Truy nhập vô tuyến và kiến trúc giao diện vô tuyến trong công nghệ LTE luận văn tốt nghiệp đại học điện tử viễn thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
_____________________________

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TRUY NHẬP VÔ TUYẾN VÀ KIẾN TRÚC GIAO
DIỆN VÔ TUYẾN TRONG CÔNG NGHỆ LTE

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN THỊ SONG

Lớp 48K ĐTVT
Niên khóa:

2007 - 2012

Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

Nghệ An, 01 - 2012

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC..............................................................................................................................2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN.................................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................................7
DANH MỤC HINH VẼ.......................................................................................................11
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...................................................................................................14
Chương 1 .............................................................................................................................21
LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G LÊN 4G......................................21
Hình1.5. Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP [1]................................................26
Bước cuối cùng cho HSUPA là hoàn thiện tương thích ngược cho giao thức. Điều này sẽ
cho phép thiết lập mẫu chuẩn cho các thiết bị sẽ được đưa vào thị trường [1]....................26
1.1.2. Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA và HSUPA)...........................................26
Bảng 1.1. Mục tiêu của 4G..................................................................................................29
1.5.2. Tốc độ số liệu đỉnh ............................................................................................35
1.5.3. Thông lượng số liệu ..........................................................................................35
1.5.4. Hiệu suất phổ tần .............................................................................................36
Bảng 1.3. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần........................................36
giữa LTE và HSDPA............................................................................................................36
Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s).................................................................................................36
Bảng 1.4. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần.........................................36
giữa LTE và HSUPA............................................................................................................37
1.5.5. Hỗ trợ di động ....................................................................................................37
1.5.6. Vùng phủ ...........................................................................................................38
1.5.7. MBMS tăng cường ............................................................................................38
1.5.8. Kiến trúc mạngLTE...........................................................................................39
Hình 1.13. Kiến trúc cho hệ thống mạng chỉ có E-UTRAN [5]..........................................40
1.6. Kết luận.........................................................................................................................43
Chương 2..............................................................................................................................44
TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG CÔNG NGHỆ LTE..................................................44
2.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến......................................................................................44
2.2. Băng tần truyền dẫn......................................................................................................45
2.3. Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA.......................................................46

2


2.3.1. Nguyên lý của OFDM .......................................................................................46
Hình 2.1. Phổ và dạng xung của mỗi sóng mang cho truyền OFDM [1].............................46
Ta ký hiệu N là tổng của sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và P là số sóng
mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng, thì sơ đồ khối của hệ thống
OFDM được biểu diễn trên hình 2.2 [1]..............................................................................47
Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM (gồm cả thu và phát) [1]...................................47
Hình 2.3. Giải thích ý nghĩa chèn CP [1].............................................................................50
2.3.2. Công nghệ OFDM cho đường xuống ...............................................................52
Hình 2.4. Biểu diễn tần số/ thời gian của một tín hiệu OFDM [5]......................................52
Hình 2.5. Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT [5]...............................................53
2.3.3. Kỹ thuật OFDMA...............................................................................................53
Hình 2.6. Cấp phát sóng mang con cho OFDM và OFDMA...............................................54
2.3.4. Cấu trúc khung LTE trong miền thời gian và tần số..........................................55
Hình 2.7. Cấu trúc khung miền thời gian LTE [2]...............................................................55
Bảng 2.1. Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau FDD và TDD....56
Hình 2.8. Lưới tài nguyên đường xuống [6]........................................................................56
Hình 2.9. Ví dụ về xác định các khung con đương xuống/ đường lên

trong trường

hợp FDD (a) và TDD (b) [2]................................................................................................57
Hình 2.10. Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE [2] .....................................................58
Hình 2.11. Cấu trúc khung con và khe đường xuống [2].....................................................59
2.4. Công nghệ SC-FDMA trong đường lên của LTE..........................................................60
2.4.1. SC-FDMA ..........................................................................................................60
Hình 2.12. Sơ đồ khối DFT-S-OFDM [5]............................................................................61

2.4.2. Cấu trúc khung cho truyền dẫn đường lên..........................................................62
Hình 2.13. Cấu trúc miền tần số đường lên của LTE [1]....................................................62
Hình 2.14. Lưới tài nguyên đường lên [5]...........................................................................63
2.4.3. Truyền dẫn dữ liệu hướng lên....................................................................................64
Hình 2.15. Sơ đồ khối của hệ thống SC-FDMA [4]............................................................65
2.5. Tìm hiểu lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ.................................................65
Hình 2.16. Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và miền tần số [1]
..............................................................................................................................................66
2.5.1. Lập biểu đường xuống........................................................................................67
2.5.2. Lập biểu đường lên.............................................................................................67
2.5.3. HARQ với kết hợp mềm.....................................................................................68
3


