Giao diện LTE trong hệ thống thông tin di động thế hệ 4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
--------*****--------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
GIAO DIỆN LTE TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 4

HỌC VIÊN: ĐỖ NGỌC ANH

HÀ NỘI - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
GIAO DIỆN LTE TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 4

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã ngành: 60520203

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HOÀI GIANG
HỌC VIÊN THỰC HIỆN: ĐỖ NGỌC ANH

HÀ NỘI - 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả

Đỗ Ngọc Anh


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài “Giao diện LTE trong hệ thống thông tin di
động thế hệ 4”. Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể
lãnh đạo, cán bộ, giảng viên Viện Đại học Mở Hà Nội.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Hoài Giang đã
hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình.
Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo, người đã đem
lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô cùng có ích trong những năm học vừa qua.
Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau
đại học Viện Đại học Mở Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn
bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu
của mình.
Hà Nội, ngày 12 tháng 9 năm 2015


MỤC LỤC

Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các chữ viêt tắt
Danh mục bảng
Danh mục hình
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ 4G VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN ............... 1
1.1.Kiến trúc mạng 4G/LTE .......................................................................... 1
1.1.1.Khái niệm mạng 4G ............................................................................ 1
1.1.2.Các đặc điểm công nghệ 4G ............................................................... 3
1.1.3.Tiêu chuẩn chất lượng hệ thống mạng 4G ......................................... 4
1.1.4.Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống............................................ 5
1.2.Chuẩn giao diện LTE ............................................................................... 9
1.3.ChuẩngiaodiệnWirelessMAN ................................................................ 11
1.4.So sánh các chuẩn giao diện .................................................................. 15
1.5.Quá trình phát triển từ 3G lên 4G .......................................................... 18
1.5.1.Một số đánh giá chọn lựa công nghệ của các nhà cung cấp dịch vụ..... 19
1.5.2.Cáccông nghệ 3G được phát triển để tiến lên 4G.................................. 20
KẾT LUẬN CHƯƠNG I.............................................................................. 24
CHƯƠNG II. KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE ........................ 26
2.1. Các mục tiêu thiết kế LTE ................................................................. 26
2.1.1 Mục tiêu .............................................................................................. 26
2.1.2. Kiến trục mạng LTE .......................................................................... 27
2.1.3. Các thực thể trong LTE...................................................................... 28
2.2. Một số công nghệ quan trọng trong LTE .............................................. 30


2.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE......................................................... 33
2.4. Truy nhập vô tuyến LTE....................................................................... 35

2.4.1. Các chế độ truy nhập vô tuyến ........................................................ 35
2.4.2. Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA ........................ 36
2.4.3. Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA .... 40
2.4.4. Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống ................................................... 44
2.4.5. Kỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA......................... 47
2.4.5.1 SC-FDMA....................................................................................... 48
2.4.5.2. Các tham số SC-FDMA ................................................................ 48
2.4.6. Truyền dẫn dữ liệu hướng lên ........................................................ 50
2.4.7. Kỹ thuật MIMO ................................................................................ 53
2.5. Lớp vật lý trong LTE ............................................................................ 55
2.5.1. Sơ đồ truyền dẫn đường xuống ....................................................... 58
2.5.2. Scheme truyền dẫn đường lên ......................................................... 63
KẾT LUẬN CHƯƠNG II ............................................................................ 69
CHƯƠNG III: TRIỂN KHAI 4G TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM... 71
3.1 Triển khai 4G trên thế giới..................................................................... 71
3.2. Thực trạng phát triển mạng thông tin di động tại Việt Nam ................. 77
3.2.1. Xa lộ rộng ......................................................................................... 77
3.2.2. Xu hướng của các nhà mạng tại Việt Nam .................................... 79
3.2.3. Thử nghiệm công nghệ 4G tại Việt Nam ........................................ 80
3.3. Nhu cầu phát triển các dịch vụ tốc độ cao............................................ 81
3.3.1. Ứng dụng của 4G LTE trong việc nâng cao chất lượng thoại ....... 82
3.3.2. Nhu cầu đối với các hệ thống sau 3G ............................................. 84
3.3.3. Tình hình phát triển, sử dụng các thiết bị handheld kết nối mạng
không dây tại Việt Nam ............................................................................. 87
3.4. Lộ trình phát triển mạng thông tin di động lên 4G................................ 88


