Nghiên cứu triển khai mạng LTE tại tỉnh thừa thiên huế luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 02 03 pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MẠNH TIẾN

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MẠNG LTE TẠI TỈNH THỪA
THIÊN HUẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MẠNH TIẾN

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MẠNG LTE TẠI TỈNH THỪA
THIÊN HUẾ
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN

Hà Nội - 2015

1

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS. Nguyễn Quốc Tuấn, người
thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong
suốt thời gian làm luận văn. Hỗ trợ và chỉ dẫn giúp em hoàn thành phần thực
nghiệm.
Xin được cảm ơn các thầy, cô trong khoa Điện tử viễn thông, trường Đại học
Công nghệ - ĐHQG Hà nội đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời
khuyên vô cùng quý báu.
Em xin trân trọng cảm ơn !

Học viên

Nguyễn Mạnh Tiến


2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn
của PGS. TS. Nguyễn Quốc Tuấn, không sao chép của ai. Nội dung luận văn có
tham khảo và sử dụng các tài liệu thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí
và các trang Website theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.

Tác giả luận văn

Nguyễn Mạnh Tiến

3
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN........................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................2
MỤC LỤC..............................................................................................................3
NHỮNG TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................5
DANH MỤC BẢNG ..............................................................................................9
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................10
LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ
MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ 1G/2G/3G VÀ 4G..................................................14
1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động .................................14
1.1.1. Thế hệ 1G (First Generation)............................................................... 14
1.1.2. Thế hệ 2G (Second Generation)...........................................................15
1.1.3. Thế hệ 3G (Third Generation) ............................................................. 15
1.1.4. Thế hệ 4G (Fourth Generation)............................................................ 17
1.2. Tổng quan về mạng 4G...............................................................................18
1.3. Kết luận chương 1 ......................................................................................20
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ MẠNG LTE CHO MẠNG 4G ............................ 21
2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE......................................................................21
2.1.1. Mục tiêu của LTE................................................................................21
2.1.2. Các đặc tính cơ bản của LTE ............................................................... 22
2.1.3. Các thông số lớp vật lý của LTE..........................................................23
2.2. Cấu trúc của LTE .......................................................................................24
2.3. Các kênh sử dụng trong E-UTRAN ............................................................ 29
2.4. Một số đặc tính của kênh truyền .................................................................30
2.4.1. Trải trễ đa đường.................................................................................31
2.4.2. Các loại fading ....................................................................................31
2.4.3. Dịch tần Doppler .................................................................................31

2.4.4. Nhiễu MAI đối với LTE ......................................................................32
2.5. Các kỹ thuật cho truy nhập vô tuyến trong LTE..........................................32
2.5.1. Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM và OFDMA ...........32
2.5.2. Kỹ thuật đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA .................................40
2.5.4. Kỹ thuật đa anten MIMO.....................................................................42
2.5.5. Mã hóa Turbo......................................................................................45


4
2.5.6. Thích ứng đường truyền ......................................................................45
2.5.7. Lập biểu phụ thuộc kênh .....................................................................46
2.5.8. HARQ với kết hợp mềm......................................................................46
2.6. Chuyển giao ............................................................................................... 47
2.6.1. Mục đích chuyển giao .........................................................................47
2.6.2. Trình tự chuyển giao ...........................................................................47
2.6.3. Các loại chuyển giao ...........................................................................50
2.6.4. Chuyển giao đối với LTE ....................................................................52
2.7. Điều khiển công suất ..................................................................................53
2.7.1. Điều khiển công suất vòng hở.............................................................. 54
2.8. Kết luận chương 2 ......................................................................................56
CHƯƠNG 3: TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI CUNG CẤP DỊCH VỤ VÔ TUYẾN
BĂNG RỘNG VÀ XU THẾ THỊ TRƯỜNG TẠI VIỆT NAM .........................58
3.1. Tình hình triển khai cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng..........................58
3.2. Đánh giá tình hình triển khai LTE trên thế giới, kinh nghiệm quốc tế về cấp
phép triển khai LTE...........................................................................................59
3.2.1. Tình hình triển khai LTE trên thế giới .................................................59
3.2.2. Tiến trình thương mại hóa của công nghệ LTE ....................................60
3.2.3. Các dịch vụ triển khai trên nền mạng 4G LTE/SAE............................. 60
3.2.4. Định hướng cấp phép mạng 4G LTE/SAE...........................................60
3.3. Khả năng triển khai LTE-Advanced ở Việt Nam ........................................60

