dịch vụ chuyển mạch gói);
- Hỗ trợ cho cả quang phổ đôi và lẻ;
- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1
MHz so với mạng HSDPA Rel.6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2
đến 3 lần;
- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h.
Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15-120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi
thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120-350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng
tần); - Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km,
giảm chút ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30-100 km thì không hạn chế;
- Hỗ trợ các hết nối điểm - điểm, nâng cao chất lượng dịch vụ, giảm
thiểu bít lỗi;
- Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Người sử dụng LTE sẽ
có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và phải truy nhập

đến các dịch vụ số liệu cơ sở, thậm chí khi họ nằm trong vùng không phủ
sóng LTE. Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, liền, trôi
chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE.
Hơn thế nữa, LTE/SAE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ
thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền
chuyển mạch kênh;
- Thời gian chuyển mạch trong LTE được rút ngắn hơn so với mạng
2G, LTE được nâng cấp lên từ mạng 2G, 3G;
- Băng tấn sử dụng: LTE có thể được triển khai ở nhiều băng tần khác
nhau như ở tần số 700Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz, 2300Mhz;

25