Công nghệ LTE và quy hoạch mạng 4g LTE luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
_____________________________

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

CÔNG NGHỆ LTE
VÀ QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN HỮU SƠN
Lớp 47K ĐTVT
Niên khóa:
2006 - 2011
Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

Nghệ An, 5 - 2011


Mục lục
Lời nói đầu
Tóm tắt đồ án
Danh mục sơ đồ hình vẽ
Danh mục bảng biểu
Thuật ngữ và viết tắt
Chương 1. Tổng quan quá trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G......2

1.1. Mở đầu.................................................................................................2
1.2. Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành..........................................2
1.3. Quá trình tiêu chuẩn hóa HSPA trong 3GPP.......................................3
1.3.1. Chuẩn hóa HSDPA trong 3GPP.................................................3
1.3.2. Chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP.................................................5
1.4. Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE...................................................7
1.5. IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G..................................7
1.6. Tổng quan LTE....................................................................................10
1.6.1. Tốc độ số liệu đỉnh.....................................................................10
1.6.2. Trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng............10
1.6.3. Thông lượng số liệu....................................................................11
1.6.4. Hiệu suất phổ tần........................................................................12
1.6.5. Hỗ trợ di động............................................................................13
1.6.6. Vùng phủ....................................................................................14
1.6.7. MBMS tăng cường.....................................................................14
1.6.8. Triển khai phổ tần......................................................................15
1.6.9. Đồng tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT...........................15
1.6.10. Các vấn đề về mức độ phức tạp...............................................16
1.7. So sánh các công nghệ mạng di động trên con đường đi tới 4G..........16
1.8. Kết luận chương .................................................................................19
Chương 2. Kiến trúc mạng 4G LTE............................................................20
2.1. Tổng quan kiến trúc LTE.....................................................................20
2.2. Lõi gói phát triển EPC..........................................................................22

2


2.3. Đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA..................................27
2.3.1. Đường xuống OFDM.................................................................27
2.3.2. Đường lên SC-FDMA................................................................27

2.4. Sự hỗ trợ nhiều anten (Multiple antenna support)................................28
2.5. Hỗ trợ multicast và broadcast ..............................................................29
2.6. Các vấn đề liên quan đến việc triển khai..............................................30
2.7. Độ linh hoạt phổ và việc triển khai......................................................31
2.8. Kết luận chương ..................................................................................32
Chương 3. Các kỹ thuật trong mạng 4G LTE............................................33
3.1. Các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn vô tuyến băng rộng và giải pháp. .33
3.1.1. Phân tích các hạn chế trên cơ sở công thức dung lượng của
Shannon......................................................................................33
3.1.2. Phân tích hạn chế truyền dẫn vô tuyến băng rộng theo điều kiện
truyền sóng...................................................................................34
3.2. ARQ hỗn hợp với việc kết hợp mềm (Hybrid ARQ with soft
combining) ...........................................................................................34
3.3. Các giao thức và các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE.........35
3.3.1. Các giao thức trên giao diện vô tuyến........................................35
3.3.2. Các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE..........................36
3.3.3. Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn..................................................37
3.4. Tổ chức kênh tần số trong LTE............................................................40
3.4.1. Băng thông kênh và cấu hình băng thông truyền dẫn................40
3.4.2. Sắp xếp kênh tần số....................................................................41
3.5. Điều chế trong 4G LTE........................................................................42
3.5.1 Xử lý kênh truyền tải đường xuống............................................42
3.5.2. Xử lý kênh truyền tải đường lên.................................................43
3.6. Báo hiệu điều khiển L1/L2 ..................................................................44
3.6.1. Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống...................................44
3.6.2. Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường lên........................................46
3.7. Chuyển giao trong 4G LTE..................................................................48
3.7.1. Chuyển giao nội LTE.................................................................48
3.7.2. Báo hiệu cho chuyển giao..........................................................48