3.4.1. UMB ................................................................................................. 91
3.4.2. WiMAX IEEE 802.x ........................................................................ 92
3.4.3. 3GPP LTE ......................................................................................... 92

3.4.4. LTE-Advance ................................................................................... 93
3.4.5. So sánh các cách đi lên 4G .............................................................. 95
KẾT LUẬN CHƯƠNG III ........................................................................... 98
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................... 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO


CÁC THUẬT NGỮ TỪ VIẾT TẮT

3GPP

Third Generation Partnership

Tổ chức chuẩn hóa mạng di động thế

Project

hệ thứ 3

AAS

Adaptive Antenna System

Hệ thống antenna thích ứng

ACK

Acknowledgement (In ARQ

Báo nhận (trong giao thức ARQ)

Protocols)
ACLR
AGW
AM

AMC

Adjacent Channel Leakage
Ratio
Access Gateway (In LTE/SAE)
Acknowledged Mode (RLC
Configuration)
Adaptive Modulation And
Coding

Hệ số rò rỉ kênh lân cận
Cổng truy nhập
Chế độ báo nhận (cấu hình RLC)

Mã hóa và điều chế thích nghi

ARQ

Automatic Repeat-Request

Yêu cầu lặp lại tự động

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BER

Bit-Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

BLER

Block-Error Rate

Tỉ lệ lỗi khối

BM-SC

BS

Broadcast/Multicast Service
Center

Trung tâm dịch vụ

broadcast/multicast

Binary Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

Base Station

Trạm gốc


BSC

Base Station Controller

Khối điều khiển trạm gốc

BTC

Block Turbo Code

Mã turbo khối

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

CC

Convolution Code

Mã chập

CDM

Code-Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo mã

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CN

Core Network

Mạng lõi

CPC

Continuous Packet Connectivity Khả năng kết nối gói liên tục

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

CQI

Channel Quality Indicator

Chỉ thị chất lượng kênh truyền

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra tính du tuần hoàn

CS

Circuit Switched

Chuyển mạch kênh

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng

DCH

Dedicated Channel

Kênh dành riêng

DFE

Decision Feedback Equalization Cân bằng hồi tiếp để quyết định

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi fourier rời rạc

DFTS-

DFT-Spread OFDM, See Also

OFDM trải phổ DFT, cũng được xem

OFDM

SC-FDMA

như là SC-FDMA

DL

Downlink

Đường xuống

DL-SCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DPCCH
DPCH

Dedicated Physical Control
Channel
Dedicated Physical Channel

Kênh điều khiển vật lý dành riêng
Kênh vật lý dành riêng


DPDCH

Dedicated Physical Data
Channel

Kênh dữ liệu vật lý dành riêng

DRX

Discontinuous Reception

Sự thu nhận không liên tục

DTCH

Dedicated Traffic Channel

Kênh lưu lượng dành riêng

DTX

Discontinuous Transmission

Sự phát không liên tục

E-DCH

Enhanced Dedicated Channel

Kênh dành riêng nâng cao

eNodeB

E-UTRAN NodeB

NodeB E-UTRAN

EPC

Evolved Packet Core

Lõi gói cải tiến

ETSI

European Telecommunication

Sự phát không liên tục

Standards Institute
FCC
FDD
FDM

FDMA

Federal Communications
Commission
Frequency Division Duplex
Frequency Division
Multiplexing
Frequency Division Multiple
Access