2.5.4. Hỗ trợ đa anten...................................................................................................68
2.5.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương...........................................................................69
2.6. Kết luận.........................................................................................................................70
Chương 3..............................................................................................................................71
KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG LTE.......................................................71
3.1. Kiến trúc giao thức LTE...............................................................................................71
3.2. Điều khiển liên kết vô tuyến RLC................................................................................73
Hình 3.2. Phân đoạn và móc nối RLC [2]............................................................................75
3.3. Điều khiển truy nhập môi trường MAC........................................................................75
3.3.1. Kênh logic và các kênh truyền tải (Logical channels and transport channels)...75
Hình 3.3. Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải [2]..............................78
3.3.2. Lập biểu đường xuống........................................................................................78
3.3.3. Lập biểu đường lên.............................................................................................80
Hình 3.4. Chọn khuôn dạng truyền tài trên đường xuống (trái), trên đường lên (phải)[2]. .82
3.3.4. Hybrid ARQ (HARQ)........................................................................................83
Hình 3.5. Giao thức HARQ đồng bộ và không đồng bộ [2]...............................................85

Hình 3.6. Nhiều xử lý HARQ [2].........................................................................................85
3.4. Lớp vật lý ( PHY- Physical layer) ................................................................................87
Hình 3.7. Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH [2]............................................88
Hình 3.8. Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH [2]...........................................88
3.5. Luồng dữ liệu ...............................................................................................................89
..............................................................................................................................................90
Hình 3.9. Thí dụ về luồng dữ liệu LTE...............................................................................90
3.6. Kết luận.........................................................................................................................90
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................92

LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn
thông phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác.
Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc
nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động trong tương lai. Hệ
thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình

4


đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông
càng mở rộng càng thể hiện những hạn chế về dung lượng và băng thông của
các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống thông tin
di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là
một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy nhập dữ liệu, âm thanh, hình
ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng.
Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang
phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới
đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có

rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai,
đó là LTE (Long Term Evolution). 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 một
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 như: Xem
phim chất lượng cao HDTV, 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 ba (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Tuy vẫn còn khá
mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều
thay đổi khác biệt so với những mạng di động hiện nay.
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của
mình là: “Truy nhập vô tuyến và kiến trúc giao diện vô tuyến trong công
nghệ LTE”. Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu về các công nghệ truy nhập đường lên
và đường xuống trong LTE cũng như là những kỹ thuật và thành phần được
sử dụng trong LTE để có thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà
công nghệ này sẽ mang lại. Nội dung đồ án bao gồm.
Chương 1. Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G. Nội dung
của chương này gồm các hoạt động nghiên cứu phát triển 3G, lộ trình lên 4G
đang được tiến hành trong 3GPP, và giới thiệu về công nghệ LTE.
5


Chương 2. Truy nhập vô tuyến trong công nghệ LTE. Chương này đề
cập đến các vấn đề truy nhập đường lên và đường xuống trong công nghệ
LTE.
Chương 3. Kiến trúc giao diện vô tuyến. Chương này sẽ mô tả các lớp
giao thức trên lớp vật lý, tương tác giữa chúng và giao diện lớp vật lý trong
LTE.
Do hạn chế về thời gian cũng như khả năng nghiên cứu, đồ án này

không trách khỏi thiếu sót cũng như nhầm lẫn, em rất mong nhận được sự góp
ý của các thầy cô, các bạn để nội dung đồ án được hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn
Thông trường Đại Học Vinh đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho
em trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn
chân thành sâu sắc đến cô giáo TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đã tận tình
hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này!
Cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ tôi và chia sẽ những khó khăn trong
quá trình thực hiện đồ án này!
Vinh, ngày tháng 01 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Song

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Thông tin di động đang phát triển như vũ bão, chất lượng và dịch vụ
ngày càng được nâng cao đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng.
Mặc dù hệ thống thông tin di động 2.5G, 3G đang được phát triển không
ngừng nhưng Liên Minh Viễn Thông quốc Tế ITU đang hướng tới một chuẩn
cho mạng di động mới thế hệ thứ 4 (4G) đó là LTE. Với LTE bạn có thể truy
cập tất cả các dịch vụ mọi lúc mọi nơi với tốc độ cao. Vì vậy trong đồ án này

6


em tập trung đi vào giới thiệu về công nghệ LTE và đặc biệt là các kỹ thuật
truy nhập vô tuyến gồm có truy nhập đường xuống OFDM và truy nhập
đường lên dựa trên công nghệ DFTS-OFDM hay còn gọi là SC-FDMA.
Ngoài ra còn tìm hiểu về kiến trúc giao diện vô tuyến LTE.

