Quy hoạch mạng 4g LTE và áp dụng cho TP vinh

MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU.............................................................................................................IV
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.......................................................................................................V
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ......................................................................vn
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................................................IX
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................................................IX
CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MẠNG 4G...........................1
1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin di động...................................................1
1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)................................................1
1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (2G)................................................3
1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)................................................5
1.1.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)................................................6
1.2. Tổng quan về mạng 4G...................................................................................7
1.3. Sự khác nhau giữa 3G và 4G...........................................................................9
1.4. Ket luận chương 1...........................................................................................9
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN..........11
2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE........................................................................11
2.1.1. Mục tiêu của LTE..................................................................................12
2.1.2. Các đặc tính cơ bản của LTE.................................................................12
2.1.3.

Các thông số lớp vật lý của LTE...........................................................13

2.2. Cấu trúc của LTE..........................................................................................15
2.3. Các kênh sử dụng trong E-UTRAN..............................................................20
2.4. Một số đặc tính của kênh truyền...................................................................21
2.4.1.

Trải trễ đa đường...................................................................................22

2.4.2.

Các loại íading.......................................................................................22

2.4.3.

Dịch tần Doppler...................................................................................23

2.4.4.

Nhiễu MAI đối với LTE........................................................................23

2.5. Các kỳ thuật cho truy nhập vô tuyến trong LTE............................................23
2.5.1. Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM và OFDMA............24
2.5.2. Kỹ thuật đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA...................................32
2.5.3. Kỹ thuật đa anten MIMO.......................................................................34
III


2.5.4. Mã hóa Turbo........................................................................................36
2.5.5. Thích ứng đường truyền.........................................................................37
2.5.6. Lập biểu phụ thuộc kênh........................................................................38
2.5.7. HARQ với kết hợp mềm........................................................................38
2.6. Chuyển giao..................................................................................................39
2.6.1. Mục đích chuyển giao...........................................................................39
2.6.2. Trình tự chuyển giao.............................................................................39
2.6.3. Các loại chuyên giao.............................................................................42
2.6.4. Chuyển giao đối với LTE......................................................................45
2.7. Điều khiển công suất....................................................................................46

2.7.1. Điều khiến công suất vòng hở................................................................47
2.7.2. Điều khiến công suất vòng kín...............................................................48
2.8. Kết luận chương 2.........................................................................................49
CHƯƠNG 3. QUY HOẠCH MẠNG 4G LTE VÀ ÁP DỤNG CHO TP.VINH.........51
3.1.......................................................................................................................... K
hái quát về quá trình quy hoạch mạng LTE............................................................51
3.2.......................................................................................................................... D
ự báo lưu lượng và phân tích vùng phủ..................................................................52
3.2.1. Dự báo lưu lượng...................................................................................52
3.2.2. Phân tích vùng phủ................................................................................53
3.3. Quy hoạch chi tiết.........................................................................................53
3.3.1. Quy hoạch vùng phủ..............................................................................53
3.3.2. Quy hoạch dung lượng...........................................................................68
3.4. Quy hoạch cho TP. VINH.............................................................................72
3.5. Tối ưu mạng..................................................................................................74
3.6. Điều khiển công suất kênh PUSCH của LTE...............................................75
3.7. Kết luận chương 3.........................................................................................76
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHONG MẠNG4GLTE ÁP DỤNG CHO TP.VTNH 78
4.1. Lưu đồ mô phỏng quy hoạch LTE................................................................78
4.2. Quy hoạch mạng LTE...................................................................................78
4.3. Ket luận chương 4.........................................................................................85
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI............................................86

III


LƠI Mơ ĐAU
Trong những năm gần đây, mạng không dây ngày càng trở nên phô 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
triến mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng
thế 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 dừ 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).
Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, phải cần có 1 đường dây cố định đế kết nối.
Trong tương lai không xa với LTE, có thế 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 đồ án tốt nghiệp này em xin trình bày đề tài: “Quy hoạch
mạng 4G LTE và áp dụng cho TP. Vĩnh”. Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương:
Chưong 1. Giói thiệu về hệ thống thông tin di động và tổng quan về mạng 4G.
Chương 2. cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan .
Chương 3. Quy hoạch mạng 4G LTE và áp dụng cho TP.VINH.
IV


