Đồ án nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTE advanced

Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ

1


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

2


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Từ
tắt

viết

Từ đầy đủ

Giải thích

1G

The first gerneration

Thế hệ thông tin di động
thứ nhất

2G

The second
gerneration

Thế hệ thông tin di động
thứ hai

3G

The third gerneration

Thế hệ thông tin di động
thứ ba

4G

The fourth gerneration

Thế hệ thông tin di động
thứ tư

3GPP

Third Generation
PartnershipProject

Dự án các đối tác thế hệ thứ
ba

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp
3


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
AMPS

Advanced Mobile
Phone System

Hệ thống điện thoại di động
tiên tiến

BS

Base Transceiver
Station

Trạm gốc thu phát tín hiệu

CDMA

Code division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia
theo mã

CRS

Cell Specific Reference
Signal

Tín hiệu tế bào chuẩn

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

EDGE

Enhanced Data Rates
for GSME volution

Tốc độ dữ liệu tăng cường
cho GSM phát triển

EPC

Evolved Packet Core

Mạng lõi gói phát triển

EPS

Evolved Packet System Hệ thống gói dữ liệu phát
triển

FDD

Frequency Division
Duplex

Phân chia tần số song công

GPRS

General packet radio
service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM

Global System for
Mobile
Communications

Hệ thống truyền thông di
động toàn cầu

HARQ

Hybrid Automatic
Repeat Request

Chuẩn yêu cầu lặp tự động

HSCSD

High Speed Downlink
Packet Access

Truy nhập gói đường xuống
tốc độ cao

HSPA

High Speed Packet
Access

Truy nhập gói tốc độ cao

IP

Internet Protocol

Giao thức internet

ITU

International
Telecommunication
Union

Liên minh viễn thông quốc
tế

MIMO

Multiple Input Multiple
Output

Đa đầu vào, đa đầu ra

MME

Mobility Managerment

Phần tử quản lí tính di động
4


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
Entity
MS

Mobile Station

Trạm di động

OFDMA

Orthogonal Frequency
Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia tần
số trực giao

P-GW

Packet Data Network
Gateway

Cổng mạng dứ liệu gói

PDSCH

Physical Downlink
Shared Channel

Kênh chia sẻ vật lí đường
xuống

PUSCH

Physical Uplink Shared
Channel

Kênh chia sẻ vật lí đường
lên

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển kết nối vô tuyến

RN

Relay Node

Nút chuyển tiếp

RS

Relay Station

Trạm chuyển tiếp

S-GW

Serving Gateway

Cổng phục vụ

SC-FDMA

Single Carrier
Frequency Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần
số đơn song mang

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ lệ dữ liệu trên nhiễu

TD-SCDMA

Time Division
Synchronous Code
Division Multiple
Access

Phân chia theo thời gian –
Đa truy nhập phân chia
theo mã đồng bộ

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia thời
gian

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

UMTS

Universal Mobile
Telecommunications
System

Hệ thống thông tin di động
toàn cầu

UTRAN

Universal Terrestrial

Radio Access Network

Mạng truy cập vô tuyến mặt
đất toàn cầu

VoIP

Voice over IP

Thoại qua IP
5


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
WCDMA

Wideband Code
Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia
theo mã bang rộng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
6


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
1.1 Lí do chọn đề tài
Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu,