PROJECT SUMMARY

The mobile communications has rain develop, the quality and the
service are day by day better to satisfy the demand of consumer who have the
demand and needs change very fast. Although the mobile communication
system 2.5G, 3G is being developed continuously, but the International
Telecommunications Union ITU is moving toward a new standard for cellular
networks 4th generation (4G) LTE is. With LTE you can access all services at
all times at high speed. So in this project you must focus on introducing LTE
technology and especially the radio access technology including access
OFDM downlink and uplink access is based on DFTS-OFDM technology
also known as SC-FDMA. Also learn about architecture LTE radio interface.

DANH MỤC BẢNG BIỂU
MỤC LỤC..............................................................................................................................2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.................................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................................7
DANH MỤC HINH VẼ.......................................................................................................11
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...................................................................................................14
Chương 1 .............................................................................................................................21

7


LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G LÊN 4G......................................21
Hình1.5. Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP [1]................................................26
Bước cuối cùng cho HSUPA là hoàn thiện tương thích ngược cho giao thức. Điều này sẽ
cho phép thiết lập mẫu chuẩn cho các thiết bị sẽ được đưa vào thị trường [1]....................26
1.1.2. Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA và HSUPA)...........................................26
Bảng 1.1. Mục tiêu của 4G..................................................................................................29
1.5.2. Tốc độ số liệu đỉnh ............................................................................................35
1.5.3. Thông lượng số liệu ..........................................................................................35

1.5.4. Hiệu suất phổ tần .............................................................................................36
Bảng 1.3. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần........................................36
giữa LTE và HSDPA............................................................................................................36
Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s).................................................................................................36
Bảng 1.4. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần.........................................36
giữa LTE và HSUPA............................................................................................................37
1.5.5. Hỗ trợ di động ....................................................................................................37
1.5.6. Vùng phủ ...........................................................................................................38
1.5.7. MBMS tăng cường ............................................................................................38
1.5.8. Kiến trúc mạngLTE...........................................................................................39
Hình 1.13. Kiến trúc cho hệ thống mạng chỉ có E-UTRAN [5]..........................................40
1.6. Kết luận.........................................................................................................................43
Chương 2..............................................................................................................................44
TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG CÔNG NGHỆ LTE..................................................44
2.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến......................................................................................44
2.2. Băng tần truyền dẫn......................................................................................................45
2.3. Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA.......................................................46
2.3.1. Nguyên lý của OFDM .......................................................................................46
Hình 2.1. Phổ và dạng xung của mỗi sóng mang cho truyền OFDM [1].............................46
Ta ký hiệu N là tổng của sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và P là số sóng
mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng, thì sơ đồ khối của hệ thống
OFDM được biểu diễn trên hình 2.2 [1]..............................................................................47
Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM (gồm cả thu và phát) [1]...................................47
Hình 2.3. Giải thích ý nghĩa chèn CP [1].............................................................................50
2.3.2. Công nghệ OFDM cho đường xuống ...............................................................52
Hình 2.4. Biểu diễn tần số/ thời gian của một tín hiệu OFDM [5]......................................52
8


Hình 2.5. Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT [5]...............................................53

2.3.3. Kỹ thuật OFDMA...............................................................................................53
Hình 2.6. Cấp phát sóng mang con cho OFDM và OFDMA...............................................54
2.3.4. Cấu trúc khung LTE trong miền thời gian và tần số..........................................55
Hình 2.7. Cấu trúc khung miền thời gian LTE [2]...............................................................55
Bảng 2.1. Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau FDD và TDD....56
Hình 2.8. Lưới tài nguyên đường xuống [6]........................................................................56
Hình 2.9. Ví dụ về xác định các khung con đương xuống/ đường lên

trong trường

hợp FDD (a) và TDD (b) [2]................................................................................................57
Hình 2.10. Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE [2] .....................................................58
Hình 2.11. Cấu trúc khung con và khe đường xuống [2].....................................................59
2.4. Công nghệ SC-FDMA trong đường lên của LTE..........................................................60
2.4.1. SC-FDMA ..........................................................................................................60
Hình 2.12. Sơ đồ khối DFT-S-OFDM [5]............................................................................61
2.4.2. Cấu trúc khung cho truyền dẫn đường lên..........................................................62
Hình 2.13. Cấu trúc miền tần số đường lên của LTE [1]....................................................62
Hình 2.14. Lưới tài nguyên đường lên [5]...........................................................................63
2.4.3. Truyền dẫn dữ liệu hướng lên....................................................................................64
Hình 2.15. Sơ đồ khối của hệ thống SC-FDMA [4]............................................................65
2.5. Tìm hiểu lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ.................................................65
Hình 2.16. Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và miền tần số [1]
..............................................................................................................................................66
2.5.1. Lập biểu đường xuống........................................................................................67
2.5.2. Lập biểu đường lên.............................................................................................67
2.5.3. HARQ với kết hợp mềm.....................................................................................68
2.5.4. Hỗ trợ đa anten...................................................................................................68
2.5.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương...........................................................................69
2.6. Kết luận.........................................................................................................................70