Hội đồng truyền thông liên bang
Song công phân chia theo tần số
Ghép kênh phân chia theo tần số

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FFT

Fast Fourier Transform

GERAN

GSM EDGE RAN

GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

Global Sytem For Mobile

Hệ thống truyền thông di động toàn

Communications

cầu

Hybrid ARQ

ARQ hỗn hợp

GSM
HARQ

Biến đổi fourier nhanh
Mạng truy nhập vô tuyến GSM
EDGE

HSCSD

High Speed Circuit Switched

Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao

Data
HLR

Home Location Register

HS-

High-Speed Downlink Shared

DSCH

Channel

HSDPA
HSPA
HSUPA

IEEE

Thanh ghi định vị thường trú
Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao

High Speed Downlink Packet

Truy nhập gói đường xuống tốc độ

Access

cao

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

High Speed Uplink Packet
Access
Institute Of Electrical And
Electronics Engineers

Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

Viện kỹ sư điện và điện tử

IFFT

Inverse FFT

FFT đảo ngược

IMS

IP Multimedia Subsystem

Hệ thống con đa truyền thông IP

IR

Incremental Redundancy

Sự dư thừa gia tăng

LTE

Long Term Evolution

Sự phát triển dài hạn

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MBMS

MBS

Multimedia Broadcast/Multicast Broadcast đa truyền thông/dịch vụ
Service
Multicast And Broadcast
Service

multicast
Dịch vụ multicast và broadcast

MIMO

Multiple Input Multiple Ouput

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MSC

Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di động

NAK

Negative Acknowledgement (In

Báo nhận thất bại (trong giao thức


ARQ Protocols)
NodeB, a logical node handling
transmission/reception in
NodeB

multiple cells. Commonly, but
not necessarily, corresponding
to a base station

ARQ)
Một node logic điều khiển việc phát
và thu trong nhiều tế bào. Có khi còn
xem như tương ứng với một trạm
gốc.

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Multiplexing

giao

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Multiple Access

trực giao

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Hệ số công suất đỉnh trên trung bình

PAR

Peak to Average Ratio

Hệ số đỉnh trên trung bình

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

PCH

Paging Channel

Kênh tìm gọi

PCI

Pre-conding Control Indication

Chỉ thị điều khiển tìm gọi

OFDM

OFDMA

PDCCH

PDCP

PDSCH

Physical Downlink Control
Channel
Packet Data Convergence
Protocol
Physical Downlink Shared
Channel

Kênh điều khiển đường xuống vật lý

Giao thức hội tụ dữ liệu gói

Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức

PHY

Physical layer

Lớp vật lý

QAM

Quadrature Amplitudr
Modulation

Điều chế biên độ cầu phương


QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RB

Resource Block

Khối tài nguyên

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RLC

Radio Link Protocol

Giao thức liên kết vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Khối điều khiển mạng vô tuyến

ROHC

Robust Header Compression

Nén tiêu đề mạnh mẽ

RRC

Radio Resource Control

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

RS

Reference Symbol

Ký hiệu tham khảo

RSN
SCFDMA
SDMA

Retransmission Sequence
Number
Single Carrier FDMA

Spatial Division Multiple
Access

Số thứ tự truyền lại

FDMA đơn sóng mang
Đa truy nhập phân chia theo không
gian

SFBC

Space Frequency Block Coding

Mã hóa khối không gian-tần số

SIR

Signal To Interference Ration

Hệ số tín hiệu trên nhiễu

SNR

Signal To Noise Ratio

Hệ số tín hiệu trên tạp âm

TD-

Time Dvision-Code Division

Đa truy nhập phân chia theo mã và

CDMA

Multiple Access

thời gian

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia thời gian

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TD-

Time Division-Synchronous

Đa truy nhập phân chia theo mã đồng

SCDMA

Code Division Multiple Access

bộ, phân chia theo thời gian

TF

Transport Format

Định dạng truyền tải

TFC

Transport Format Combination

Sự kết hợp định dạng truyền tải

TM
TTI

Transparent Mode (RLC
Configuration)