TÓM TẤT ĐỎ ẢN

Đồ án này đi vào tìm hiếu tông quan về công nghệ LTE và các yêu cầu của
công nghệ LTE như giảm giá thành, tăng cường hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận

cao, cải thiện khai thác bảo dưỡng cũng như cung cấp dịch vụ, nâng cao hiệu quả
phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thòi gian trễ. Để đạt được các mục
đích đó LTE có các tính năng quan trọng như sử dụng công nghệ truyền dẫn OFDM
cho đường lên, SC-FDMA cho đường xuống, sử dụng công nghệ đa ăng ten MIMO
cho hệ thông thu phát, truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao dùng băng thông rộng với các
công nghệ khác như: thích ứng đường truyền và lập biếu, các kỹ thuật chuyến giao,
điều khiến công suất và HARỌ. Các công nghệ mới này đã được áp dụng cho truy
cập vô tuyến cho phép tăng hiệu năng truyền dẫn vô tuyến của LTE. Trong đồ án
này cũng đã trình bày chi tiết quá trình quy hoạch mạng LTE cũng như sử dung
phần mềm Visual Studio 2010 cho việc mô phỏng tính toán quy hoạch mạng LTE.

ẢBSTRACT
This thesis was studied an overview of LTE technology and the requirements
of LTE as cost reducting compared to previous technologies, enhancing support for
high-profit Services and improving undervvriting as well as providing support
Services,
improving spectrum efficiency and User throughput, reducing latency. To achieve
these purposes, LTE have key features such as transmission technology using OFDM
for uplink and SC-FDMA for the downlink, transceiver System using multiple
antenna technology (MIMO), radio transmission using high-speed broadband with
other technologies such as adaptive transmission and scheduling, delivery techniques,
power control and HARQ. These new technology have been applied to wireless
access part of LTE in order to enhance the wireless transmission períbrmance. In this
thesis was also introduced the process of LTE network planning as well as Visual

V


DANH MỤC CẢc BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số lóp vật lý LTE......................................................................13

Bảng 2.2. Tốc độ đỉnh của LTE theo lóp...................................................................14
Bảng 2.3. Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền.......................................32
Bảng 3.1. Ví dụ về quỳ đường lên của LTE..............................................................57
Bảng 3.2. Ví dụ của quỹ đường xuống LTE..............................................................58
Bảng 3.3. So sánh quỹ đường truyền lên của các hệ thống........................................60
Bảng 3.4. So sánh về quỹ đường truyền xuống của các hệ thống...............................61
Bảng 3.5. Các giá trị K sử dụng cho tính toán vùng phủ sóng....................................69
Bảng 3.6. Tốc độ bit đỉnh tương ứng với từng tốc độ mã hóa và băng thông.............70

VI


DANH MỤC CẢc HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ
Hình 1.1. Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào...........................01
Hình 2.1. So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE....................................................15
Hình 2.2. Cấu trúc co bản của LTE...........................................................................16
Hình 2.3. Kiến trúc EPC cơ bản................................................................................18
Hình 2.4. Cấu hình cho EPC hồ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA
..................................................................................................................................18
Hình 2.5. Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE..................................................................19
Hình 2.6. So sánh phổ tần của OFDM với FDMA.....................................................25
Hình 2.7. Các sóng mang trực giao với nhau.............................................................26
Hình 2.8. Sơ đồ điều chế tín hiệu băng gốc OFDM....................................................29
Hình 2.9. Sơ đồ biến đổi thu phát tín hiệu OFDM.....................................................28
Hình 2.10. Biến đổi FFT............................................................................................29
Hình 2.11. Khoảng bảo vệ tìn hiệu OFDM................................................................30
Hình 2.12. OFDM và OFDMA..................................................................................31
Hình 2.13. Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên................................34
Hình 2.14. Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO.........................................................35
Hình 2.15. Ghép kênh không gian..............................................................................36