Chương 3..............................................................................................................................71
KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG LTE.......................................................71
3.1. Kiến trúc giao thức LTE...............................................................................................71
3.2. Điều khiển liên kết vô tuyến RLC................................................................................73
Hình 3.2. Phân đoạn và móc nối RLC [2]............................................................................75
3.3. Điều khiển truy nhập môi trường MAC........................................................................75
9


3.3.1. Kênh logic và các kênh truyền tải (Logical channels and transport channels)...75
Hình 3.3. Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải [2]..............................78
3.3.2. Lập biểu đường xuống........................................................................................78
3.3.3. Lập biểu đường lên.............................................................................................80
Hình 3.4. Chọn khuôn dạng truyền tài trên đường xuống (trái), trên đường lên (phải)[2]. .82
3.3.4. Hybrid ARQ (HARQ)........................................................................................83
Hình 3.5. Giao thức HARQ đồng bộ và không đồng bộ [2]...............................................85
Hình 3.6. Nhiều xử lý HARQ [2].........................................................................................85
3.4. Lớp vật lý ( PHY- Physical layer) ................................................................................87
Hình 3.7. Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH [2]............................................88
Hình 3.8. Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH [2]...........................................88
3.5. Luồng dữ liệu ...............................................................................................................89
..............................................................................................................................................90
Hình 3.9. Thí dụ về luồng dữ liệu LTE...............................................................................90
3.6. Kết luận.........................................................................................................................90
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................92

10

DANH MỤC HINH VẼ
MỤC LỤC..............................................................................................................................2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.................................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................................7
DANH MỤC HINH VẼ.......................................................................................................11
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...................................................................................................14
Chương 1 .............................................................................................................................21
LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G LÊN 4G......................................21
Hình1.5. Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP [1]................................................26
Bước cuối cùng cho HSUPA là hoàn thiện tương thích ngược cho giao thức. Điều này sẽ
cho phép thiết lập mẫu chuẩn cho các thiết bị sẽ được đưa vào thị trường [1]....................26
1.1.2. Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA và HSUPA)...........................................26
Bảng 1.1. Mục tiêu của 4G..................................................................................................29
1.5.2. Tốc độ số liệu đỉnh ............................................................................................35
1.5.3. Thông lượng số liệu ..........................................................................................35
1.5.4. Hiệu suất phổ tần .............................................................................................36
Bảng 1.3. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần........................................36
giữa LTE và HSDPA............................................................................................................36
Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s).................................................................................................36
Bảng 1.4. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần.........................................36
giữa LTE và HSUPA............................................................................................................37
1.5.5. Hỗ trợ di động ....................................................................................................37
1.5.6. Vùng phủ ...........................................................................................................38
1.5.7. MBMS tăng cường ............................................................................................38
1.5.8. Kiến trúc mạngLTE...........................................................................................39
Hình 1.13. Kiến trúc cho hệ thống mạng chỉ có E-UTRAN [5]..........................................40
1.6. Kết luận.........................................................................................................................43

11

Chương 2..............................................................................................................................44
TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG CÔNG NGHỆ LTE..................................................44
2.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến......................................................................................44
2.2. Băng tần truyền dẫn......................................................................................................45
2.3. Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA.......................................................46
2.3.1. Nguyên lý của OFDM .......................................................................................46
Hình 2.1. Phổ và dạng xung của mỗi sóng mang cho truyền OFDM [1].............................46
Ta ký hiệu N là tổng của sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và P là số sóng
mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng, thì sơ đồ khối của hệ thống
OFDM được biểu diễn trên hình 2.2 [1]..............................................................................47
Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM (gồm cả thu và phát) [1]...................................47
Hình 2.3. Giải thích ý nghĩa chèn CP [1].............................................................................50
2.3.2. Công nghệ OFDM cho đường xuống ...............................................................52
Hình 2.4. Biểu diễn tần số/ thời gian của một tín hiệu OFDM [5]......................................52
Hình 2.5. Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT [5]...............................................53
2.3.3. Kỹ thuật OFDMA...............................................................................................53
Hình 2.6. Cấp phát sóng mang con cho OFDM và OFDMA...............................................54
2.3.4. Cấu trúc khung LTE trong miền thời gian và tần số..........................................55
Hình 2.7. Cấu trúc khung miền thời gian LTE [2]...............................................................55
Bảng 2.1. Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau FDD và TDD....56
Hình 2.8. Lưới tài nguyên đường xuống [6]........................................................................56
Hình 2.9. Ví dụ về xác định các khung con đương xuống/ đường lên

trong trường

hợp FDD (a) và TDD (b) [2]................................................................................................57
Hình 2.10. Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE [2] .....................................................58
Hình 2.11. Cấu trúc khung con và khe đường xuống [2].....................................................59
2.4. Công nghệ SC-FDMA trong đường lên của LTE..........................................................60