3


3.7.3. Đo chuyển giao..........................................................................49
3.7.4. Chuyển giao giữa các hệ thống...............................................50
3.8. Điều khiển công suất trong LTE.........................................................51
3.9. Kết luận chương..................................................................................52
Chương 4. Mô hình thiết kế tính quy hoạch mạng 4G LTE.....................53
4.1. Giới thiệu về quy hoạch mạng vô tuyến...............................................53
4.1.1. Nguyên lý chung........................................................................53
4.1.2. Một số đặc điểm cần lưu ý trong quy hoạch mạng....................54
4.2. Quy hoạch định cỡ mạng .....................................................................56
4.2.1. Tính toán vùng phủ sóng............................................................57
4.2.2. Tiến trình định cỡ mạng LTE.....................................................60
4.3. Tính toán kích thước cell và diện tích cell...........................................62
4.4. Phân tích quỹ năng lượng đường truyền..............................................67
4.4.1. Ba cách định nghĩa tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm yêu cầu...68
4.4.2.Rút ra phương trình tính toán suy hao truyền sóng cực đại cho
phép.............................................................................................70
4.4.3. SINR yêu cầu.............................................................................76
4.4.4. Nhiễu..........................................................................................79
4.5. Quy hoạch dung lượng.........................................................................81
4.5.1. Quy hoạch dung lượng LTE.......................................................81
4.5.2. Tính toán thông lượng cell trung bình........................................82
4.5.3. Ước tính lưu lượng yêu cầu và yếu tố overbooking...................84
4.5.4. Dung lượng dựa vào số site........................................................85
4.6. Đầu ra định cỡ......................................................................................86
4.7. Kết luận chương...................................................................................88
Kết luận..........................................................................................................89
Tài liệu tham khảo.........................................................................................90

4


Lời nói đầu
Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới
với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và
trong cuộc sống hằng ngày. Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp
ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Để đáp ứng nhu cầu băng thông lớn, tốc độ
ngày càng cao của con người thì 3G cũng như phát triển lên 4G ngày càng trở
lên vô cùng cấp thiết.
Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công
nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ. 4G là một giải pháp để vượt lên
những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm
2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng
băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu
tuyến cố định. 4G còn là thể hiện ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu
ở các trường đại học, các viện, các công ty như Motorola, Qualcomm, Nokia,
Ericsson, Sun, HP, NTT DoCoMo và nhiều công ty viễn thông khác với mong
muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng
được. Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu công nghệ và mạng 4G LTE em đã
thực hiện đồ án: “Công nghệ LTE và quy hoạch mạng 4G LTE”. Đồ án này
em trình bày 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về quá trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
Chương 2: Kiến trúc mạng 4G LTE.
Chương 3: Các kỹ thuật trong mạng 4G LTE.
Chương 4: Mô hình quy hoạch mạng 4G LTE
Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn
của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn cô, TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa và các thầy

cô giáo đã giúp em hoàn thành đồ án này!
Vinh, ngày tháng 5 năm 2011
Người thực hiện
Nguyễn Hữu Sơn

5


Tóm tắt đồ án
Chúng ta sẽ tìm hiệu tổng quan các quá trình tiêu chuẩn hoá HSPA và
LTE, lộ trình tiến lên 4G, so sánh các công nghệ đi tới 4G, mục tiêu của các
công nghệ mới này đều nhằm cải thiện các thong số hiệu năng và giảm giá
thành so với công nghệ trước đó. Tiếp theo tổng quan về kiến trúc mạng 4G
LTE, các mục tiêu yêu cầu của LTE nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và
giảm giá thành so với các công nghệ trước đó. Tiếp theo trình bầy các vấn đề
liên quan đến truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao băng thông rộng, giao diện vô
tuyến liên quan đến ngăn xếp giao thức trên giao diện vô tuyến, tổ chức kênh
trên giao diện vô tuyến, cấu trúc lưới tài nguyên tần số - thời gian, và tổ chức
kênh vô tuyến và LTE. Cuối cùng, quá trình quy hoạch mạng 4G LTE, chủ
yếu tập trung vào quỹ đường truyền, ước tính dung lượng cell và các công cụ
và trường hợp nghiên cứu cho định cở mạng LTE.
We will learn an overview of the standardization process HSPA and
LTE, 4G roadmap forward, compared to up to 4G technologies, the goal of
this new technology to improve the performance parameters and cost
reduction compared with previous technologies. The next, an overview of
LTE 4G network architecture, the objective requirements of LTE parameters
to improve performance and lower cost than previous technologies. The next,
present the issues related to wireless transmission of high speed broadband,
wireless interface associated protocol stack on the radio interface, channel
organization on the radio interface, the structure frequency grid resourcestime, and organization and LTE wireless channel. Finally, the 4G LTE

network planning, fund primarily focused on transmission lines, cell capacity
and estimates of the tools and case studies for the LTE network size.