3.4. Kết luận chương .........................................................................................61
CHƯƠNG 4: QUY HOẠCH DUNG LƯỢNG MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG
TRIỂN KHAI TẠI TỈNH TT-HUẾ....................................................................62
4.1. Quy hoạch LTE tại Tỉnh Thừa Thiên Huế...................................................63
4.2. Tính toán truyền sóng Thừa Thiên Huế.......................................................67
4.2.1. Phân bố Nakagami-m ..........................................................................67
4.2.2. Dung lượng LTE .................................................................................69
4.3. Giải thuật lập lịch LTE MatLab ..................................................................72
4.3.1. Thuật toán Round Robin......................................................................75
4.3.2.Giải thuật lập lịch Best CQI (Max Rate)...............................................78
4.3.3. Giải thuật lập lịch Proportional Fair (PF).............................................81
4.4. Kết luận chương 4 ......................................................................................86
KẾT LUẬN..........................................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................91


5
NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

Hệ thống thông tin di động thế hệ

1G

One Generation Cellular

2G

Second Generation Cellular

3G

Third Generation Cellular

4G

Four Generation Cellular

3GPP

Third Generation Patnership Project Dự án hợp tác thế hệ 3

thứ nhất
Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ hai
Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ ba
Hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ tư

A
ACK

Tín hiệu xác nhận

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BTS

Base Station

Trạm gốc

BW

Band Width

Băng thông

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CP

Cycle Prefix

Tiền tố lặp

ACK
B

C

D
DL-SCH Downlink Share Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DL

Hướng xuống

Downlink

E
EDGE

Enhance

Data

rates

for

GSM Tốc độ dữ liệu tăng cường cho

Evolution

mạng GSM cải tiến

E-

Evolved UMTS Terrestrial Radio

UTRAN

Access

EPC

Evolved Packet Core

Mạng lõi gói

eNodeB

Enhance NodeB

NodeB cải tiến

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến


6
F
FDMA

Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số

FDD

FrequencyDivision

FEC

Duplexing Forward Error Correction Sửa lỗi hồi tiếp

Ghép kênh phân chia theo tần số

G
GSM

Global System for Mobile

GERAN GSM/EDGE Radio Access Network

Hệ thống di động toàn cầu
Mạng

truy

nhập

vô

tuyến

GSM/EDGE

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ gói vô tuyến thông dụng

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

H
Truy nhập gói đường xuống tốc độ

HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

HDTV

High Definition Television

Tivi có độ phân giải cao

HSOPA

High Speed OFDM Packet Access

Truy cập gói OFDM tốc độ cao

HO

Handover

Chuyển giao

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

HSS

Home Subscriber Server

Quản lý thuê bao

cao

I
ITU

International

Telecommunication

Union

Đơn vị viễn thông quốc tế
Giao thức internet

IP

Internet Protocol

IMS

IP Multimedia Sub-system

ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngược

Long Term Evolution

Tiến hóa lâu dài

MS

Mobile Station

Trạm di động

MIMO

Multi Input Multi Output

Đa ngõ vào đa ngõ ra

Hệ thống đa phương tiện sử dụng
IP

L
LTE

M


7
MME

Mobility Management Entity

Quản lý tính di động

MAC

Medium Access Control

Điều khiển trung nhập trung bình

MUMIMO

Đa người dung – Đa ngõ vào đa ngõ

Multi User – MIMO

ra

MoU

Minutes of Using

Thời gian sử dụng

MCS

Modulation Coding Scheme

Kỹ thuật mã hóa và điều chế

O
OFDM

OFDMA

Orthogonal

Frequency

Division Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiple
Orthogonal

trực giao
Frequency

Division Đa truy nhập phân chia theo tần số

Multiple Access

trực giao

P
Tỷ số công suất đỉnh trên công

PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

P2P

Point to Point

Điểm đến điểm

PDSCH

Physical Downlink Shared Channel

Kênh vật lý chia sẻ đường xuống

PUCCH Physical Uplink Control Channel
PDCCH Physical Downlink Control Channel

suất trung bình

Kênh vật lý điều khiển đường lên
Kênh vật lý điều khiển đường
xuống

PBCH

Physical Broadcast Channel

Kênh vật lý quảng bá

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tin nhắn

PCH

Paging Channel

Kênh tin nhắn

Quality of Services

Chất lượng dịch vụ

RLC

Radio Link Control

Điều khiển kết nối vô tuyến

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RB

Resource Block

Khối tài nguyên

RE

Resource Element

Thành phần tài nguyên

RSRP

Reference Signal Receive Power

Công suất thu tín hiệu tham khảo