Hình 2.16. Điều chế thích nghi...................................................................................37
Hình 2.17. Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyến giao....................................41
Hình 2.18. Chuyển giao mềm.....................................................................................43
Hình 2.19. Chuyển giao mềm - mềm hơn..................................................................44
Hình 2.20. Chuyển giao cứng.....................................................................................44
Hình 2.21. Các loại chuyển giao................................................................................45
VII


1G
2G
3G
4G
3GPP

EDGE
E- UTRAN

One Generation Cellular

Hệ thống thông tin di động thế hệ

thứ nhất
DA
NH
MỤC
CẢ
CHỮ
Vỉ
ÉT

TẮT
Second
Generation
Cellular
Hình 4.2. Giao diện phần quy hoạch
mạngthông
LTE........................................................79
Hệ thống
tin di động thế hệ

c

thứ hai
Hình 4.3. Quỹ đường truyền của LTE........................................................................80
Third Generation Cellular
Hệ thống thông tin di động thế hệ
Hình 4.4. Môi trường truyền sóng trong nhà..............................................................81
thứ ba
Hình
Môi trường
truyền sóng ngoài trời..............................................................82
Four4.5.
Generation
Cellular
Hệ thống thông tin di động thế hệ
Hình 4.6. Quy hoạch vùng phủ LTE..........................................................................83
thứ tư
Dự án họp tác thế hệ 3
Third
Patnership

HìnhGeneration
4.7. Ọuy hoạch
dung lượng LTE.......................................................................84
Project
Hình 4.8. Tính toán tốc độ đỉnh..................................................................................85

Enhance Data rates for GSM

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho mạng

Evolution

GSM cải tiến

Evolved UMTS Terrestrial

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

Radio Access

FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo tần số

GERAN

GSM/EDGE Radio Access

Mạng truy nhập vô tuyến

Network

GSM/EDGE

High Speed Downlink Packet

Truy nhập gói đường xuống tốc độ

Access

cao

HSDPA

IX


HSOPA

High Speed OFDM Packet

Truy cập gói OFDM tốc độ cao

Access

ITU

International

Đơn vị viễn thông quốc tế

IFFT

Inverse Fast Fourier Transíbrm

Biến đổi Fourier ngược

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Multiple Access
Peak-to-Average Power Ratio

trực giao

PAPR

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình

PDSCH

Physical Downlink Shared

Kênh vật lý chia sẻ đường xuống

Channel

PUCCH

Physical ưplink Control

Kênh vật lý điều khiển đường lên

Channel
PDCCH

Physical Downlink Control

Kênh vật lý điều khiến đường xuống

Channel
X


RSRP

Reference Signal Receive

Công suất thu tín hiệu tham khảo

Power
RSRQ

Reference Signal Receive

Chất lượng thu tín hiệu tham khảo

Ọuality

sc- FDMA

SU- MIMO

Single Carrier Frequency

Đa truy cập phân chia theo tần số

Division multiple Access

trực giao đon sóng mang

Single User Multi Input Multi

Đơn user-Đa ngõ vào đa ngõ ra

Output

UTRAN

UTMS Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Access Networks
UTMS

Universal Telecommunication

Hệ thống thông tin di động

Mobile System

WCDMA

Wideband Code Division

Đa truy cập phân chia theo mã băng

Multiple Access

XII
XI


CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MẠNG 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, tù'
thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triến trên thế giới thế hệ 4. Trong chưong này sẽ trình bày khái quát về các đặc tính chung của các
hệ thống thông tin di động và tống quan về mạng 4G.
1.1. Sự phát triền của hệ thông 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 Mỳ.

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến
lĩnh vực thông tin di động, ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động
đã cải thiện một số nhược điếm mà trước đây chưa làm được.