6


7


Danh mục sơ đồ hình vẽ
Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP.................................................
Hình 1.2. Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA.........................
Hình 1.3. Các kĩ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA......
Hình 1.4. Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN...................................
Hình 1.5. Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G.........
Hình 1.6. Chuyển đổi trạng thái trong LTE ...................................................
Hình 1.7. Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE...............................................
Hình 2.1. Kiến trúc mạng LTE .......................................................................
Hình 2.2. Mạng lõi SAE (hình vẽ dạng đơn giản)...........................................
Hình 2.3. Kiến trúc mô hình LTE tổng quát theo TR 23. 822........................
Hình 2.4 Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bổ phổ
của một hệ thống GSM đã được triển khai ....................................
Hình 3.1. Kiến trúc mạng 4G LTE..................................................................
Hình 3.2. Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của LTE............................
Hình 3.3. Các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các
kênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh
vật lý................................................................................................
Hình 3.4. Lưới tài nguyên thời gian-tần số cơ sở của LTE (độ dài CP bình
thường)............................................................................................
Hình 3.5. Lưới tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trong

một lớp cho trường hợp CP bình thường.......................................
Hình 3.6. Cho thấy cấu trúc tài nguyên trong một khe thời gian cho băng
thông kênh 20MHz với tần số lấy mẫu fs=30,72MHz và ∆f=15
KHz.................................................................................................
Hình 3.7. Định nghĩa băng thông kênh Bchannel và cấu hình băng thông
truyền dẫn Bconfig..........................................................................

8


Hình 3.8. Xử lý khối truyền tải đường xuống................................................
Hình 3.9. Xử lý kênh truyền tải đường lên......................................................
Hình 3.10. Chuỗi xử lý cho báo hiệu điều khiển đường xuống L1/L2...........
Hình 3.11. Ghép số liệu và báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 trong trường
hợp truyền dẫn đồng thời UL-SCH và điều khiển L1/L2...............
Hình 3.12. Chuẩn bị chuyển giao....................................................................
Hình 3.13. Thực hiện chuyển giao..................................................................
Hình 3.14. Hoàn thành chuyển giao................................................................
Hình 3.15. Tổng quan chuyển giao từ LTE đến UTRAN/GERAN................
Hình 3.16. Công suất đường lên LTE với thay đổi tốc độ..............................
Hình 4.1. Quá trình quy hoạch và triển khai mạng 4G LTE...........................
Hình 4.2. Định cỡ mạng LTE..........................................................................
Hình 4.3. Các tham số trong mô hình Walfisch-Ikegami...................................
Hình 4.4. Ba loại site khác nhau (Omni, 2 sector, 3 sector) ...........................
Hình 4.5. Các yếu tố ảnh hưởng dung lượng LTE ..........................................
Hình 4.6. Hàm phổ công suất của G................................................................
Hình 4.7. Dự trữ nhiễu nhận được như một hàm của tải ...................................

9

Thuật ngữ và viết tắt
Từ viết tắt
Tiếng Anh
2G
Second Generation
3G
Third Generation
3GPP
3ird Generation Partnership

Tiếng Việt
Thế hệ thứ 2
Thế hệ thứ 3
Đề án các đối tác thế hệ thứ

3GPP2

Project
3ird Generation Partnership

ba
Đề án các đối tác thế hệ thứ

ACK
AM
ARQ
BCCH
BCH
BTS

CDMA

Project
Acknowledgement
Acknowledged Mode
Automatic Repeat- reQuest
Broadcast Control Channel
Broadcast Channel
Base Tranceiver Station
Code Division Multiple Access

ba 2
Công nhận
Chế độ công nhận
Yêu cầu phát lại tự động
Kênh điều khiển quảng bá
Kênh quảng bá
Trạm thu phát gốc
Đa truy nhập phân chia

CN
CPC
CQI
CRC
DCCH
DCH
DFT
DFTS-

Core Network

Continuous Packet Connectivity
Channel Quality Indicator
Cyclic Redundancy Check
Dedicated Control Channel
Dedicated Channel
Discrete Fourier Transform
DFT-Spread OFDM

theo mã
Mạng lõi
Kết nối gói liên tục
Chỉ thị chất lượng kênh
Kiểm tra vòng dư
Kênh điều khiển riêng
Kênh riêng
Biến đổi Fourier rời rạc
OFDM trải phổ DFT

OFDM
DL
DRX
EDGE

Downlink
Discontinuous Reception
Enhanced Data for GSM

Đường xuống
Thu không liên tục
Phát triển tăng cường số

E-DCH
eNodeB
E-UTRA

Evolution
Enhanced Dedicate Channel
E-UTRAN Node B
Evolved UTRA

liệu cho GSM
Kênh riêng tăng cường
Nút B của E-UTRAN
Truy nhập vô tuyến mặt đất

Frequency Division Duplex

UMTS phát triển
Ghép song công phân chia

Frequency Division Multiplex

theo tần số
Ghép kênh phân chia theo

FDD
FDM

10

FDMA

Frequency Division Multiple

tần số
Đa truy nhập phân chia

GERAN

Access
GSM EDGE Radio Access

theo tần số
Mạng truy nhập vô tuyến

GGSN
GPRS
GPS
GSM

Network
Gateway GPRS Support Node
General Packet Radio Service
Global Positionning System
Global System For Mobile