RSRQ

Reference Signal Receive Quality

Chất lượng thu tín hiệu tham khảo

Q
QoS
R


8
Reference Signal

Tín hiệu tham khảo

SDR

Software - Defined Radio

Phần mềm nhận dạng vô tuyến

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SC-

Single Carrier Frequency Division Đa truy cập phân chia theo tần số

FDMA

multiple Access

trực giao đơn sóng mang

SMS

Short Message Service

Tin nhắn ngắn

SAE

System Architecture Enhance

Cấu trúc hệ thống tăng cường

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút cung cấp dịch vụ GPRS

RS
S

SUMIMO

Single User Multi Input Multi Output Đơn user-Đa ngõ vào đa ngõ ra

T
TDMA

Time Division Multiple Access

TTI

TTI Time Transmit Interval

TDD

Time Division Duplexing

Đa truy cập phân chia theo thời
gian
Khoảng thời gian phát
Ghép kênh phân chia theo thời
gian

U
UL

UTRAN

UTMS

Đường lên

Uplink
UTMS

Terrestrial

Radio

Access

Networks
Universal

Telecommunication

Mobile System

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Hệ thống thông tin di động

User Equipment

Thiết bị người dùng (Di động)

VHE

Virtual Home Environment

Môi trường nhà ảo

VoIP

Voice IP

Thoại sử dụng IP

UE
V

W
WCDMA
WAP

Wideband Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã
Access

băng

Wireless Applicaion protocol

Giao thức ứng dụng không dây

9

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý LTE ..................................................................23
Bảng 2.2. Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp ............................................................... 24
Bảng 2.3. Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền....................................40
Bảng 4.1: Phân bổ diện tích, dân cư theo địa lí hành chính tỉnh Thừa Thiên Huế...64
Bảng 4.2: Tốc độ bit lớn nhất và cấu hình tối ưu cho 8 MHz, 32k 1/128, PP7 .......71
Bảng 4.3: Thông số mô phỏng quy hoạch dung lượng ...........................................75


10

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào.........................14
Hình 2.1. So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE ................................................24
Hình 2.2. Cấu trúc cơ bản của LTE........................................................................25
Hình 2.3. Kiến trúc EPS cơ bản. ............................................................................26
Hình 2.4. Cấu hình cho EPS hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA.26
Hình 2.5. Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE.............................................................. 27
Hình 2.6. So sánh phổ tần của OFDM với FDM ....................................................33
Hình 2.7. Các sóng mang trực giao với nhau .........................................................33
Hình 2.8. Sơ đồ khối điều chế tín hiệu băng gốc OFDM........................................36
Hình 2.9. Sơ đồ biến đổi thu phát tín hiệu OFDM..................................................37
Hình 2.10. Biến đổi FFT........................................................................................38
Hình 2.11. Khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM ............................................................ 38
Hình 2.12. OFDM và OFDMA..............................................................................40
Hình 2.13. Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên. ...........................42

Hình 2.14. Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO .....................................................43
Hình 2.15. Ghép kênh không gian .........................................................................44
Hình 2.16. Điều chế thích nghi ..............................................................................45
Hình 2.17. Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao................................ 48
Hình 2.18. Chuyển giao mềm ................................................................................51
Hình 2.19. Chuyển giao mềm - mềm hơn .............................................................. 51
Hình 2.20. Chuyển giao cứng ................................................................................51
Hình 2.21. Các loại chuyển giao ............................................................................52
Hình 2.22. Điều khiển công suất vòng hở .............................................................. 55
Hình 2.23. Điều khiển công suất vòng kín ............................................................. 55
Hình 3.1 Tăng trưởng thuê bao băng rộng ............................................................ 59
Hình 3.2. Kết nối mạng lõi cho tổng đài MSS/TSS mạng VinaPhone ....................61
Hình 4.1: Định cỡ vùng phủ sóng LTE tinh Thừa Thiên Huế.................................67
Hình 4.2: Phân bố Nakagami-m.............................................................................68