trước xu hướng tích hợp và IP hóa đã đặt ra yêu cầu mới đối với
công nghiệp Viễn thông di động. Trong bối cảnh đó người ta đã
chuyển hướng sang nghiên cứu và triển khai hệ thống thông tin di
động mới có tên gọi 4G dựa trên nền tảng là công nghệ LTE (Long
Term Evolution).
Hiện nay, trên thế giới, các nước Bắc Mỹ và Bắc Âu đã bắt
đầu triển khai các mạng Viễn thông 4G dung công nghệ LTE. Tại
Việt Nam, công nghệ 4G/LTE đã được thử nghiệm bởi Ericssion phối
hợp với Bộ thông tin và Truyền thông trong năm 2010. Đến nay, Bộ
Thông tin và Truyền thông đã cấp phép thử nghiệm 4G/LTE trong
một năm cho năm đơn vị, gồm: VNPT, Viettel, FPT, tập đoàn Công
nghệ CMC vf tổng công ty VTC. Trong giai đoạn 1, dự án thử
nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng 4G/LTE sẽ phủ song
tại khu vực Hà Nội có tốc độ truy cập Internet lên đến 60 Mbps.
Trạm BTS dung công nghệ 4G/LTE đã được lắp xong vào ngày
10/10/2010, đặt tại Cầu Giấy, Hà Nội.
Công nghệ LTE ngày càng được cải tiến, sử dụng các công
nghệ được đổi mới từ đó công nghệ LTE đang là một trong những
lựa chọn hàng đầu cho các nhà cung cấp dịch vụ di động trên toàn
cầu.
Xuất phát từ thực trạng trên, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên
cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTE-Advanced”
nhằm mục đích tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ mạng di động
thế hệ mới LTE.
1.2 Mục tiêu của đề tài
-

Tìm hiểu kiến thức về mạng LTE và phiên bản mới nhất là
LTE-Advanced.
7

Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
-

Tìm hiểu kĩ thuật chuyển tiếp trong mạng di đông LTE.

-

Tìm hiểu về phần mềm Matlab và sử dụng phần mềm này
để mô phỏng kĩ thuật chuyển tiếp trong mạng LTE.

1.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
-

Nội dung đề tài nghiên cứu một cách tổng quan về công
nghệ mạng LTE cũng như kĩ thuật chuyển tiếp trong công
nghệ LTE.

-

Nội dung mô phỏng của đề tài dừng lại ở việc phân tích
đánh giá ưu điểm khi sử dụng trạm relay để giảm công
suất tiêu thụ, không đi sâu vào cáo vấn đề khác.

1.4 Kết quả dự kiến đạt được
-

Có kiến thức tổng quan về công nghệ LTE.

-

Có kiến thức tổng quan về kic thuật chuyển tiếp trong
công nghệ mạng LTE.

-

Cài đặt và sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng sự cải
thiện mức công suất tiêu thụ khi sử dụng các nút chuyển
tiếp trong mạng LTE.

8


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động
2.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ
thống truyền tín hiệu tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên
của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Những công
nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất nào có thể kể đến là :
-

NMT (Nordic Mobile Telephone – Điện thoại di động Bắc
Âu) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga.

-

AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – Hệ thống điện
thoại di đông tiên tiến) được sử dụng ở Mĩ và Úc.

-

TACS (Total Access Communication Sytem – Hệ thống
truyền thông truy nhập toàn phần ) được sử dụng ở Anh.

Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch
truyền chủ yếu là thoại. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe
trộm bởi bên thứ ba. Những điểm yếu của hệ thống 1G là dung
lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi
không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo
mật… do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử
dụng.
2.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

9


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
Hệ thống thông tin thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số
cho việc truyền tải. Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng
lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ thứ nhất. Một kênh tần số thì
đồng thời dược chia ra cho nhiều người dung (bởi việc chia theo
mã hoặc chia theo thời gian). Sự sắp xếp có trật tự các tế bào, mỗi
khu vực phục vụ thì được bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào
lớn và một phần của những tế bào đã làm tăng dung lượng của hệ
thống

xa hơn nữa. Có 4 chuẩn chính đối với hệ thống 2G: Hệ

Thống Thông Tin Di Động Toàn Cầu (GSM) và những dẫn xuất của
nó; AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và
Mạng tế bào Số Cá Nhân (PDC) . GSM đạt được thành công nhất và
được sử dụng rộng rãi trong hệ thống 2G.
-

GSM: GSM cơ bản sử dụng bằng tần số 900MHz. Sử dụng
kỹ thuật đa truy cập theo thời gian TDMA. Tuy nhiên, GSM
mới chỉ cung cấp được các dịch vụ thoại và tin nhắn, trong
khi nhu cầu truy cập Internet và cá dịch vụ từ người sử
dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.5G.

Trong đó :
-

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) - Số liệu
chuyển mạch kênh tốc độ cao.

-

GPRS (General Packet Radio Service) – Dịch vụ vô tuyến
gói chung.