GSM EDGE
Nút hỗ trợ GPRS cổng
Dịch vụ vô tuyến nói chung

Hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống thông tin di động

HARQ

Communication
Hybrid Automatic Repeat

toàn cầu
Yêu cầu phát lại tự động

HLR
HSDPA

request
Home Location Register
High Speed Downlink Packet

linh hoạt
Bộ ghi định vị thường chú
Truy nhập gói đường

HSPA
HSS
HSUPA

Access
High-Speed Packet Access
Home Subscriber Server
High-Speed Uplink Packet

xuống tốc độ cao
Truy nhập gói tốc độ cao
Server thuê bao nhà
Truy nhập gói đường lên

IMS
IMT-2000

Access
IP Multimedia Subsystem
International Mobile

tốc độ cao
Phân hệ đa phương tiện IP
Thông tin di động quốc tế

ITU

Telecommunications 2000
International

2000
Liên đoàn viễn thông quốc

ITU-R

Telecommunications Union
International

tế
Liên đoàn viễn thông quốc

Telecommunications Union-

tế bộ phận vô tuyến

Radio Sector
Iu

Giao diện để thông tin giữa

Iub

RNC và mạng lõi
Giao diện được sử dụng để
thông tin giữa nút B và

Iur

RNC
Giao diện được sử dụng để

LTE

thông tin giữa các RNC
Phát triển dài hạn

Long Term Evolution

11


MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi

MBMS

Multimedia Broadcast Multicast

trường
Dịch vụ quảng bá đa

MBSFN

Service
Multicast Broadcast Single

phương đa phương tiện
Mạng đơn tần quảng bá đa

MCCH
MCH
MIMO
MTCH
OFDM

Frequency Network
MBMS Control Channel
Multicast Control Channel
Multi-Input Multi-Output
MBMS Trafic Channel
Orthogonal Frequency Division

phương
Kênh điều khiển MBMS
Kênh điều khiển đa phương
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
Kênh lưu lượng MBMS
Ghép kênh phân chia theo