2.4.1. SC-FDMA ..........................................................................................................60
Hình 2.12. Sơ đồ khối DFT-S-OFDM [5]............................................................................61
2.4.2. Cấu trúc khung cho truyền dẫn đường lên..........................................................62
Hình 2.13. Cấu trúc miền tần số đường lên của LTE [1]....................................................62
Hình 2.14. Lưới tài nguyên đường lên [5]...........................................................................63
2.4.3. Truyền dẫn dữ liệu hướng lên....................................................................................64
Hình 2.15. Sơ đồ khối của hệ thống SC-FDMA [4]............................................................65
2.5. Tìm hiểu lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ.................................................65
12


Hình 2.16. Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và miền tần số [1]
..............................................................................................................................................66
2.5.1. Lập biểu đường xuống........................................................................................67
2.5.2. Lập biểu đường lên.............................................................................................67
2.5.3. HARQ với kết hợp mềm.....................................................................................68
2.5.4. Hỗ trợ đa anten...................................................................................................68
2.5.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương...........................................................................69
2.6. Kết luận.........................................................................................................................70
Chương 3..............................................................................................................................71
KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG LTE.......................................................71
3.1. Kiến trúc giao thức LTE...............................................................................................71
3.2. Điều khiển liên kết vô tuyến RLC................................................................................73
Hình 3.2. Phân đoạn và móc nối RLC [2]............................................................................75
3.3. Điều khiển truy nhập môi trường MAC........................................................................75
3.3.1. Kênh logic và các kênh truyền tải (Logical channels and transport channels)...75
Hình 3.3. Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải [2]..............................78
3.3.2. Lập biểu đường xuống........................................................................................78
3.3.3. Lập biểu đường lên.............................................................................................80
Hình 3.4. Chọn khuôn dạng truyền tài trên đường xuống (trái), trên đường lên (phải)[2]. .82

3.3.4. Hybrid ARQ (HARQ)........................................................................................83
Hình 3.5. Giao thức HARQ đồng bộ và không đồng bộ [2]...............................................85
Hình 3.6. Nhiều xử lý HARQ [2].........................................................................................85
3.4. Lớp vật lý ( PHY- Physical layer) ................................................................................87
Hình 3.7. Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH [2]............................................88
Hình 3.8. Mô hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH [2]...........................................88
3.5. Luồng dữ liệu ...............................................................................................................89
..............................................................................................................................................90
Hình 3.9. Thí dụ về luồng dữ liệu LTE...............................................................................90
3.6. Kết luận.........................................................................................................................90
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................92

13


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1G

First Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1

2G

Second Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

3G

Third Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

4G

Fourth Generation
3rd Generation Partnership

Hệ thống thông tin di động thế hệ 4
Chương trình đối tác thế hệ

3GPP

Project
3 Generation Partnership
rd

3GPP2

thứ ba
Chương trình đối tác thế hệ

Project
Authentication,

thứ ba-2

AAA

Authorization and

Xác thực, cấp phép và tính cước

ACK
AIPN
AM

Accounting
Acknowledgement
All IP Network
Acknowledged Mode
Amercan Mobile Phone

Sự báo nhận
Mạng toàn IP
Chế độ báo nhận

AMPS
AMR-WB

System
Adaptive MultiRateWideBand

Hệ thống thông tin di động Mỹ
Thích ứng tốc độ-băng rộng

14


ARQ
AWGN

Automatic RepeatreQuest
Additive White Gaussian

Phát lại tự động
Nhiễu trắng

BCH

Noise
Broadcast channel

Kênh quảng bá

BCCH

Broadcast control channell

Kênh điều khiển quảng bá

BSC

BTS

Base Station Controller
Base Transceiver Station
Code Division Multiple

Bộ điều khiển trạm gốc
Trạm thu phát gốc

CDMA
CDS
CP
CPC
CTC
CQI
CRC
C-RNTI
DCCH
DCH
DFDMA
DFT

Access
Channel Dependent
Scheduling
Cyclic Prefix
Continous Packet

Đa truy nhập phân chia theo mã
Lập biểu phụ thuộc kênh

Tiền tố chu trình
Gói kết nối liên tục

Connectivity
Convolutional Turbo code
Channel Quality Indiction
Cyclic Redundancy Check
Cell Radio Network