-

EDGE (Ennhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ
số liệu tang cường để phát triển GSM: EDGE có thể phát
triển nhiều bit gấp 3 lần trong GPRS trong một chu kì.

Mặc dù hệ thống thông tin di động 2G được coi là những tiến
bộ đáng kể nhưng vẫn gặp phải các hạn chế sau: Tốc độ thấp và
tài nguyên hạn hẹp. Vì thế cần thiết phải chuyển đổi trên mạng
10


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
thông tin di động thế hệ tiếp theo để cải thiện dịch vụ truyền số
liệu, nâng cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ… Mặt khác,
khi các hệ thông thông tin di đông ngày càng phát triển, không chỉ
số lượng người sử dụng điện thoại di động tăng lên, mở rộng thị
trường mà người sử dụng còn đòi hỏi cá dịch vụ tân tiến hơn không
chỉ là các dịch vụ cuộc gọi truyền thống vè dịch vụ số liệu tốc độ
thấp hiện có trong mạng hiện tại. Nhu cầu thị trường có thể phân
loại thành các lĩnh vực như: Dịch vụ dữ liệu trên máy tính, dịch vụ
viến thông, dịch vụ nội dung số như âm thanh hình ảnh. Những lý
do trên thúc đẩy cá tổ chức nghiên cứu phát triển hệ thống thông
tin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và đã áp dụng trong
thực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động: Thông tin di
động 3G
2.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International
Mobile telecommunication -2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm
chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là :
-

Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao.

-

Các dịch vụ tin nhắn (E-mail, fax, SMS, chat ...).

-

Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình,
nghe nhạc…).

-

Truy cập Internet (duyệt Web, tải tài liệu…).

Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương
thích toàn cầu giữa các hệ thống. Để thỏa mãn cá dịch vụ đa
phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập internet bang
thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng
thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao
rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được
đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là
384 Kbs, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbs.
11


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
Các hệ thống 3G điển hình là:
• UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telephone System) dựa vào công
nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang
phát triển khai thác hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G. UMTS
được hỗ trợ Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP tổ chức

chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM,GPRS. UMTS hoạt động ở
băng thông 5MHz, cho phép cá cuộc gọi có thể chuyển giao một
cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có. Những đặc
điểm cỉa WCDMA như sau:
-

WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ
liệu. Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384
Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh.

-

Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ
được phân tầng, không giống như mạn GSM, Ở trên cùng
là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm như triển khai
nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa.
Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các
quy trình và cho phép mạng lưới có thể được phân chia
linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết nối, bất kì công nghệ
truyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu âm
thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP.

-

Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập
trung vào UMTS tầng số cấp phát trong 2 băng đường lên
(1885 MHz-2025 MHz) và đường xuống (2110 Mhz – 2200
MHz). Sự phát triển của WCDMA lên 3.5G là HsxPA.
• CDMA2000

Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là
sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA
trong thế hệ 2. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức
độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS.
12


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps.
• TD-SCDMA
Chuẩn được ít biết đến hơn là TD-SCDMA đang được phát
triển tại Trung Quốc bởi các công ty Datang và Siemens. Hiện tại
có nhiều chuẩn công nghệ cho 2G nên sẽ có nhiều chuẩn công
nghe 3G đi theo, tuy nhiên trên thwucj tế chỉ có 2 tiêu chuẩn quan
trọng nhất đã có sản phẩm thương mại và có khả năng được triển
khai rộng rãi trên toàn thế giới là WCDMA(FDD) và CDMA2000 .
WCDMA được phát triển trên cơ sở tương thích với giao thức mạng
lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống chiếm tới 65% thị trường thế
giới. Còn CDMA2000 nhằm tương thích với mạng lõi IS-41, hiện
chiếm 15% thị trường.
2.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)
Hệ thống thông tin di động 4G đã được đưa vào khai thác và
sử dụng tại một số quốc gia phát triển trên thế giới từ năm 2012.
Với sự đột phá về dung lượng, hệ thống thông tin di động 4G cung
cấp những dịch vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt thường nhật,
công việc cũng như có sự tác động lớn đến lối sống của chứng ta
trong tương lai gần. Cụ thể trong các khía cạnh của cuộc sống
được trình bày dưới đây:
• Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học
Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bị