Hình 1.1. Lộ trình phát triến của hệ thống thông tin di động tế bào
/. 7.7. Hệ thống thông tin di động thế hệ 7 (1G)
1


Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất
(1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số
(FDMA) đế truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di
động. Với FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự
các kênh trong lĩnh vực tần số. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội
so với các kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập.
1.1.1.1.

Đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)

Hầu hết các hệ thống nều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ
yếu là âm thanh. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba.
Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex,
DataTac. Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi
cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có
chế độ bảo mật.. .do vậy hệ thống 1G không thê đáp ứng được nhu cầu sử dụng.
- Mồi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
cell.

- Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc vói mỗi MS trong

- Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS.

1.1.1.2.

Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy
nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung
lượng và tốc độ. Nó bao gồm các hạn chế sau:
- Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhở.
- Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong
môi trường fading đa tia.
- Không cho phép giảm đáng kế giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng.
2


kỳ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu
điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Vì vậy đã xuất hiện hệ
thống thông tin di động thế hệ 2.
1.1.2. Hệ thong thông tin di động thế hệ 2 (2G)
Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo
thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi là
GSM. Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế
hệ 2 lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công
nghệ số. Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền
thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và
các dịch vụ bổ sung khác. Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được
đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được Công ty VMS và GPC khai thác rất
hiệu quả với hai mạng thông tin di động số VinaPhone và MobiFone theo tiêu
chuẩn GSM.

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số.
Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:
- Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple AccessTDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
- Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access CDMA):
phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.
1.1.2.1. Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMÀ
Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia
thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh
liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian (Time Slot) trong chu kỳ một
khung. Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối
♦♦♦ Một số đặc điếm của TDMA

3


- TDMA có thê phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước
và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân định trước, việc phân phát
các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngược lại trong phương
pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc gọi yêu cầu,
nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch.
- Trong TDMA các kênh được phân chia theo thời gian nên nhiễu giao thoa
giữa các kênh kế cận giảm đáng kế.
- TDMA sử dụng một kênh vô tuyến đế ghép nhiều luồng thông tin thông qua
việc phân chia theo thời gian nên cần phải có việc đồng bộ hóa việc truyền dẫn để
tránh trùng lặp tín hiệu. Ngoài ra, vì số lượng kênh ghép tăng nên thời gian trễ do
truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua được, do đó sự đồng bộ phải tối ưu.
1.1.2.2.

Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng
tần. Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống. Tuy nhiên, các
tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt với nhau bởi các chuồi mã. Thông
tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phố cho nên nhiều người sử dụng có thế
chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi, mà không sợ gây
nhiễu lẫn nhau.
Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những
kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phô giả ngẫu nhiên PN.
♦> Một

sô đặc điếm của CDMA

- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
- Sử dụng kỹ thuật trải phố phức tạp.
- Kỹ thuật trải phố cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường
rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
4


dụng dãy mã ngẫu nhiên đê trải phô, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đuờng
tốt hơn, chuyến vùng linh hoạt. Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần
phải quan tâm đến vấn đề nhiễu đồng kênh.
- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và
FDMA. Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thế tăng
thêm khi tất cả các kênh bị chiếm.
- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin
di động tế bào. Đây là hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin
của người sử dụng là 8-13 kbps.
1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)

Hệ thống thông tin di động chuyến từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai
đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết họp nhiều
khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thế chồng
lên phố tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phô tần mới, bao gồm các mạng đã
được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1X. Ở thế hệ thứ 3
này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy
nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Đe phân biệt với các
hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động
thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng.
♦♦♦ Các tiêu chuân của hệ thông thông tin di động thế hệ thứ 3

- W-CDMA (Wĩdeband Code Division Multiple Access): là sự nâng cấp
của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như:
GSM, IS-136.
- CDMA2000: Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là
sự tiếp nối đối với cáchệ 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 ƯMTS. CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps. Hệ thống
5


Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào
phục vụ tù' năm 2001. Mục đích của ĨMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng
cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2.
- Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau:
+ 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng.
+ 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.
- Các tiêu chí chung đế xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G):
+ Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
+ Đường lên: 1885-2025 MHz.