Mã xoắn Turbo
Thông tin chất lượng kênh truyền
Kiểm tra dư vòng
Nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến

Tenprary Indentifier
Dedicated Control Channel

tế bào
Kênh điều khiển dành riêng

Dedicated Channel
Distributed FDMA
Discrete Fourier

Kênh dành riêng
Phân phối FDMA
Biến đổi fourier rời rạc

DFTS-

Transform
DFT-Spread OFDM, See

OFDM trải phổ DFT, cũng được

OFDM

Also SC-FDMA

xem như là SC-FDMA

DL-SCH

Downlink Shared Channe

Kênh chia sẻ đường xuống

DTCH

Dedicated Traffic Channe

Kênh lưu lượng dành riêng

DTX

Discontinuous
Transmission

Truyền phát không liên tục

15


Enhanced Data Rate for

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho

E-DCH
eNodeB

GSM
Enhanced DCH
Enhanced NodeB
Enhanced Multimedia

GSM phát triển
DCH được tăng cường
Các trạm cơ sở LTE

eMBMS

Broadcast Multicast

EPC

Service
Evolved Packet Core
Evolved Universal

E-UTRAN

Terrestrial Radio Access

EDGE

E-RAN
FDD
FDM
FDMA

Network
Evolved Radio Access
Network
Frequency Division
Duplex
Frequency Division
Multiplexing
Frequency Division
Multiple Access

Dịch vụ đa phương quảng bá tăng
cường
Mạng lõi gói phát triển
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
toàn cầu phát triển
Mạng truy nhập vô tuyến phát triển
Song công phân chia tần số
Ghép kênh phân chia theo tần số
Đa truy nhập phân chia theo tần số

FFT

Fast Fourrier Transform

Biến đổi Fourrier nhanh

FM

Frequency Modulation
GSM/EDGE Radio

Điều chế tần số
Mạng truy nhập vô tuyến

Access Network
Gateway GPRS Support

GSM/EDGE

GERAN
GGSN
GPRS
GSM
HARQ
HSPA
HSDPA

Node
General Packet Radio
Service

Nút cổng hỗ trợ GPRS
Dịch vụ vô tuyến gói chung

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Hybrid Automatic Repeat

Tự động lặp lại yêu cầu theo hình

reQuest
High Speed Packet Access
High Speed Downlink

thức lai
Truy nhập gói tốc độ cao
Truy nhập gói đường xuống tốc độ

Packet Access

cao

16


HS-DSCH
HSS
HS-SCCH

HSUPA
IAS-MM
ICI
ICIC
IDFT
IFFT
IMS
IMT
IP
ISDN
ISI
ITU

ITU-R

High Speed Downlink

Kênh chia sẽ đường xuống tốc độ

Shared Channel

cao

Home Subsciber Server

Máy chủ thuê bao thương trú

High Speed Shared
Control Channel
High Speed Uplink Packet

Access

Kênh điều khiển chia sẽ tốc độ cao
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

Inter Access System

Ký hiệu cho quản lý di động giữa

Mobility Management

các hệ thống truy nhập

Inter Channel Interference
Inter- Cell Interference

Nhiễu xuyên kênh

Control
Inverse Discrete Fourier
Transform
Inverse Fast Fourrier
Transform
IP Multimedia Subsystem
International Mobile
Telecommunications
Internet Protocol
Integrated Services Digital
Network
Inter Symbol Interference

International
Telecommunication Union
International

Điều khiển nghiễu liên ô
Sự Biến đổi Fourier ngược
Biến đổi Fourrier nhanh nghịch đảo
Hệ thống con đa phương tiện IP
Truyền thông di động quốc tế
Giao thức Internet
Mạng số tích hợp dịch vụ
Nhiễu xuyên ký tự
Liên minh viễn thông quốc tế

Telecommunications

Liên minh viễn thông quốc tế -

Union-Radio

thông tin vô tuyến khu vực

Communications Sector
LTE

Long Term Evolution

MAC

Media Access Control

Tiến hóa lâu dài
Điều khiển truy nhập đa phương

17


tiện
Multimedia
MBMS

MBS
MBSFN
MCCH
MCH
MIMO
MME
MMS
MSC
MTCH
NAK
OFDM
OFDMA
PAPR
PCCH
PCG
PCH

Broadcast/Multicast
Service

Multilcast and Broadcast
Service
Multicast Broadcast
Single Frequency Network
Multicast Control
Channel
Multicast Channel
Multiple Input Multiple
Ouput
Mobility Management
Entiity
Multimedia Messaging