OFDMA

Multiplexing
Orthogonal Frequency Division

tần số trực giao
Đa truy nhập phân chia

PDCP

Multiplexing Access
Packet-Data Convergence

theo tần số trực giao
Giao thức hội tụ số liệu gói

PDU
PHY
QAM

Protocol
Packet Data Unit
Physical Layer
Quadrature Amplitude

Đơn vị số liệu gói
Lớp vật lý
Điều chế biên độ vuông

QoS
RAN
RAT

Modulation
Quality of Service
Radio Access Network
Radio Access Technology

góc
Chất lượng dịch vụ
Mạng truy nhập vô tuyến
Công nghệ truy nhập vô

Radio Frequency
Radio Link Control
Radio Network Controller

tuyến
Tần số vô tuyến
Điều khiển kết nối vô tuyến
Bộ điều khiển mạng vô

Radio Resource Control

tuyến
Điều khiển tài nguyên vô

Radio Resource Management

tuyến
Quản lý tài nguyên vô

SAE
SC-FDMA

System Architecture Evolution
Single Carrier- Frequency

tuyến
Phát triển kiến trúc mạng
Đa truy nhập phân chia

SCH

Division Multiple Access
Synchronization Channel

theo tần số đơn sóng mang
Kênh đồng bộ

RF
RLC
RNC
RRC
RRM

12


SDU
SGSN
TDD

Service Data Unit
Serving GPRS Support Node
Time Division Duplex

Đơn vị số liệu dịch vụ
Nút hỗ trợ GPRS phục vụ
Ghép song công phân chia

Time Division Multiple Access

theo thời gian
Đa truy nhập phân chia

TD-

Time Division-Synhcronous

theo thời gian
Đa truy nhập phân chia

SCDMA

Code Division Multiple Access

theo mã đồng bộ-Phân chia

UL
UMTS

Uplink
Universal Mobile

theo thời gian
Đường lên
Hệ thống thông tin di động

UTRA

Telecommunications System
UMTS Terrestrial Radio Access

toàn cầu
Truy nhập vô tuyến mặt đất

UMTS Terrestrial Radio Access

UMTS
Mạng truy nhập vô tuyến

TDMA

UTRAN
Uu

mặt đất UMTS
Giao diện được sử dụng để

WCDMA

thông tin giữa nút B và UE
Đa truy nhập phân chia

WG
VoIP
X2

Wideband Code Division
Multiple Access
Working Group
Voice over IP

theo mã băng rộng
Nhóm công tác

Thoại trên IP
Giao diện giữa các eNodeB

13


Chương 1. Tổng quan quá trình phát triển
thông tin di động 3G lên 4G
1.1. Mở đầu
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, 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 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 lí tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ dàng
triển khai và khai thác hệ thống.
1.2. Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành
Từ khi ra đời cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trở thành một
ngành công nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh chóng. Không chỉ có dịch
vụ thoại được triển khai trên hạ tầng mạng viễn thông di động mà cùng với nó
là các loại hình dịch vụ khác như hình ảnh, dữ liệu... đang gia tăng cả về số
lượng lẫn chất lượng. Để đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng
tăng cao đó, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến và
được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới.
Tổ chức 3GPP là một tổ chức được giao trách nhiệm phát triển và hài
hòa tiêu chuẩn HSPA. Trước đó tổ chức này đã được giao nhiệm vụ tiêu

chuẩn hóa cho WCDMA - Một chuẩn cho hệ thống 3G đã được ITU chấp
nhận và đưa vào hoạt động.

14


Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008
được tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành trên hình vẽ sau.

Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP
1.3. Quá trình tiểu chuẩn hóa HSPA trong 3GPP
1.3.1. 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 cho HSDPA được khởi đầu vào tháng 3 năm 2000. Nghiên cứu này
được bắt đầu theo các nguyên tắc của 3GPP (phải có ít nhất bốn hãng ủng hộ).
Các hãng đầu tiên ủng hộ 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 đoàn 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 Node đã được nghiên cứu cùng với mã hoá và

15

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).
Vì nghiên cứu khả thi cho thấy có thể đạt được cải thiện đáng kể với
mức độ phức tạp hợp lý, nên rõ dàng 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 kĩ 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, những chức năng lõi đã có
trong các đặc tả vật lí. Nghiên cứu một phần bị chậm lại do các hoạt động
hiệu chỉnh 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 kĩ 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 năm 2002. Nghiên cứu các bộ phận của giao thức
HSDPA chiếm nhiều thời gian 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

16


(Ghép song công phân chia theo tần số), TDD (Ghép song 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 băng hẹp và băng rộng.
1.3.2. Chuẩn hóa HSUPA trong 3GPP
Mặc dù HSUPA là thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trên thị trường,
trong quá trình chuẩn hoá 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 năm 2002. Từ phía các nhà bán máy, Motorola,
Nokia, và Ericsson là các hãng ủng hộ khởi xướng nghiên cứu cho vấn đề này
trong 3GPP.
Các kỹ thuật được nghiên cứu cho HSUPA (E-DCH) bao gồm (xem
hình 1.2):
 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
Lập biểu nhanh đường
lên dựa trên nút B

TTI ngắn hơn
cho đường lên

HARQ cho
đường lên

HSUPA

Điều chế bậc
cao hơn

Thiết lập kênh
riêng nhanh

17


Hình 1.2. Các kĩ thuật được xem xét nghiên cứu cho HSUPA
Sau một thời gian nghiên cứu dài và chi tiết báo cáo kết quả nghiên
cứu đã làm sáng tỏ các lợi ích của các kĩ thuật được nghiên cứu. Báo cáo
cho thấy rằng không có lợi ích tiềm năng khi sử dụng điều chế bậc cao
cho đường lên vì thế điều chế thích ứng đã không được đưa vào danh mục
nghiên cứu thực tế.
Danh mục nghiên cứu này được kết thúc vào tháng 3 năm 2004 với
khuyến nghị việc bắt đầu danh mục nghiên cứu trong 3GPP để đặc tả HARQ
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 các kênh DCH nhanh hơn không
được đưa vào khuyến nghị, nhưng các vấn đề này đã được đề cập trong các
danh mục nghiên cứu khác đối với phát hành 3GPP R6 dựa trên các kết quả
nhận được trong giai đoạn danh mục nghiên cứu này. Hình 1.3 cho thấy các kĩ
thuật được chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA.
Lập biểu nhanh đường
lên dựa trên nút B