đầu cuối, học sinh, sinh viên, nhà nghiên cứu khoa học có thể trao
đổi thông tin, hình ảnh cần thiết cho việc học tập, nghiên cứu mà
không có rào cản nào về mặt khoảng cách cũng như ngôn ngữ.
Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống 4G (điện thoại, đồng hô…)
có tích hợp camera có chức năng thông dịch ngôn ngữ tự động
giúp trao đổi thông tin trực tiếp.
• Giải trí
13


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
Hệ thống di động 4G cho phép sử dụng hệ thống trò chơi, âm
nhạc, video và các nội dung liên quan. Những trò chơi, hình ảnh có
thể được truy cập ở bất kì nơi nào với những nội dung cực kì phong
phú, đa dạng.
• Truyền thông hình ảnh
Hệ thống di động 4G cũng được ứng dụng trong việc trao đổi
thông tin giữa các điểm cách xa nhau. Một đoạn phim của một sự
kiện thể thao có thể được gửi bởi một máy quay gắn trên một máy
thu phát càm tay và được gửi tức thời đến bất kì đâu dù tỏng hay
ngoài nước.
• Thương mại di động
Hệ thống di động 4G được ứng dụng trao đổi và thỏa thuận
mua bán hàng hóa. Chỉ bằng thiết bị di động cầm tay người sử
dụng có thể thu được các thông tin về sản phẩm, đặt hàng, thanh
toán bằng tài khoản di động thông qua thiết bị di động.
• Cuộc sống thường nhật
Công nghệ xác thực cá nhân tiên tiến cho phép người sử
dụng mua những hàng hóa đắt tiền một cách an toàn và thanh
toán bằng tài khoản thông qua mạng di động. Dữ liệu được tải từ

cá thiết bị di động có thể sử dụng như các thẻ thanh toán, thẻ ra
vào, thẻ thành viên. Các dịch vụ di động cũng được sử dụng trong
cuộc sống như: tải các chương trình tivi trên các máy chủ đặt tại
gia đình lên thiết bị di động và xem chúng khi đi ra ngoài hoặc sử
dụng thiết bị cầm tay điều khiển robot từ xa.
• Điều trị và chăm sóc sức khỏe
Những dữ liệu về sức khỏe có thể tự động gửi đến bệnh viện
theo thời gian thực từ các thiết bị mang tên bệnh nhân, nhờ đó các
bác sĩ có thể thực hiện việc kiểm tra sức khỏe hoặc xử lý tức thì
các tình trạng khẩn cấp.
• Điều trị trong các tình trạng khẩn cấp
14


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
Phương tiện truyền thống di động được sử dụng cho cấp cứu
khẩn cấp ngay sau khi tai nạn giai thông xảy ra. Vị trí của tai nạn
sẽ được thông báo tự động bằng cách sử dụng thông tin định vị,
khi đó các bác sĩ tại trung tâm y tế đưa ra các chỉ dẫn sơ cứu cho
bệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhân qua màn hình. Các
dữ liệu y tế cũng được truyền ngay lập tức tới các xe cứu thương
hoặc bệnh viện thông qua mạng di động.
• Ứng dụng trong thảm họa thiên tai
Hệ thống thông tin báo động đóng vai trò là thiết bị thông tin
quan trọng trong trường hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phép
truyền tin đi hình ảnh thực trạng của các khu vực xảy ra thảm họa.
Do đó tại những nơi thảm họa không xảy ra tất cả các lãnh đạo
chính phủ, phương tiện truyền thông đại chúng và người dân nói
chung có thể chia sẻ thông tin.
2.2 Kiến trúc mạng LTE và tổng quan về mạng LTEAdvanced

2.2.1 Kiến trúc mạng LTE
Cấu trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu
lượng chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch
vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu. Một phương pháp chuyển mạch gói
cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông qua
các kết nối gói. Kết quả là trong một cấu trúc phẳng hơn, rất đơn
giản chỉ với 2 loại nút cụ thể là nút B phát triển (eNB) và phần tử
quản lý di động cổng ( MME/GW). Điều này hoàn toán trái ngược
với nhiều nút mạng trong Cấu trúc mạng phân cấp hiện hành của
hệ thống 3G. Một thay đổi lớn nữa là phần điều khiển mạng vô
tuyến (RNC) được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó
hiện nay được thành lập ở eNB. Một số ích lợi của một nút duy
nhất trong mạng truy nhập là giảm độ trễ và phân phối của việc xử
15


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
lý tải RNC vào nhiều eNB. Việc loại bỏ RNC ra khỏi mạng truy nhập
có thể

một phần do hệ

thống LTE không hỗ

trợ chuyển giao

mềm.