Dịch vụ đa phương quảng bá đa
phương tiện
Dịch vụ đa phương quảng bá
Mạng số phát sóng đơn tần
Kênh điều khiển đa phương
Kênh đa phương
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
Thực thế quản lý di động
Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện

Service
Mobile Services

Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ

Switching Center
Multicast Traffic Channel

Negative

di động
Kênh lưu lượng đa phương
Báo nhận thất bại (trong giao thức

Acknowledgement
Orthogonal Frequency

ARQ)
Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiplex
Orthogonal Frequency

trực giao
Đa truy nhập phân chia theo tần số

Division Multiple Access
Peak to Average Power
Ratio
Paging Control channal
Project Coordination
Group
Paging Channel

trực giao
Tỉ lệ công suất đỉnh trên công
suất trung bình
Kênh điều khiển tìm gọi

Nhóm điều phối dự án
Kênh tìm gọi

18


PCRF
PDCP
PDU
P-GW
PHY
P/S
PSS
PSTN
QAM
QoS
QPSK

Policy and Charging Rules Chức năng các quy tắc tính cước và
Function
Packet – Data
Convergence Protocol
Protocol Data Unit
Packet Data Network
Gateway
Physical layer
Parallel to Serial
Primary Synchronization
Signal
Public Switched

Telephone Network
Quadrature Amplitude
Modulation
Quality of Service
Quadrature Phase Shift

chính sách
Giao thức hội tụ dữ liệu gói
Đơn vị dữ liệu tải tin
Cổng mạng dữ liệu gói
Lớp vật lý
Chuyển song song sang nối tiếp
Tín hiệu đông bộ sơ cấp
Mạng điện thoại chuyển mạch công
cộng
Điều chế biên độ cầu phương
Chất lượng dịch vụ
Khóa dịch pha cầu phương

RAN

Keying
Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển kết nối vô tuyến

RNC

Radio Network Controller
Robust Header

Điều khiển mạng vô tuyến

ROCH
RRM
SAE

Compression
Radio Resource
Management
System Architecture
Evolution

Nén tiêu đề mạnh
Quản lý tài nguyên vô tuyến
Phát triển kiến trúc hệ thống

SC-FDMA

Single Carrier FDMA

FDMA đơn sóng mang

SCH
SDU
SGSN

Synchronization Channel
Service Data Unit
Serving GPRS Support

Kênh đồng bộ
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

19


Node
S-GW
TASC
TDD
TDM
TDMA
TDSCDMA
TS
TSG
TTI

Serving Gateway
Total Access

Cổng phục vụ
Hệ thống truyền thông truy nhập

Communication System

toàn phần

Time Division Duplex

Song công phân chia thời gian

Time Division
Multiplexing
Time Division Multiple
Access
Time Division
Synchronous Code
Division Multiple Access
Technical Specification
Technical Specification
Group
Transmission Time

Ghép kênh phân chia theo thời gian
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

Phân chia theo thời gian- đa truy
nhập phân chia theo mã đồng bộ
Thông số kỹ thuật
Nhóm đặc tả kỹ thuật
Khoảng thời gian chuyển

UE

Interval
User Equipment

UL-SCH

Uplink Shared Channel

Kênh chia sẽ đường lên

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động toàn

Telecommunication System
Universal Subscribber

cầu

UMTS
USIM
UTRA

Identity Module
Universal Terrestrial Radio

Thiết bị đầu cuối

Modun nhận dạng thuê bao toàn cầu
Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn

Access
Universal Terrestrial

cầu
Mạng truy nhập vô tuyến mựt đất toàn

VoIP

Radio Access Network
Voice over IP

WCDMA

Wide Band CodeDivision

cầu
Thoại qua IP
Đa truy nhập phân chia theo mã băng

WG
WiMAX

Working Groups
Worldwide

rộng
Nhóm công tác
Khả năng tương tác toàn cầu với truy

Interoperability for

nhập vi ba

UTRAN

20


Microwave Access
WLAN

Wireless Local Area
Network

Mạng vùng nội hạt vô tuyến

Chương 1
LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G LÊN 4G
Chương này sẽ trình bày các hoạt động nghiên cứu phát triển 3G và
lộ trình lên 4G đang được tiến hành trong 3GPP là tổ chức chịu trách
nhiệm cho việc phát triển và hài hòa các tiêu chuẩn được phát hành của
UMTS UTRAN (WCDMA và TD-SDMA). Quá trình nghiên cứu phát triển

UMTS lên 3G và tiến dần lên 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.
1.1. Quá trình tiêu chuẩn hóa WCDMA/HSPA trong 3GPP
1.1.1. Chuẩn hóa trong 3GPP
3GPP được giao tránh 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 được tiêu chuẩn hóa WCDMA/HSPA của tổ

21


chức này từ năm 1999 đến năm 2006 được tổng kết theo thời gian đưa ra
các phát hành và tốc độ truyền số liệu trong các phát hành đó như trên
hình 1.1 và hình 1.2.