TTI ngắn hơn
cho đường lên

HSUPA

HARQ cho
đường lên

Hình 1.3. Các kĩ thuật được lựa chọn cho danh mục nghiên cứu HSUPA

3GPP bắt đầu danh mục nghiên cứu “đường lên tăng cường FDD” để
đặc tả các tính năng của HSUPA theo khuyến nghị của báo cáo. Trong thời
gian này nghiên cứu TDD chưa được tiến hành, nhưng nó sẽ được nghiên cứu
trong kế hoạch R7.
Do nghiên cứu nền tảng chi tiết và tốt đã được thực hiện trong thời gian
nghiên cứu 18 tháng, cũng như không còn bận với công tác hiệu chỉnh các
18


phát hành trước, các đặc tả được tiến triển nhanh và phiên bản tính năng đầu
tiên đã được đưa ra cho các đặc tả lõi vào tháng 12 năm 2004. Phiên bản này
vẫn chưa phải là phiên bản hoàn thiện cuối cùng, nhưng nó chứa các chức
năng then chốt và trên cơ sở các chức năng này có thể tiếp tục tiến hành
nghiên cứu hiệu chỉnh và hoàn thiện chi tiết. Tháng 3 năm 2005, danh mục
nghiên cứu này đã chính thức được hoàn thiện cho các đặc tả chức năng,
nghĩa là đã có thể chuyển sang hiệu chỉnh tính năng này.
1.4. Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE
Nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được tiến hành trong các EUTRAN TSG. Trong các cuộc họp của RAN TSG chỉ có một vài vấn đề kĩ
thuật là được tán thành. Thậm chí trong các cuộc họp sau các vấn đề này vẫn
được xem xét lại. 3GPP đã vạch ra kế hoạch làm việc chi tiết cho các nhóm
nghiên cứu TSG RAN. Các vấn đề nghiên cứu được thực hiện trong hai TSG:
1. TSG RAN: Nghiên cứu tiêu chuẩn cho giao diện vô tuyến

2. TSG SA: Nghiên cứu kiến trúc mạng
Kế hoạch nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn LTE được cho trên hình 1.4
Quyết định
yêu cầu

Quyết định sơ đồ đa truy
nhập, kiến trúc RAN
2005

12

3

6

Quyết định phân chia
chức năng RAN-CN

9

Thông qua TR
Hoàn thành giai đoạn 2: LTE
2006

12

3

6

Quyết định chi tiết di
động và cấu trúc
kênh

2007

9

12

3

9

Thông qua TR
Hoàn thành giai đoạn 2:SAE

Hình 1.4. Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN

19

6


1.5. IMT-ADVANCED và lộ trình phát triển tới 4G
Trong liên minh viễn thông quốc tế ITU, nhóm công tác 8F (ITU-R WP
8F) đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống tiếp sau IMT-2000. Quá trình
định nghĩa IMT-Adv còn đang được khởi thảo trong WP8F và sẽ hoàn toàn
giống như quá trình nghiên cứu các khuyến nghị cho IMT-2000. Nó sẽ dựa
trên tập các yêu cầu kĩ thuật tối thiểu và các tiêu chí đánh giá và khởi đầu

bằng việc mời tất cả các thành viên ITU và các tổ chức khác. Bảng 1.1 cho
thấy mục tiêu của 4G
Bảng 1.1. Mục tiêu của 4G
Tốc độ số liệu
Kết nối mạng
Thông tin
Trễ
Trễ kết nối
Trễ truyền dẫn
Giá thành trên một bit
Giá thành cơ sở hạ tầng

100Mbps cho vùng rộng, 1Gbps cho vùng hẹp
Hoàn toàn IP
Rộng khắp, di động, liên tục
Thấp hơn 3G
Thấp hơn 5ms
Thấp hơn 5ms
1/10-1/100 thấp hơn 3G
Thấp hơn 3G (khoảng 1/10)

Các công nghệ được đề cử sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí đã
thoả thuận. Việc đánh giá sẽ được tiến hành cùng với sự cộng tác của các tổ
chức bên ngoài ITU như các tổ chức nghiên cứu tiêu chuẩn. Vì quá trình này
cần sự đồng thuận nên một số công nghệ có thể áp dụng cho IMT-Adv không
thể xác định trước. Nó phải là sự cân đối giữa: tính kinh tế khi mở rộng, hỗ
trợ các môi trường của người sử dụng khác nhau và khả năng của các công
nghệ khác nhau. Ngoài ra khả năng sử dụng máy đầu cuối trên toàn cầu cũng
sẽ là một tiêu chí quan trọng.
LTE là một trong số các con đường tiến tới 4G. LTE sẽ tồn tại trong

giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo nó sẽ là IMT-Adv. LTE cho phép chuyển đổi
dần từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu của 4G sau đó sang IMT Adv. Chuyển
đổi dần từ LTE sang IMT-Adv là chìa khoá của thành công trên thị trường.
Ngoài LTE của 3GPP nghiên cứu các hướng chuyển đổi khác sang 4G. Còn
có Wimax cũng có kế hoạch tiến tới 4G.