Hình 2-1: Kiến trúc cơ bản của mạng LTE
UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở

lớp kết nối. Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống
gói phát triển (EPS). Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết
nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất.
Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên IP, tất cả các

nút

chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong Cấu trúc 3GPP
trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC. Công nghệ IP chiếm ưu
thế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và
truyền tải trên IP.
Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B
phát triển (eNode B). Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó,
tức là eNB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có
16


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeB
được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2.
Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi
trong hệ thống 3G, và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói. Vì
vậy, nó có một cái tên mới: Evolved Packet Core (EPC).
Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã
được giảm. EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng
người dùng và mặt phẳng điều khiển. Một node cụ thể được định
nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết nối mạng
LTE với internet và những hệ thống khác. EPC gồm có một vài thực
thể chức năng.
a) Thiết bị người dùng (UE)

UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc.
Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông
minh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn đang sử dụng hiện
tại trong mạng 2G và 3G. Hoặc nó có thể được nhúng vào, ví dụ
một máy tính xách tay. UE cũng có chứa các mođun nhận dạng
thuê bao toàn cầu (USIM). USIM được sử dụng để nhận dạng và
xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc
truyền tải trên giao diện vô tuyến.
Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền
thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các
liên kết thông tin người dùng cần. Điều này bao gồm các chức
năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết
bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng. Có lẽ quan
trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử

dụng cho người

dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được sử dụng để thiết
lập một cuộc gọi thoại.
b) E-UTRAN NodeB (eNodeB)
Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB (eNodeB). Đơn
giản đặt eNB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức
17


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
năng vô tuyến liên quan trong phần cố định của hệ thống. Các
trạm gốc như eNB thường phân bố trên toàn khu vực phủ sóng của
mạng. Mỗi eNB thường cư trú gần các anten vô tuyến hiện tại của
chúng.

Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp là
UE và EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về
phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết
nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC. Trong vai trò này các EPC
thực hiện mã hóa giải mã các dữ liệu UP, và cũng có nén giải nén
tiêu đề IP, tránh việc gửi đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếp
trong tiêu đề IP.eNB

cũng chịu trách nhiệm về nhiều các chức

năng của mặt phẳng điều khiển (CP). eNB chịu trách nhiệm về
quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm sóat việc sử dụng
giao diện vô tuyến, bao gồm: phân bổ tài nguyên dựa trên yêu
cầu, ưu tiên và lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, và liên
tục giám sát tình hình sử dụng tài nguyên.
Ngoài ra eNodeB còn có vai trò quan trọng trong quản lý tính
di động (MM). Điều khiển eNB và đo đạc phân tích mức độ của tín
hiệu vô tuyến được thực hiện bởi UE. Điều này bao gồm trao đổi tín
hiệu chuyển giao giữa eNB khác và MME. Khi một UE mới kích hoạt
theo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNB cũng chịu trách
nhiệm về việc định tuyến khi này nó sẽ đề nghị các MME mà trước
đây đã phục vụ cho UE, hoặc lựa chọn một MME mới nếu một
tuyến đường đến các MME trước đó không có sẵn hoặc thông tin
định tuyến vắng mặt.