Hình 1.1. Lộ trình đưa ra các phát hành trong 3GPP [1]

Hình 1.2. Lộ trình tăng tốc độ số liệu các phát hành trong 3GPP [1]
Mốc phát triển đầu tiên cho WCDMA đã đạt được vào cuối năm
1999 khi phát hành 3 (Release 3: R3) được công bố chứa đựng toàn bộ các
đặc tả WCDMA. Phát hành 4 (R4) được đưa ra sau đó vào đầu năm 2001.
Tiếp theo là phát hành 5 (R5) được đưa ra vào năm 2002 và phát hành 6
(R6) vào năm 2004. Phát hành 7 (R7) được đưa ra vào cuối năm 2006.
3GPP có bốn nhóm đặc tả kỹ thuật khác nhau (TSG: Technical Specifications

Group).

22


- 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 nhiêm cho các tiêu chuẩn
HSDPA và HSUPA.
- 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 [1].
• Chuẩn hóa HSDPA

Khi phát hành 3 (R3) hoàn thành, HSDPA và HSUPA vẫn chưa được
đưa vào kế hoạch nghiên cứu. Trong năm 2000, khi tiến hành 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 vào đầu năm 2000. Nghiên cứu
này được bắt đầu theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất 4 hãng ủng
hộ). Các hãng ủng hộ bắt đầu nghiên cứu HSDPA gồm Motorola và Nokia
thuộc phía các nhà máy, và BT/Cellnet, T-Mobile và NTTDoCoMo thuộc
phía các nhà khai thác [1].
Nghiên cứu khả thi đã kết thúc tại phiên họp toàn thể TSG RAN. Trong
danh mục nghiên cứu HSDPA có các vấn đề nghiên cứu để cải thiện truyền
dẫn số liệu gói đường xuống so với 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 biến
thích nghi. Cùng với nghiên cứu này đã nghiên cứu công nghệ thu phát nhiều
anten (MIMO) và vấn đề chọn ô nhanh FCS (Fast Cell Selection).
Trong các chuyên đề liên quan đến HSDPA, danh mục nghiên cứu
MIMO không hoàn thành trong chương trình khung thời gian R5 và R6, và
23


đây là lý do nó có mặt trong các chuyên đề R7. Nghiên cứu khả thi FCS đã
đưa ra kết luận, lợi ích nhận được không nhiều so với việc tăng thêm độ phức
tạp. Sau kết luận này không đưa ra các nghiên cứu nào về FCS. Trong khi tập
trung vào ghép song công phân chia theo tần số (FDD), ghép song công phân
chia theo thời gian (TDD) cũng được đưa vào danh mục nghiên cứu HSDPA
kể cả các giải pháp tương tự cả hai chế độ TDD (TDD băng hẹp và băng
rộng) [1].
• Chuẩn hóa HSUPA

Chuẩn hóa HSUPA là thuật ngữ được dùng rộng rãi trên thị trường,
trong quá trình chuẩn hóa HSUPA thuật ngữ này được sử dụng dưới 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 9/2002. Vấn đề này được sự ủng hộ của các nhà
máy: Motorola, Nokia và của các hãng Ericsson.
Các kỹ thuật được nghiên cứu cho HSUPA (E-DCH) được mô tả như
trên hình 1.3 là:
-

HARQ lớp vật lý nhanh cho đường lên.

-

Lập biểu nhanh đường lên dựa trên nút B.

- Độ dài thời gian truyền dẫn (TTI-Transmission Time Interval)
đường lên ngắn hơn, thiết lập TTI nhanh.

24


Hình 1.3. Các kỹ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA[1]
Danh mục nghiên cứu này kết thúc vào 03/2004 với khuyến nghị bắt
đầu nghiên cứu trong 3GPP để đặc tả HARQ (Hybrid Automatic Repeat
Request: Yêu cầu phát lại tự động) lớp vật lý nhanh và cơ chế lập biểu dựa
trên nút B cho đường lên cũng như độ dài TTI ngắn hơn. Ngoài ra, cơ chế
thiết lập kênh DCH (Dedicated Channel: Kênh điều khiển) nhanh hơn không
đưa vào khuyến nghị này, nhưng các vấn đề này đã được đề cập trong danh
mục nghiên cứu khác đối với phát hành 3GPP R6. Hình 1.4 trình bày các kỹ
thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA [1].

Hình 1.4. Các kỹ thuật được lựa chọn cho nghiên cứu HSUPA [1]

25