Chế độ trong suốt (cấu hình RLC)

Transmission Time Interval

Khoảng thời gian truyền dẫn

User Equipment, the 3GPP

Thiết bị người dùng, tên 3GPP đặt

name for the mobile terminal

cho thiết bị đầu cuối di động

UL

Uplink

Đường lên

UL-SCH

Uplink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường lên

Unacknowledgement Mode

Chế độ không báo nhận (cấu hình

(RLC Configuration)

RLC)

UE

UM

UMTS

UTRA

UTRAN

WCDMA
VoIP

Universal Mobile

Telecommunications System
Universal Terrestrial Radio
Access

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

Universal Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Access Network

toàn cầu

Wideband Code Division

Đa truy nhập băng rộng phân chia

Multiple Access

theo mã

Voice Over IP

Thoại qua IP


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Liệt kê các yêu cầu của IMT –Advanced đặt ra bởi ITU ................ 4
Bảng 1.2: Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP ..................................... 14
Bảng 1.3: So sánh giữa LTE và WiMax ...................................................... 15
Bảng 1.4: So sánh thông số đặc diểm của các hệ thống ................................ 23
Bảng 2.1 Các băng tần FDD và TDD cho LTE............................................. 32
Bảng 2.2 Sơ đồ khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền ..................... 43
Bảng 2.3 Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD ) ................ 44
Bảng 2.4 Các tham số cấu trúc khung đường lên ( FDD&TDD)................... 50


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Tổng quan mạng LTE ..................................................................... 1
Hình 1.2: Hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp (co-operative)........... 5
Hình 1.3: Sử dụng Relay ................................................................................ 6
Hình 1.4: Femtocell trong LTE ...................................................................... 8
Hình 1.5: Các giao diện trong LTE................................................................. 9
Hình 1.6: Công nghệ WiMax hiện nay ......................................................... 14
Hình 1.7: Quá trình phát triển lên 4G ........................................................... 18
Hình 1.8: Sơ đồ phát triển mạng WiMax ...................................................... 21
Hình 2.1. Kiến trúc mạng LTE ..................................................................... 27
Hình 2.2. Các kết nối của P-GW với các nút logic khác và các chức năng
chính ............................................................................................................ 29
Hình 2.3. Kênh logic, kênh truyền tải, kênh vật lý trong LTE ...................... 34
Hình 2.4. Mô tả các trạng thái trong LTE ..................................................... 35
Hình 2.5 So sánh phổ tần của OFDM với FDMA ......................................... 38
Hình 2.6 Biểu diễn tần số - thời gian của một tín hiệu OFDM ...................... 37
Hình 2.7 Các song mang trực giao với nhau ................................................. 38
Hình 2.8 Biến đổi FFT ................................................................................. 38
Hình 2.9 Sơ đồ chuỗi tín hiệu OFDM ........................................................... 39
Hình 2.10 OFDM và OFDMA...................................................................... 40

Hình 2.11 Cấu trúc khung loại ...................................................................... 41
Hình 2.12 Cấu trúc khung loại ...................................................................... 41
Hình 2.13 Cấu trúc khối tài nguyên .............................................................. 43
Hình 2.14 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA......................................... 45
Hình 2.15 Máy phát và thu OFDMA ............................................................ 46
Hình 2.16 Lưới tài nguyên đường lên ........................................................... 49
Hình 2.17 Phát & thu hướng lên của LTE .................................................... 52


Hình 2.18 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO .......................................... 53
Hình 2.19: Ghép kênh không gian .............................................................. 55
Hình 2.20: Cấu trúc miền thời gian LTE ..................................................... 56
Hình 2.21: Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống
trong trường hợp TDD và sự so sánh với FDD ............................................. 58
Hình 2.22: Tài nguyên vật lý đường xuống LTE ......................................... 59
Hình 2.23: Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE ..................................... 60
Hình 2.24: Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE ............ 61
Hình 2.25: Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình
thường, nghĩa là, có 7 ký hiệu OFDM trên 1 khe. ......................................... 63
Hình 2.26: Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống LTE dành cho tiền tố
chu trình bình thường, nghĩa là có 7 ký hiệu OFDM trên 1 khe. ................... 63
Hình 2.27: Kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM........................... 64
Hình 2.28: Kiến trúc miền tần số đường lên LTE ......................................... 66
Hình 2.29: Khung con đường lên LTE và cấu trúc khe. ............................... 67
Hình 2.30: Cấp phát tài nguyên đường lên LTE ........................................... 67
Hình 2.31: Nhảy tần đường lên .................................................................... 68
Hình 3.1: Thị phần của các Vendors trên thế giới ......................................... 72
Hình 3.2: Thị phần 4G LTE trên thế giới năm 2013 ..................................... 72
Hình 3.3: Doanh số từ dịch vụ 4G LTE ........................................................ 73
Hình 3.4: Sơ đồ tóm lược phát triển của mạng thông tin di động từ 1G lên 4G

..................................................................................................................... 88
Hình 3.5 : Tốc độ bit và sự phát triển di động đến IMT-Advance ................. 90
Hình 3.6: Sơ lược sự phát triển công nghệ từ 1G lên 4G .............................. 91


CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ 4G VÀ LỘ TRÌNH
PHÁT TRIỂN
1.1.

Kiến trúc mạng 4G/LTE

Hình 1.1: Tổng quan mạng LTE
1.1.1. Khái niệm mạng 4G
LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là Tiến hóa dài
hạn), công nghệ này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhưng thực
chất LTE mới chỉ được coi như 3,9G). 4G LTE là một chuẩn cho truyền thông
không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ
liệu. Nó dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE nhờ sử
dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác như lập
lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung
lượng và tốc độ dữ liệu. Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức 3GPP (Dự án đối tác

1


thế hệ thứ 3) ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của
Phiên bản 8 (Release 8), với những cải tiến nhỏ được mô tả trong Phiên bản 9.
Dịch vụ LTE thương mại đầu tiên trên thế giới được hãng TeliaSonera giới
thiệu ở Oslo và Stockholm vào ngày 14/12/2009. LTE là hướng nâng cấp tự nhiên
cho các sóng mang với các mạng GSM/UMTS, nhưng ngay cả các nhà mạng dựa trên

công nghệ CDMA như Verizon Wireless (hãng này đã khai trương mạng LTE quy
mô lớn đầu tiên ở Bắc Mỹ vào năm 2010), và au by KDDI ở Nhật cũng tuyên bố họ
sẽ chuyển lên công nghệ LTE. Do đó LTE được dự kiến sẽ trở thanh tiêu chuẩn điện
thoại di động toàn cầu thực sự đầu tiên, mặc dù việc sử dụng các băng tần khác nhau
tại các quốc gia khác nhau sẽ yêu cầu điện thoại di động LTE phải làm việc được ở
các băng tần khác nhau tại tất cả các quốc gia sử dụng công nghệ LTE.
Dù đóng mác là dịch vụ không dây 4G, nhưng chỉ tiêu kỹ thuật của LTE quy
định trong loạt tài liệu Phiên bản 8 và 9 của 3GPP, không đáp ứng các yêu cầu kỹ
thuật của liên minh 3GPP đã áp dụng cho thế hệ tiêu chuẩn mới, và được quy định
bởi tổ chức ITU-R trong các đặc tả kỹ thuật IMT-Advanced. (theo Wikipedia)

Khái niệm mạng 4G giản đơn:
Mạng 4G có băng thông rộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, chuyển giao
nhanh hơn và không gián đoạn, cung cấp dịch vụ liên tục giữa các hệ thống và các
mạng.
Mạng 4G bao gồm tất cả các hệ thống của các mạng khác nhau, từ mạng công cộng
đến mạng riêng, từ mạng băng rộng có quản trị mạng đến mạng cá nhân và các
mạng Ad-hoc.
Các hệ thống 4G sẽ hoạt động kết hợp với các hệ thống 2G và 3G cũng như các hệ
thống phát quảng bá băng rộng khác. Thêm vào đó, mạng 4G là mạng Internet di
động hoàn toàn dựa trên IP.
Hiện thế giới đang tồn tại 2 chuẩn công nghệ lõi của mạng 4G là WiMax và
Long Term Evolution (LTE). WiMax là chuẩn kết nối không dây được phát triển

2


bởi IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) còn LTE là chuẩn do
3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng sử dụng công nghệ GSM. Cả
WiMax và LTE đều sử dụng các công nghệ thu phát tiên tiến để nâng cao khả năng

bắt sóng và hoạt động của thiết bị, mạng lưới. Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều sử
dụng một dải băng tần khác nhau.
1.1.2. Các đặc điểm công nghệ 4G

Hỗ trợ lưu lượng IP
Sự xuất hiện của dịch vụ VoIP cho thấy việc truyền thoại có thể dễ dàng thực
hiện qua mạng IP chuyển mạch gói. Kiến trúc mạng 4G được xây dựng với mục
tiêu cung cấp dịch vụ IP chất lượng cao.

Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau
Trong các hệ thống 4G, sử dụng nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác
nhau. Xu hướng hiện nay là sử dụng phổ tần trong băng tần không cần cấp
phép ISM (Industrial, scientific and medical radio bands): công nghệ Bluetooth
(IEEE 802.15.1), tiêu chuẩn IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g. Nút
mạng 4G có thể thích ứng các khả năng để khai thác một cách hiệu quả cả các dải
tần còn trống.

Hỗ trợ tính di động tốt
Trong các hệ thống 4G, người dùng sẽ di động trong một vùng có kích thước
đáng kể và giao tiếp thông qua các thiết bị đầu cuối vô tuyến. Người dùng phải có
khả năng liên lạc bằng một số nhận dạng duy nhất. Như vậy, mạng 4G sẽ phải có
một phương tiện phù hợp để nhận dạng người dùng và cho phép người dùng điều
khiển số nhận dạng và thực hiện ánh xạ một cách hiệu quả đến điểm đích chung.

Không cần liên kết điều khiển
Trong trường hợp của băng tần ISM thì có thể lập mạng Ad-hoc từ một
nhóm nút, cho phép các nút giao tiếp trực tiếp với nhau, thậm chí các nút có thể
cộng tác với nhau, chuyển tiếp lưu lượng của nhau.
3

Hỗ trợ bảo mật đầu cuối –đầu cuối
Trong các mạng 4G, yêu cầu về bảo mật lớn hơn rất nhiều so với mạng 3G
do mạng 4G có kiến trúc mở. Do đó cần phải có một môđun bảo mật tích hợp để
bảo vệ dữ liệu giữa các mạng khác nhau và hơn nữa là một mô hình b ảo mật để bảo
vệ nhiều thực thể. Các nút di động và cố định sẽ tương tác với nhau không cần liên
hệ với điều hành mạng. Các giao thức và thủ tục phải có khả năng cho phép người
dùng trong các nút mạng này nhận thực đủ thông tin đểnhận dạng người dùng và có
thể kết nối. Đây chính là tính năng bảo mật đầu cuối –đầu cuối.
1.1.3. Tiêu chuẩn chất lượng hệ thống mạng 4G
Bảng 1.1: Liệt kê các yêu cầu của IMT –Advanced đặt ra bởi ITU
Các tiêu chuẩn chất lượng

Tiêu chuẩn IMT -Advanced

Tốc độ đường xuống-Peak Data Rate (Downlink)

1 Gbps

Tốc độ đường lên - Peak Data Rate (Uplink)

500 Mbps

Cấp phát phổ tần

> 40 MHz

Độ trễ (User Plane)

10 ms

Độ trễ (Control Plane)

100 ms

Hiệu suất phổ đỉnh (Downlink)

15 bps/Hz (4x4)

Hiệu suất phổ đỉnh (Uplink)

6,75bps/Hz (2x4)

Hiệu suất phổ trung bình (Downlink)

2,2 bps/Hz (4x2)

Hiệu suất phổ trung bình (Uplink)

1,4 bps/Hz (2x4)

Hiệu suất phổ tại biên tế bào (Downlink)

0,06 bps/Hz (4x2)

Hiệu suất phổ tại biên tế bào (Uplink)

0,03 bps/Hz (2x4)

Khả năng di chuyển

Tới 350 km/h

4


1.1.4. Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống
Kết hợp băng thông
Giải pháp này nhằm mục đích đạt được yêu cầu về tốc độ dữ liệu đỉnh (peak
data rate). Việc kết hợp băng thông 100MHz có tương lai không chắc chắn lắm do
chi phí phát sinh và sự phức tạp đối với UE. Việc kết hợp băng thông ở các kênh
tần số 20 MHz là phương án khả quan hơn vì dễ tìm kiếm phổ tần.
Hệ MIMO bậc cao và định hướng búp sóng
LTE phiên bản 8 hỗ trợ tới 4 máy thu và máy phát trên eNB, tới 2 máy phát
và 4 máy thu cho UE. Khả năng tăng độ lợi thu từ các hệ MIMO và từ điều
khiển búp sóng (beamsteering) là hàm của số lượng các ăng ten. Đề xuất có thể tăng
con số này của hệ thống lên đến 8x8 với eNB và 4x4 cho UE. Tại eNB, ăngten 4x
đang được sử dụng. Nếu tăng lên 8xphải lắp đặt thêm một số thiết bị trên cột để
tránh chi phí khităng thêm cáp. Sự tiêu hao công suất của hệ thống MIMO cũng là
một yếu tố cần phải xem xét. Một vấn đề nữa đó là sự cân bằng thích hợp giữa số
ăngten trên một sector và số sector trên một cell. Ngoài ra tạiUE, vấn đề chính với
hệ MIMO bậc cao là không gian yêu cầu cho các ăng ten, có thể giải quyết bằng sử
dụng ăng ten trực giao.
Hệ MIMO phối hợp
Sự khác biệt giữa hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp được thể hiện
trên hình 1.2:

Hình 1.2: Hệ MIMO tiêu chuẩn và hệ MIMO phối hợp (co-operative)

5

Sự khác nhau rõ ràng nhất là ở hệ MIMO phối hợp, thiết bị phát không đặt
gần nhau về mặt vật lý. Hệ MIMO nhiềungười dùng trong đường uplinkcũng có các
thiết bị phát độc lập theo các UE khác nhaunhưng không có khả năng chia sẻdữ liệu
giữacác UE để phục vụ mục đích phối hợp tiền mã hóa.Tình huống này có thể khả
thi trong đường downlink vì không thể chia sẻ dữ liệu băng gốc giữa các UE
riêng biệt. Mặc dù hệ MIMO phối hợp đường downlink là khả thi, nó cũng đặt ra
thách thức mới cho việc truyền tin của inter-eNB (giao diện X2). Có thể coi MIMO
phối hợp là một dạng nâng cấp của kỹ thuật phân tập vĩ mô (macro diversity) được
dùng để chuyển giao mềm.
Sử dụng Relay
Một phương pháp khác để mở rộng vùng phủ sóng trong các điều kiện khó
triển khai là sử dụng relay.

Hình 1.3: Sử dụng Relay
Phương pháp đơn giản nhất là sử dụng một bộ lặp (repeater) làm nhiệm vụ
nhận, khuếch đại và truy ền lại tín hiệu downlink và uplink để khắc phục tình trạng
phủ sóng yếu.

6


Bộ lặp có thể đặt ở biên tế bào hoặc ở địa điểm nằm trong vùng phủ sóng yếu,
chúng có thể tăng vùng phủ sóng nhưng không tăng được dung lượng.
Các relay hiện đại hơn có thể giải mã sự truyền trước khi truy ền lại chúng,
giúp lựa chọn đường truy ền đến và từ UE đến trạm relay do đó giảm được can
nhiễu.
Khái niệm trạm relay có thể áp dụng trong triển khai mật độ thấp nếu như sự thiếu
vắng của một đường backhaul thích hợp sẽ dẫn đến mạng di động không hoạt động

được.
Mạng tự tối ưu hóa
Ngày nay các hệ thống thông tin di động tế bào ngày càng được tập trungvà
việc đưa thêm các node vào mạng sẽ gây tốn kém về tài chính và thời gian.Một tính
năng đang được xem xét của LTE –Advanced là khái niệm “Mạng tự tối ưu hóa”
(Self Optimizing Network –SON). Lợi ích của nó là giúp giảm ảnh hưởng của việc
đưa thêm các node mới vào mạng.
Các khái niệm này được đề cập đến ở phiên bản 8 và tiếp tục trong các phiên
bản 9 và 10.
Sử dụng Femtocell
Một giải pháp hiệu quả choviệc nâng cao chất lượng dịch vụ là sử dụng
“femtocell” hay Home Node B (HNB) hoặc Home eNB. 3GPP làm việc với
femtocellbao gồm cả trong UMTS vẫn đang tiến triển ở phiên bản 8 và tiếp tục ở
phiên bản 9 với Home eNB. Khả năng xuất hiện femtocelltrong công nghệ LTE
ngay từ banđầu là cao hơn so với việc đưa vào một hệ thống đã tồn tại như UMTS
hay GSM. Trên quan điểm triển khai vô tuyến, femtocell hoạt động trên một diện
tích nhỏ trong một cell lớn. Khái niệm femtocell về cơ bản khác biệt so với
relaying vì femtocellkết nối trở lại với mạng lõi được cung cấp cục bộ bởi một
đường kết nối Internet DSL có sẵn chứ ít khi kết nối qua không gian về macrocell.
Phần lớn femtocellđược triển khai trong nhà nên có sự cách ly giữa femtocellvà

7


macrocell. Việc triển khai femtocell/hotspot không phải là để cạnh tranh với
micro/macro cellmà là để bổ sung, đảm bảo chất lượng hệ thống.
Điều phối và gạt nhiễu
Sự áp dụng công nghệ OFDMA vào hệ thống thông tin di động tổ ong (bắt
đầu từ 802.16e và tiếp tục với LTE/SAE) đã làm thay đổi lớn về gạt nhiễu ở biên tế
bào. Trong kỹ thuật OFDMA khả năng lập lịch chọn tần với kênh truyền đã mở ra

khả năng về tối ưu hóa các thông số trong tế bào nhưng nhiễu đồng kênh trong tế
bào trở nên biến đổi nhiều hơn. Việc nghiên cứu các tác động của loại nhiễu này
vẫn đang được tiến hành.

Hình 1.4: Femtocell trong LTE
Phương pháp bảo vệ khỏi nhiễu của các tế bào trong hệ thống CDMA bằng
cách làm trắng nhiễu dựa trên mã trộn tần không khả dụng trên truy ền tin
OFDMA băng hẹp, làm tăng nguy cơ xuất hiện nhiễugiữa các tín hiệu băng hẹp.
Biện pháp khắc phục loại nhiễu này bao gồm việc tạo ra một đường truyền ổn định
bằng cách trải thông tin trên một sự cấp phát rộng hơn. Các phương pháp khác để
gạt nhiễu vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu.

8