18


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced

Hình 2-2: ENodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính
Hình trên cho thấy các kết nối với eNB đã đến xung quanh
các nút logic, và tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này.
Trong tất cả các kết nối eNB có thể là trong mối quan hệ một –
nhiều hoặc nhiều – nhiều. Các eNB có thể phục vụ đồng thời
nhiều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kết
nối tới một eNB trong cùng một thời điểm. Các eNB sẽ cần kết nối
tới các eNB lân cận với nó trong khi chuyển giao có thể cần thực
hiện.
Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại, có nghĩa là một tập
hợp các nút được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNB.
Từ một viễn cảnh eNB đơn này có nghĩa là nó có thể cần phải kết
nối tới nhiều MME và S-GW. Tuy nhiên mỗi UE sẽ được phục vụ bởi
chỉ có một MME và S-GW tại một thời điểm và eNB phải duy trì
theo dõi các liên kết này. Sự kết hợp này sẽ không bao giờ thay
đổi từ một điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ có
thể thay đổi khi kết hợp với sự chuyển giao liên eNodeB.
c) Cổng phục vụ ( S-GW)
19


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
Trong cấu hình Cấu trúc cơ bản hệ thống, chức năng cao cấp
của S-GW là quản lý đường hầm UP và chuyển mạch. S-GW là một
phần của hạ tầng mạng nó được duy trì ở các phòng điều hành
trung tâm của mạng.

Hình 2-3: Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính
Trong hình trên cho thấy S-GW được kết nối tới các nút logic
khác và danh sách các chức năng chính trong các giao diện này.

Tất cả các giao diện được cấu hình theo kiểu một – nhiều từ S-GW
được thấy. Một S-GW có thể chỉ phục vụ một khu vực địa lý nhất
định với một tập giới hạn các eNodeB, và tương tự có thể có một
tập giới hạn của các MME điều khiển khu vực đó. S-GW có thể kết
nối tới bất kỳ PGW nào trong toàn bộ mạng lưới, bởi vì P-GW sẽ
không thay đổi trong khi di chuyển, trong khi S-GW có thể được
định vị lại trong khi UE di chuyển. Với các kết nối có liên quan tới
một UE, S-GW sẽ luôn báo hiệu với chỉ một MME và các điểm UP
tới một eNodeB tại một thời điểm. Nếu một UE được phép kết nối
tới nhiều các PDN thông qua các P-GW khác nhau, thì S-GW cần
kết nối tới các thành phần riêng biệt. Nếu giao diện S5/S8 là dựa
trên PMIP thì S-GW sẽ kết nối tới một PCRF cho mỗi P-GW riêng
được UE sử dụng.
d) Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW)
20


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
Cổng mạng dữ liệu gói ( P-GW, cũng thường được viết tắt là
PDN-GW) là tuyến biên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bên
ngoài. Nó là nút cuối di động mức cao nhất trong hệ thống, và nó
thường hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho UE. Nó thực
hiện các chức năng chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi các
dịch vụ được đề cập. Tương tự như S-GW, các P-GW được duy trì
tại các phòng điều hành tại một vị trí trung tâm.

Hình 2-4: P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính
Điển hình là P-GW cấp phát các địa chỉ IP cho UE, và UE sử
dụng nó để giao tiếp với các máy chủ IP khác trong các mạng bên
ngoài.( ví dụ như Internet ). Nó cũng có thể là PDN bên ngoài mà

UE đã được kết nối cấp phát các địa chỉ đó là để sử dụng bởi các
UE, các đường hầm P-GW cho tất cả lưu lượng vào mạng đó. Địa
chỉ IP luôn được cấp phát khi UE yêu cầu một kết nối PDN, nó sẽ
diễn ra ít nhất là khi UE được gắn vào mạng, và nó có thể sảy ra
sau khi có một kết nối PDN mới. Các P-GW thực hiện chức năng
giao thức cấu hình máy chủ động (DHCP) khi cần, hoặc truy vấn
một máy chủ DHCP bên ngoài.
2.2.2 Tổng quan về mạng LTE-Advanced
21


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) là bước phát
triển mới của công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này được
chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9. Dự án được
nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với các đặc tả
được hoàn thành vào quí 2 năm 2010 như là một phần của Release
10 nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệ
công nghệ vô tuyến di động thứ 4 (4G) IMT-Advance được thiết lập
bởi ITU. LTE Advance sẽ tương thích ngược và thuận với LTE, nghĩa
là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE-Advanced mới và
các mạng LTE cũ.
Gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT-Advance nhằm tạo
ra định nghĩa chính thức về 4G. Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên các
mạng tuân theo các yêu cầu của IMT-Advance xoay quanh báo cáo
ITU-R M.2134. Một số yêu cầu then chốt bao gồm:


Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 40 MHz.



Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)



Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử sử
dụng MIMO 4x4)



Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6,75 b/s/Hz (giả sử sử
dụng MIMO 4x4)



Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1,5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s
thường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G).

Hiện tại chưa có công nghệ nào đáp ứng những yêu cầu này. Nó đòi hỏi những
công nghệ mới như là LTE-Advanced và IEEE 802.16m. Một số người cố gắng dán
nhãn các phiên bản hiện tại của WiMAX và LTE là 4G nhưng điều này chỉ chính
xác đối với phiên bản tiến hóa của các công nghệ trên, chẳng hạn LTE-Advanced,
còn LTE chỉ có thể gọi với cái tên không chính thức là 3,9G. LTE sử dụng kỹ thuật
đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ở đường xuống. Trong khi đó,
ở đường lên, LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng
mang SC-FDMA. Một số tính năng khác của LTE:

22

Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced


Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 326Mb/s với độ rộng băng tần 20
MHz



Tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 86,4 Mb/s với độ rộng băng tần 20
MHz



Hoạt động ở cả chế độ TDD và FDD.



Độ rộng băng tần có thể lên đến 20 MHz bao gồm cả các độ rộng băng 1,4;
3; 5; 10; 15 và 20 MHz



Hiệu quả sử dụng phổ tăng so với HSPA ở Release 6 khoảng 2 đến 4 lần.



Độ trễ giảm với thời gian trễ vòng giữa thiết bị người sử dụng và trạm gốc là
10 ms và thời gian chuyển từ trạng thái không tích cực sang tích cực nhỏ hơn
100 ms.

2.3 Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTEAdvanced
2.3.1. Truyền dẫn băng rộng và chia sẻ phổ tần.
Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ
có thể được thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng
băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được cung cấp ở Release
đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100 MHz
được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced. Việc mở rộng
độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính
tương thích phổ. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng
“khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều sóng mang thành phần
LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần
thiết. Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ
xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu
cuối LTE-Advanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết
tập.
Hình 2-5 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần
liên tiếp nhau mặc dù ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải
là điều kiện tiên quyết. Truy nhập đến một lượng lớn phổ liên tục ở
23


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên. Do đó, LTE-Advanced có
thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để
xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau
không sẵn có. Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền
kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi. Vì vậy, mặc dù khối
kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì sự kết tập phổ
phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất.

Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền
dẫn cao hơn không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan
trọng hơn là công cụ cho việc mở rộng vùng phủ sóng với các tốc
độ số liệu trung bình.

Hình 2-5: Ví dụ về khối kết tập sóng mang
2.3.2. Giải pháp đa anten
Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép
kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn
có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng
hơn trong LTE-Advanced. Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấp
lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương
ứng ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã.
Cấu trúc này cung cấp cả sự ghép theo không gian lên đến bốn
lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như là định dạng
chùm (dựa trên sổ mã). Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn
phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được
24


Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTEAdvanced
tốc độ đỉnh là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced.
Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian trên
đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced. Việc tăng số lớp
truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có
thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh
thông qua sự mở rộng băng tần.
2.3.3. Truyền dẫn đa điểm phối hợp
Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải
thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở

thiết bị đầu cuối. Định dạng chùm là một cách. Ở các mạng hiện
tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị
xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về
chi phí. Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình
xử lí băng gốc ở một nút đơn được mô tả ở hình 2-6. Ở đường
xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn.
Phụ thuộc vào quy mô mở rộng, có 3 phương án A, B, C như sau:
Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền
dẫn xuất phát từ nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý. Ở đây, cùng
sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở bộ thu cho truyền dẫn đơn
điểm. Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyền đang
tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết
bị cụ thể. Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện
diện của truyền dẫn đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể
(sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụng cho việc
đánh giá kênh. Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cung
cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần
và kết quả là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở
trong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất
ở trạng thái rỗi.

25