11
Hình 4.3: Các tham số lập lịch mạng LTE ............................................................. 73
Hình 4.4 Thuật toán lập lịch Round Robin............................................................. 76
Hình 4.5: Nguyên tắc hoạt động của thuật toán Round Robin ................................ 77
Hình 4.6 Biểu biễn thông lượng hệ thống phụ thuộc vào tổng thông lượng lối vào
của các người dùng................................................................................................ 77
Hình 4.7 Nguyên tắc hoạt động của thuật toán Max CQI .......................................79
Hình 4.8 Thuật toán lập lịch Max CQI...................................................................80
Hình 4.9: Thông lượng hệ thống của giải thuật lập lịch RR và CQI .......................81
Hình 4.10 Độ công bằng và thông lượng giữa các thuật toán .................................82
Hình 4.11 Thuật toán lập lịch PF ...........................................................................84
Hình 4.12 Đồ thị đánh giá thông lượng..................................................................85

12

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến với
sự ra đời của hàng loạt những công nghệ khác nhau như Wi-Fi, WiMax ... Cùng với
đó là tốc độ phát triển nhanh, mạnh của mạng viễn thông phục vụ nhu cầu sử dụng
của hàng triệu người mỗi ngày. Hệ thống di động thế hệ thứ hai, với GSM và
CDMA đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông
càng mở rộng càng thể hiện rõ 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 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 cập 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).
Trong tương lai không xa với LTE, 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). 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.
Trong bài luận văn này em xin trình bày đề tài: “Nghiên cứu triển khai mạng LTE
tại Tỉnh Thừa Thiên Huế ”. Nội dung của luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1- Tổng quan về sự phát triển của công nghệ mạng di động thế hệ
1G/2G/3G và 4G.
Chương 2- Công nghệ mạng LTE cho mạng 4G.
Chương 3- Tình hình triển khai cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng và xu thế
thị trường tại Việt Nam.

Chương 4- Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng triển khai tại TP Huế.


13
Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm, phê bình, hướng dẫn
và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cô, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy Nguyễn Quốc Tuấn
và các Thầy Cô trong Khoa đã giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài này.
Huế , Ngày 10 Tháng 5 Năm 2015.
Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Mạnh Tiến


14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG
NGHỆ MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ 1G/2G/3G VÀ 4G
Thông tin di động là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã
hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và
thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó. Cho
đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ
di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4.
Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các hệ thống
thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.
1.1. Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động
Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng
về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di
động sau này. Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm

tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ.
Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến
lĩnh vực thông t i n di động. Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động
đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được.
Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được
các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng.
Khả năng di động

1985

1995

2000

1G

2010

3G

3G+

Triển
khai
LTE

WCDMA
cdma2000

AMPS

TACS

2015
LTE

HSPA
1xEV-DO

GSM
cdmaOne

2G

2005

802.16/WiMAX
Tốc độ số liệu

802.11/WiFi
<200kbps

IMT-Ad
4G

E3G

BWA
WLAN

<10kbps

t

300kbps-10Mbps

<100Mbps

100M-1Gbps

Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào
1.1.1. Thế hệ 1G (First Generation)
Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy
nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:


15
- Phương thức truy nhập: FDMA.
- Dịch vụ đơn thuần là thoại.
- Chất lượng thấp.
- Bảo mật kém.
Một số hệ thống điển hình:
NMT (Nordic Mobile Telephone): sử dụng băng tần 450Mhz triển khai tại
các nước Bắc Âu vào năm 1981.
TACS (Total Access Communication System): triển khai ở Anh vào năm 1985.
AMPS (Advance Mobile Phone System): triển khai tại Bắc Mỹ vào năm
1978 tại băng tần 800Mhz.
1.1.2. Thế hệ 2G (Second Generation)
Hệ thống mạng 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số
(digital circuit-switched). Kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn 1G với các đặc điểm sau:
 Dung lượng tăng.