+ Đường xuống: 2110-2200 MHz.
+ Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin
vô tuyến:
o Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến,
o Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.
+ Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài
đường, trên xe, vệ tinh.
+ Có thế hỗ trợ các dịch vụ như:
o Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên
cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.
o Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
o Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu
6


truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuấn 4G cho phép truyền các ứng dụng
phưong tiện truyền thông pho 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.
Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao
OFDM, là kỳ 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 - DeTined Radio) cho phép sử
dụng băng thông hiệu quả hon 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 dừ liệu.
1.2. Tong quan về mạng 4G [6]

4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (ĨMT
Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là lOOMbps cho thuê

bao di chuyển cao và lMbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đến
40MHz. 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 lOOMbps 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 tiên hướng đến của mạng 4G

4G cung cấp ỌoS 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
7


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.
- Hiệu suất phố 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.
- Ket 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 chuyến mạch gói không còn chuyến mạch kênh nữa.
♦♦♦ Các kỹ thuật được sử dụng
- Kỹ thuật sử dụng lớp vật lý
+ Không sử dụng CDMA
+ MĨMO: để đạt được hiệu suất phố tần cao bằng cách sử dụng phân
tập theo không gian, đa anten đa người dùng.

8


1.3. Sự khác nhan giữa 3G và 4G

Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc
gọi có hình ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tính kế thừa từ công nghệ 3G.
về mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn
mạng 3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và
5.8Mbps tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới lOOMbps đối với người
dùng di động và lGbps đổi với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy
định quốc tế cho UL: 1885-2025MHz; DL: 2110-2200MHz; với tốc độ từ
144kbps-2Mbps, độ rộng BW: 5MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần:
700MHz - 2,6GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập
sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL: lOOMbps (ở BW 20MHz), UL: 50
Mbps với 2 aten thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh oạt
là ưu điểm của LTE so với WCDMA, BW từ 1.25MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10
MHz, 15MHz, 20MHz. Hiệu quả trải phố tăng 4 lần và tăng 10 lần số người
dùng/cell so với WCDMA.
ưu điêm nôi bật của 4G LTE

- Tốc độ dữ liệu cao hon rất nhiều lần so với 3G.
- Tăng hiệu quả sử dụng phố và giảm thời gian trễ.
- Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyến mạch kênh nữa.
- Hiệu quả trải phô 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.
- 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

9


Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điêm và sự phát
triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3, 4 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.
Nêu được ưu điểm của 4G so với 3G và các cơ sở để hình thành ưu điểm đó. Để
tìm hiếu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo.

10


CHƯƠNG 2
CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC VẤN ĐÈ LIÊN QUAN
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 đôi, phát triến về kỳ thuật có khả năng phù họp 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 điếm 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 kỳ thuật sử dụng cho
đường lên, đường xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên quan đến
giao diện vô tuyển bao gồm chuyến giao và điều khiến 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 nhũng công nghệ
tiềm
năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ĨTU) 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 họp 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

11


Kỳ thuật truy

UL

DTFS-OFDM(SC-FDMA)

nhập

DL

OFDMA

Băng thông

2.1.1. Mục
tiêu của
LTE, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz
1.4MHz,
3MHz
- Chất lượng dịch vụ:

TTI tối thiểu

Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân năm
1 ms
+ Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
2005 đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE. Những mục tiêu

và yêu cầu này được 15KHz
dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913.
Khoảng cách sóng mang - VoĩP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS.
Những yêu cầu cho LTE được chia thành 07 phần khác nhau như sau:
con

- Liên kết mạng:
Ngắn • Tiềm năng, dung lượng.
4.7 |HS
Chiều dài CP
Dài

•

+ Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các
Hiệu suất hệ thống16.7 ps
hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.