20


♦ HSPA (High Speed Packet Data) - giai đoạn 3G+: gọi chung của hai
công nghệ truy nhập HSDPA (truy nhập gói đường xuống tốc độ cao) và
HSUPA (truy nhập gói đường lên tốc độ cao). HSDPA có thể cung cấp tốc độ
lên trên 10Mbps. Nó tăng dung lượng đường xuống bằng cách thay thế điều
chế QPSK trong 3G UMTS bằng 16QAM trong HSDPA. Hoạt động trên cơ
sở kết hợp ghép kênh theo thời gian (TDM) với ghép kênh theo mã và sử
dụng thích ứng đường truyền. Nó cũng đưa ra một kênh điều khiển riêng để
đảm bảo tốc độ truyền dẫn số liệu. Các kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng
cho đường lên trong chuẩn HSUPA .
♦ LTE (Long Term Evolution) hay Super-3G - giai đoạn đầu của 4G:
trong giai đoạn này tốc độ số liệu đạt được 30-100Mbps với băng thông
20MHz.
♦ IMT-Adv (IMT tiên tiến) - giai đoạn phát triển của 4G. Đây là thời
kỳ tiếp sau của LTE. Tốc độ số liệu đạt được từ 100 đến 1000 Mbps và băng
thông 100MHz.
Ta có thể mô tả quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên
4G như trên hình 1.5:

Hình 1.5. Quá trình phát triển các công nghệ thông tin di động lên 4G
1.6. Tổng quan LTE
Có thể tóm tắt các nhiệm vụ nghiên cứu LTE và SAE như sau:

21


1. Về phần vô tuyến (LTE).
 Cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng, trễ
 Đơn giản hoá mạng vô tuyến
 Hỗ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như : MBMS, IMS
2. Về phần mạng (SAE).
 Cải thiện trễ, dung lượng và thông lượng
 Đơn giản mạng lõi
 Tối ưu hoá lưu lượng IP và các dịch vụ
 Đơn giản hoá việc hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ không
phải 3GPP
Kết quả nghiên cứu của LTE là đưa ra được chuẩn mạng truy nhập vô
tuyến với tên gọi là E-UTRAN (Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu
tăng cường), để đơn giản trong đề tài ta sẽ gọi chung là LTE.
1.6.1. Tốc độ số liệu đỉnh
Mục tiêu LTE cho các yêu cầu tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến
100Mbps khi băng thông đựơc cấp phát là 20MHz (5bps/Hz) và tốc độ đỉnh
đường lên lên đến 50 Mbps khi băng thông được cấp phát là 20MHz
(2,5bps/Hz). Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong
UE tham chuẩn gồm: (1) khả năng đường xuống với hai anten tại UE, (2) khả
năng đường lên với một anten tại UE.
1.6.2. Trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng
Các mục tiêu giảm trễ được chia thành các yêu cầu cho trễ mặt phẳng
điều khiển (mặt phẳng C) và trễ mặt phẳng người sử dụng (mặt phẳng U).

22

Hình 1.6. Chuyển đổi trạng thái trong LTE [5]
LTE có thời gian chuyển đổi các trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong
chế dộ rỗi – Idle của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell_DCH).
Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ
(như trong R6 Cell_PCH) sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH).
Yêu cầu trễ mặt phẳng người sử dụng đảm bảo trễ nhỏ hơn 10ms. Trễ
mặt phẳng U được định nghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong
UE (hoặc Node biên của UTRAN) đến lớp IP trong Node biên của UTRAN
(hoặc UE), Node biên của UTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi. Chuẩn
đảm bảo trễ măt phẳng U của LTE nhỏ hơn 5ms trong điều kiện không tải
(nghĩa là một người sử dụng với một luồng số liệu đối với gói nhỏ (chẳng hạn
tải tin bằng không cộng với tiêu đề ).