 Chất lượng thoại tốt hơn.
 Hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data).
 Phương thức truy nhập : TDMA, CDMA băng hẹp.
Một số hệ thống điển hình:


GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cập

TDMA được triển khai tại châu Âu.
 D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng
phương thức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ.
 IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển
khai tại Mỹ và Hàn Quốc.
 PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng phương thức truy cập TDMA
được triển khai tại Nhật Bản.
1.1.3. Thế hệ 3G (Third Generation)
Đây là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép
truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình
ảnh…). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ


16
thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện
nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu,
âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di
chuyển ở các tốc độ khác nhau.
Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, capacity của hệ thống lớn, tăng
hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Có một loạt các chuẩn công nghệ
di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD),
CDMA2000 và TD-SCDMA:

- UMTS (đôi khi còn đƣợc gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập
WCDMA. UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP. UMTS là công nghệ 3G được lựa
chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu
tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps). Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps
thôi. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề
nghị. Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA. HSPA
thường được biết đến nhờ là công nghệ 3,5G.
- HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về người dùng di
động). Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực tế nó chỉ đạt tầm
1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps). Theo một báo cáo của GSM tháng 7 năm 2008,
207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai, trong đó 207 đã thương mại hoá ở
89 nước trên thế giới.
• HSUPA: tăng tốc độ uplink (đường lên) và cải tiến QoS. Kỹ thuật này cho
phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps (lý thuyết). Cũng
trong cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã
triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch triển
khai mạng HSUPA.
• CDMA2000: bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission
Technology), CDMA2000 (Evolution -Data Optimized) và CDMA2000 EVDV(Evolution -Data and Voice). CDMA2000 được chuẩn hoá bởi 3GPP2.
CDMA2000 là công nghệ 3G được lựa chọn bởi các nhà cung cấp mạng CdmaOne.
• CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận nhờ là một công nghệ 3G,
tuy nhiên nhiều người xem nó nhờ là một công nghệ 2,75G đúng hơn là 3G. Tốc độ


17
của 1xRTT có thể đạt đến 307Kbps, song hầu hết các mạng đã triển khai chỉ giới
hạn tốc độ peak ở 144Kbps.
• CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt và
có thể cho tốc độ dữ liệu đến 2,4Mbps cho đường xuống và 153Kbps cho đường
lên. 1xEV-DO Rev A hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến

3,1Mbps và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2Mbps. Bên cạnh đó, 1xEVDO Rev B cho phép nhà cung cấp mạng gộp đến 15 kênh 1,25MHz lại để truyền dữ
liệu với tốc độ 73,5Mbps.
• CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh
1,25MHz. CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ peak đến 4,8Mbps cho đường
xuống và đến 307Kbps cho đường lên. Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng
vô thời hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA
như Verizon Wireless và Sprint đã chọn EV-DO.
- TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China Communications
Standards Association" và được ITU duyệt vào năm 1999. Đây là chuẩn 3G của
Trung Quốc. TD-SCDMA dùng song công TDD. TD-SCDMA có thể hoạt động
trên một dãi tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps).
Ngày xuất hành của TD-SCDMA đã bị đẩy lùi nhiều lần. Nhiều thử nghiệm về công
nghệ này đã diễn ra từ đầu năm 2004 cũng nhờ trong thế vận hội Olympic gần đây.
1.1.4. Thế hệ 4G (Fourth Generation)
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là
thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Thế hệ 4
là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ
tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu
là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT
DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di
chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên
hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương
tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ
cho các mạng không dây nội bộ (WLAN) và các ứng dụng khác.


18
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao
OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số
khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số

độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến
xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng
thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch mạng
4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu.
1.2. Tổng quan về mạng 4G
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT
Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê
bao di chuyển cao và 1Gbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến
20MHz. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại IP, truy
cập internet băng rộng, các dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…
3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE
chưa đủ các tính năng theo yêu cầu của IMT Advanced. LTE có tốc độ lý thuyết
lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông
20MHz. Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các anten mảng được sử dụng.
LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, mục tiêu của nó là
hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU. LTE Advanced có khả năng tương
thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên.
 Mục tiêu hướng đến của mạng 4G
4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại,
không chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat
video, TV di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ
liệu và các dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong
khu vực cục bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số.
Các mục tiêu mà 4G hướng đến:
- Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz.
- Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1
Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm.
- Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới.