Các vấn đề
liên quan
đến việc
triển khai
ỌPSK,
16QAM,
64QAM
+ Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN
Bảng 2.2. Tốc độ đỉnh của LTE theo lóp
sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại.
Ghép kênh không gian
• Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)
1 lóp cho UL/UE
Điều chế

- Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm.
• Quản lý tài nguyên vô tuyến
Lên đến 4 lóp cho DL/UE

Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4MHz đến 20MHz, điều này có nghĩa
• Độ phức tạp
là nó có thế hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Mạng LTE có thế hoạt
Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL
1
2
4 của 3GPP.
5 Nó bao gồm băng tần lõi
động trong
cứ dải
được3sử dụng nào
• bất
Những
vấn tần
đề chung

Lớp

Tốc độ
đỉnh

•

của IMT-2000 (1.9-2GHz) và dải mở rộng (2.5GHz), cũng như tại 850-900MHz,
DL 1800MHz,
10• phổ
50
100
150tần chỉ định
300 dưới 5MHz được định

AWS
(1.7Tốc độ
dữ liệu
cao2.lGHz)...Băng
Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý LTE
UL

Mbps

5
•

25
Độ trễ thấp

50

50

75

Dung lượng cho các chức năng vật lý
• Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối un
Băng thông RF
DL

2.1.2. Các đặc tỉnh cơ bàn của LTE
20MHz
- Hoạt động ở băng tần: 700MHz - 2,6Ghz.
QPSK, 16QAM, 64QAM

- Tốc độ:

Điều chế

UL

QPSK, 16QAM
+ DL: lOOMbps (ở BW 20MHz)

QPSK,

16QAM,
12
13


2.2. cấu trúc của LTE

[1]

- Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 2.1. So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE
Hình 2.1 cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE. Song song
với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng SAE.
Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi
phí và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP.
Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vô
tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó
là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hồ trợ qua nhũng

kênh gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung
lượng hệ thống trở nên cao hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập
gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện
và giữa nhũng dịch vụ cố định và không dây.
Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng, mạng
14
15


chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi.
Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là EPC.
Mục đích chính của LTE là tối thiếu hóa số node. Vì vậy, người phát trien đã
chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hon NodeB trong mạng truy
nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B).
Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến
LTE, kế cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến.
Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-ƯTRAN bây giờ chỉ còn là SI và X2.
Trong đó SI là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. SI chia làm

<3

r
h
'<
ú
H
-ạ

r
<

Hình 2.2. Cấu trúc cơ bản của LTE

16


Kiến trúc mạng lõi LTE:
Khi bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn LTE RAN, công tác chuẩn hóa mạng lõi cũng
được bắt đầu. Công tác này được gọi là phát triển kiến trúc hệ thống (SAE: System
Architecturre Evolution). Mạng lõi được định nghĩa trong công tác SAE là sự phát
triển triệt để từ mạng lõi GSM/GPRS và vì thế có tên gọi mới lõi gói phát triển
(EPC: Elvolved Packet Core). Phạm vi SAE chỉ bao gồm chuyến mạch gói không
có miền chuyến mạch kênh.

Hình 2.3. Kiến trúc EPS co bản.

Hình 2.4. Cấu hình cho EPS hồ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA
- EPS nối đến LTE RAN qua giao diện SI và đến Internet qua giao diện SGi.
- Ngoài ra EPC nối đến HSS (tưong ứng với HLR trong mạng lõi
GSMAVCDMA)
17


Hình 2.5. Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE

Chức năng các node trong mạng lõi LTE:
Mobilỉty Management Entỉty (MME):

MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng
mặt bằng điều khiến, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên.

Serving Gateway: là node chấm dứt sự truy nhập tù' mạng truy nhập vô tuyến
EUTRAN. Serving Gateway có những chức năng bao gồm:
- Là node hỗ trợ sự chuyến giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong quá
trình thiết bị di động di chuyển.
- Ket thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP (chấm dút sự truy
nhập vô tuyến bởi giao diện S4 và tiếp nhận kênh truyền tải từ mạng 2G, 3G và
PDN Gateway).

18