Hình 1.7. Yêu cầu trễ mặt phẳng U trong LTE[5]

1.6.3. Thông lượng số liệu
Thông lượng đường xuống trong LTE sẽ gấp ba đến bốn lần thông
lượng đường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một Mhz. Cần lưu
ý rằng thông lượng HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại
nút B với tính năng tăng cường và một máy thu trong UE; trong khi đó LTE
sử dụng cực đại hai anten tại nút B và hai anten tại UE. Ngoài ra cũng cần lưu
ý rằng khi băng thông cấp phát tăng, thông lượng cũng phải tăng.
Mặt khác thông lượng đường lên trong LTE cũng gấp hai đến ba lần
thông lượng đường lên trong R6 HSUPA tính trung bình trên một Mhz. Trong
đó giả thiết rằng R6 HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu

23

tại nút B; còn đường lên trong LTE sử dụng cực đại hai anten phát tại UE và
hai anten thu tại nút B.
1.6.4. Hiệu suất phổ tần
LTE phải đảm bảo tăng đáng kể hiệu suất phổ tần và tăng tốc độ bit tại
biên ô trong khi vẫn đảm bảo duy trì các vị trí đặt trạm hiện có của UTRAN
và EDGE.
Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của LTE phải
gấp 3 đến 4 lần R6 HSDPA tính theo bit/s/Hz/trạm. Trong đó giả thiết rằng
R6 HSUPA sử dụng một anten tại nút B và một máy thu, còn LTE sử dụng 2
anten tại nút B và một anten tại UE. Hiệu suất phổ tần kênh đường lên trong
E-UTRAN phải gấp ba đến bốn R6 HSUPA tính theo bit/s/Hz/trạm với giả
thiết HSUPA sử dụng hai anten tại nút B và một anten tại UE còn LTE sử
dụng hai anten tại nút B và hai anten tại UE. Bảng 1.2 và 1.3 cho thấy so sánh
thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE và HSPA trên đường
xuống và đường lên.
Bảng 1.2. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên
đường xuống và HSDPA

HSDPA (R6)

LTE

Đích LTE/Đã đạt

Tốc độ đỉnh (Mbps)

14,4

144

100

Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s)

0,75

1,84

3-4 lần HSDPA/ đã đạt 2,5

0,006

0,0148

2-3 lần HSDPA/ đạt 2,5

Thông lượng người sử dụng
biên ô

Bảng 1.3. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên
đường lên và HSUPA[1]

Tốc độ đỉnh
(Mbps)
Hiệu suất phổ tần
(bit/Hz/s)

HSUPA (R6)

LTE

Đích LTE/đã đạt

5,7

57

50/đã đạt

0,26

0,67

24

2-3 lần HSUPA/
đạt 2,6


Thông lượng người
sử dụng ô

0,006

0,015

2-3 lần HSUPA/
đạt 2,5

1.6.5. Hỗ trợ di động

Hiệu nay LTE cần được tối ưu hoá cho người sử dụng di động tại các
tốc độ thấp từ 0 đến 15km/h. Cho người di động tại các tốc độ cao từ 15 đến
120 km/h cần được đảm bảo hiệu năng cao thoả mãn. Cũng cần hỗ trợ di động
tại các tốc độ từ 120 km/h đến 350 km/h ( thậm chí đến 500km/h phụ thuộc
vào băng tần được cấp phát). Việc đảm bảo tốc độ 350km/h cần thiết để duy
trì chất lượng dịch vụ chấp nhận được cho các người sử dụng cần được cung
cấp dịch vụ trong các hệ thống xe lửa tốc độ cao. Trong trường hợp này cần
sử dụng các giải pháp và mô hình kênh đặc biệt. Khi thiết lập các thông số lớp
vật lý, LTE cần có khả năng duy trì kết nối tại tốc độ lên tới 350 km/h thậm
chí lên đến 500km/h phụ thuộc băng tần được cấp phát.
LTE cũng cần hỗ trợ các kĩ thuật cũng như các cơ chế để tối ưu hoá trễ
và mất gói khi chuyển giao trong hệ thống. Các dịch vụ thời gian thực như
tiếng được hỗ trợ trong miền chuyển mạch kênh trước đây phải được EUTRAN hỗ trợ trong miền chuyển mạch gói với chất lượng tối thiểu phải
bằng với chất lượng được hỗ trợ bởi UTRAN ( chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo)
trên toàn bộ dải tốc độ. Ảnh hưởng của chuyển giao trong hệ thống lên chất
lượng (thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chất lượng được cung cấp trong
miền chuyển mạch kênh của GERAN[1].
1.6.6. Vùng phủ
LTE phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi
vẫn đảm bảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại
các đài trạm UTRAN và tần số sóng mang hiện có.
Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phải
đáp ứng các ô có bán kính 5km và giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán
kính 30km. LTE phải hoạt động trong các băng thông 1,25 Mhz; 2,5 Mhz;

25