19
- Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75
bit/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn
băng thông 67 MHz).
- Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và
2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.
- Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.
- Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng.
- Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian
thực, tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…
- Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại
- Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa.
 Các kỹ thuật được sử dụng
- Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý
+ Không sử dụng CDMA
+ MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập
theo không gian, đa anten đa người dùng.
+ Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SCFDE (single carrier frequency domain equalization) ở đường xuống: để tận dụng
thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không phải lượng tử phức tạp.
+ Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC-FDMA ở
đường xuống: tốc độ bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác
nhau dựa trên điều kiện kênh.
+ Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu.
- Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian.
- Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.
 Ưu điểm nổi bật của 4G LTE
- Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G.
- Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ.
- Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa.
- Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA.

Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của
LTE đối với WCDMA.


20
- Tần số tái sử dụng linh hoạt
- Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu:
can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell. Nhưng đối với LTE thì: do tính
trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can
nhiễu inter-cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu.
1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự
phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3 đồng thời đã sơ lượt
tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai thông số quan trọng đặc
trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử
dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện.
Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo.


21

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ MẠNG LTE CHO MẠNG 4G
Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung
có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai. Cơ sở hạ tầng 4G được thiết kế
với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng hiện
tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng. Để thực hiện điều đó, cần
tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kết
nối) và các ứng dụng của người sử dụng. Chương này sẽ trình bày hệ thống di động
4G LTE: các đặc điểm kỹ thuật của LTE, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó
liên kết với các mạng khác ra sao, các kênh sử dụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sử

dụng cho đường lên, đường xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên
quan đến giao diện vô tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất.
2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE
Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không
dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm
năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa
truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho
di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc
độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng
cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ
dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng
GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA. Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục
tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ
thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SCFDMA. Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang
(Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng
phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-Average
Power Ratio PAPR) so với OFDMA. Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ
thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6.
2.1.1. Mục tiêu của LTE
Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân năm
2005 đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE. Những mục tiêu


22
và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913.
Những yêu cầu cho LTE được chia thành 07 phần khác nhau như sau:
 Tiềm năng, dung lượng.
 Hiệu suất hệ thống
 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai
 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)

 Quản lý tài nguyên vô tuyến
 Độ phức tạp
 Những vấn đề chung
 Tốc độ dữ liệu cao
 Độ trễ thấp
 Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu
2.1.2. Các đặc tính cơ bản của LTE
- Hoạt động ở băng tần: 700MHz - 2,6Ghz.
- Tốc độ:
+ DL: 100Mbps (ở BW 20MHz)
+ UL: 50 Mbps với 2 anten thu một anten phát.
- Độ trễ: nhỏ hơn 5ms
- Độ rộng BW linh hoạt: 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz; 20MHz.
Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.
- Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt
với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần.
- Phổ tần số:
+ Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
+ Độ phủ sóng từ 5-100 km
+ Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5MHz.
- Chất lượng dịch vụ:
+ Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
- VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS.
- Liên kết mạng:
+ Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ


23
thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
+ Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN

sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại.
- Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm.
Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4MHz đến 20MHz, điều này có
nghĩa là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Mạng LTE có thể
hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP. Nó bao gồm băng
tần lõi của IMT-2000 (1.9-2GHz) và dải mở rộng (2.5GHz), cũng như tại 850900MHz, 1800MHz, phổ AWS (1.7- 2.1GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5MHz
được định nghĩa bởi ITU thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn
hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về băng
tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng
tần đã tồn tại của họ.
2.1.3. Các thông số lớp vật lý của LTE
Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý LTE
Kỹ thuật truy

UL

DTFS-OFDM(SC-FDMA)

nhập

DL

OFDMA

Băng thông

1.4MHz, 3MHz , 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz

TTI tối thiểu

1ms

Khoảng cách sóng mang
con
Chiều dài CP

15KHz

Ngắn

4.7µs

Dài

16.7 µs

Điều chế

QPSK, 16QAM, 64QAM
1 lớp cho UL/UE

Ghép kênh không gian

Lên đến 4 lớp cho DL/UE
Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL