Nghiên cứu triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4g trên băng tần 700 MHZ (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
--------------

NGUYỄN VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
BĂNG RỘNG 4G TRÊN BĂNG TẦN 700 MHZ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
--------------

NGUYỄN VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
BĂNG RỘNG 4G TRÊN BĂNG TẦN 700 MHZ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ:

0

60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐINH CHÍ HIẾU

HÀ NỘI - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi 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 cứ công trình nào.
TÁC GIẢ

Nguyễn Văn Hiếu


ii

LỜI CẢM ƠN
Qua luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Đinh Chí Hiếu – Bộ Thông
tin & Truyền thông đã tận tình giúp đỡ, động viên, định hướng, hướng dẫn Tôi
nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, các thầy cô giáo khoa Viễn thông Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã giảng dạy và giúp đỡ Tôi trong hai năm học
qua, cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn đồng nghiệp.
Trong quá trình nghiên cứu của mình, mặc dù được sự hướng dẫn rất nhiệt
tình, đầy trách nhiệm của TS.Đinh Chí Hiếu và các thầy cô giáo trong Học viện
Công nghệ Bưu Chính Viễn thông cùng với sự nỗ lực của cá nhân nhưng cũng
không thể tránh được những thiếu sót. Tác giả chân thành mong nhận được những ý

kiến đóng góp từ quý Thầy, Cô và các bạn bè đồng nghiệp.
Trân trọng cảm ơn.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii
MỤC LỤC ...........................................................................................................................iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .....................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................ ix

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 4G...................2
1.1. Tổng quan về mạng 4G LTE ............................................................................2
1.1.1. Giới thiệu về mạng 4G ..............................................................................2
1.1.2. Giới thiệu về công nghệ LTE ....................................................................4
1.1.3. Quy hoạch mạng 4G LTE........................................................................13
1.2. Nhu cầu bổ sung phổ tần số cho thông tin vô tuyến băng rộng 4G ...............15
1.2.1. Quy hoạch mạng 4G LTE........................................................................15
1.2.2. Tăng trưởng thuê bao di động ở Việt Nam .............................................19
1.2.3. Đánh giá về nhu cầu phát triển vô tuyến băng rộng ở Việt Nam ...........21
1.3. Xu hướng quy hoạch băng tần 700 MHz .......................................................25
1.3.1. Các kết quả nghiên cứu của APT ............................................................25
1.3.2. Các kết quả nghiên cứu của ITU-R WP5D .............................................25
1.3.3. Thị trường thiết bị đầu cuối và mạng sử dụng băng tần 700/800 cho IMT ..27
1.3.4. Quy hoạch băng tần 700/800 MHz tại Việt Nam ....................................28
1.4. Kết luận chương .............................................................................................29

CHƢƠNG 2: GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI .............................................................30
2.1. Xu hướng triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G ........................30
2.1.1. Băng tần 1800 MHz ................................................................................31
2.1.2. Băng tần 900 MHz ..................................................................................32
2.1.3. Băng tần 700 MHz ..................................................................................33
2.2. Phân bổ các kênh trên băng tần 694 – 790 MHz............................................34


iv

2.2.1. Phân bổ các kênh cho MFCN .................................................................34
2.2.2. Lựa chọn thay thế cho PMSE, PPDR, M2M và các dịch vụ khác ..........35
2.3. Các tham số tối thiểu ......................................................................................36
2.3.1. Phương pháp xác định các các tham số tối thiểu ...................................36
2.3.2. Xem xét các thông số cùng tồn tại bắt nguồn từ BEM ............................38
2.3.3. Thông số kỹ thuật chung cho các trạm gốc.............................................38
2.3.4. Thông số kỹ thuật chung cho các thiết bị đầu cuối .................................45
2.4. Các yêu cầu cơ bản .........................................................................................47
2.4.1. Các yêu cầu cơ bản về BS cho tần số đường lên FDD ...........................47
2.4.2. Các yêu cầu cho trạm đầu cuối trên các tần số được sử dụng như băng
bảo vệ ................................................................................................................49
2.4.3. PMSE trên băng tần 700 MHz ................................................................51
2.5. Kết luận chương .............................................................................................53
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................................54
3.1. Tổng quan về seamcat ....................................................................................54
3.1.1. Mô phỏng Monte-Carlo ..........................................................................54
3.1.2. Kịch bản cơ bản ......................................................................................54
3.1.3. Phương pháp liên quan đến tiêu chí (C/I) ..............................................55
3.1.4. Các thành phần nhiễu .............................................................................57
3.2. Mô phỏng tác động của MFCN trên băng tần 700 MHz lên PMSE ..............59

3.2.1. Xây dựng kịch bản ...................................................................................59
3.2.2. Kết quả mô phỏng ...................................................................................61
3.3. Mô phỏng kịch bản cùng tồn tại .....................................................................61
3.3.1. Xây dựng kịch bản ...................................................................................61
3.3.2. Kết quả mô phỏng ...................................................................................67
3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng............................................................................70
3.5. Kết luận chương .............................................................................................70
KẾT LUẬN ..............................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................72


v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt
APT

ACLR
BEM

Tiếng Anh
Asia-Pacific Telecommunity
Adjacent Channel Leakage
Ratio
Block Edge Mask
European Committee for

CENELEC

Standardisation/European

Committee for Electrotechnical
Standardisation
European Conference of Postal

CEPT

and Telecommunications
Administrations

Tiếng Việt
Liên minh Viễn thông Châu Á –
Thái Bình Dương
Tỷ lệ rò kênh lân cận giới hạn
Mặt nạ biên khối
Ủy ban Châu Âu về tiêu chuẩn
hóa/Ủy ban Châu Âu về tiêu chuẩn
kỹ thuật điện
Hội nghị Châu Âu về quản lý bưu
chính và viễn thông

DL

Downlink

Đường xuống

DTT

Digital Terrestrial Television

Truyền hình số mặt đất

Digital Video Broadcasting -

Quảng bá video số mặt đất thế hệ

Terrestrial second generation

thứ hai

European Commission

Ủy ban Châu Âu

DVB-T2
EC
ECC

ECS

e.i.r.p.

ETSI
EPC

Electronic Communications
Committee
Electronic Communications
Service
equivalent isotropically radiated

power

Ủy ban truyền thông điện tử
Dịch vụ truyền thông điện tử
Công suất phát xạ đẳng hướng

European Telecommunication

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu

Standard Institute

Âu

Evolved Packet Core

Mạng lõi gói phát triển


vi

E-UTRA
FDD
GSA
HSS
HSPA

IMT

LRTC

Evolved UMTS Terrestrial

Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn

Radio Access

cầu phát triển

Frequency Duplex Division

Song công phân chia tần số

Global mobile Suppliers

Hiệp hội các nhà cung cấp di động

Association

toàn cầu

Home Subscriber Server

Máy chủ thuê bao

High Speed Downlink Packet
Access
International Mobile
Telecommunications
Least Restrictive Technical

Conditions

Truy nhập gói tốc độ cao
Viễn thông di động quốc tế
Tham số kỹ thuật tối thiểu

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MFCN

Mobile/Fixed Communication
Network

Mạng truyền thông di động/cố định

MIMO

Multiple Input Multiple Ouput

Đa đầu vào đa đầu ra

MME

Mobility Management Entity

Phần tử quản lý tính di động

M2M

Machine-to-machine

Máy-Máy

Peak-to-Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

PAPR

trung bình thấp

Policyand Charging Rules

Chức năng tính cước tài nguyên và

Function

chính sách

Packet Data Network Gateway

Cổng mạng dữ liệu gói

PAPR

PCRF
P-GW
PMSE

PPDR

Programme Making and Special Sản xuất chương trình và tổ chức
Events

các sự kiện đặc biệt

Public Protection and Disaster

Bảo vệ công cộng và ứng cứu thiên

Relief

tai


vii

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

SAE

System Architecture Evolution

Phát triển kiến trúc hệ thống

SEM

Spectrum Emission Mask

Mặt nạ phát xạ phổ

RLC

Radio Link Control

Điều khiển kết nối vô tuyến

SDL

Supplemental Downlink

Bổ sung đường xuống

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia thời gian

TRP

Total Radiated Power

Tổng công suất bức xạ

TS

Terminal Station

Trạm đầu cuối

UE

User Equipment

Thiết bị đầu cuối

UL

Uplink

Đường lên

UMB

Ultra Mobile Broadband

Siêu băng rộng di động

Universal Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Telecommunications System

cầu

Universal Terrestrial Radio

Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn

Access

cầu

Universal Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

Access Network

toàn cầu

Wireless broadband

Vô tuyến băng rộng

World Radiocommunications

Hội nghị vô tuyến thế giới năm

Conference 2015

2015

UMTS

UTRA

UTRAN
WBB
WRC-15


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các thông số lớp vật lý LTE ................................................................................. 6
Bảng 1.2: Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp............................................................................... 7
Bảng 1.3: Lưu lượng dữ liệu sử dụng đối với từng loại thiết bị theo từng năm .................. 18

Bảng 1.4: Tổng nhu cầu phổ tần tới năm 2020 .................................................................... 19
Bảng 2.1: Các thành phần BEM BS .................................................................................... 39
Bảng 2.2: Giới hạn công suất trong khối tại BS .................................................................. 40
Bảng 2.3: Yêu cầu cơ bản của BS........................................................................................ 41
Bảng 2.4: Yêu cầu cơ bản của BS trong dải tần 733-788 MHz ........................................... 42
Bảng 2.5: Các yêu cầu chuyển tiếp BS trên 788 MHz ........................................................ 42
Bảng 2.6: Yêu cầu BS cho phần khoảng cách song công không được sử dụng bởi SDL ... 43
Bảng 2.7: Các yêu cầu về BS cho băng bảo vệ.................................................................... 44
Bảng 2.8: Các yêu cầu cơ bản về BS đối với phổ tần DTT ................................................. 44
Bảng 2.9: Giới hạn phát xạ không mong muốn trong khối ở TS ......................................... 45
Bảng 2.10: Yêu cầu TS cho băng bảo vệ (694-703 MHz) ................................................... 45
Bảng 2.11: Các yêu cầu về TS cho khoảng cách song công (733-758 MHz) ..................... 46
Bảng 2.12: Các yêu cầu phát xạ không mong muốn cho TS trên tần số bị chiếm bởi phát
thanh truyền hình............................................................................................... 46
Bảng 2.13: Các tham số cho tính toán MCL của BS đến BS gây nhiễu .............................. 48
Bảng 2.14: Tổng hợp mặt nạ phổ phát xạ không mong muốn E-UTRA ............................. 49
Bảng 2.15: Mức độ phát xạ không mong muốn đưa ra ....................................................... 50
Bảng 2.16: Các yêu cầu về tần số sử dụng như băng bảo vệ ............................................... 50
Bảng 2.17: Hạn chế công suất cho thiết bị microphone cầm tay ......................................... 52
Bảng 2.18: Hạn chế công suất đối với microphone đeo trên người ..................................... 52
Bảng 3.1: Kịch bản cùng tồn tại giữa PMSE và LTE UE [12] ............................................ 59
Bảng 3.2: Các tham số cho UE MFCN ................................................................................ 60
Bảng 3.3: Các giá trị điều khiển công suất UE MFCN........................................................ 60
Bảng 3.4: Các tham số của thiết bị nhận PMSE .................................................................. 60
Bảng 3.5: Thiết bị DVB-T thu đặt trên mái nhà cố định ..................................................... 62
Bảng 3.6: Mặt nạ DTT Tx (GE06) ...................................................................................... 64
Bảng 3.7: Tham số hệ thống UL MFCN ............................................................................. 65
Bảng 3.8: Mặt nạ thu BS LTE 10MHz [9] .......................................................................... 66
Bảng 3.9: Mô hình truyền dẫn được sử dụng trong mô phỏng ............................................ 66
Bảng 3.10: Kết quả trường hợp mặt nạ Tx DTT quan trọng ............................................... 69

Bảng 3.11: Kết quả trường hợp mặt nạ Tx DTT không quan trọng .................................... 69


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc UMTS và LTE ............................................................................. 8
Hình 1.2: Giao thức của UTRAN ............................................................................ 11
Hình 1.3: Giao thức của E-UTRAN ......................................................................... 11
Hình 1.4: Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP ............................. 12
Hình 1.5: Quy hoạch và xây dựng mạng.................................................................. 13
Hình 1.6: Dự báo tăng trưởng thuê bao di động toàn cầu (nguồn Ericsson) ........... 16
Hình 1.7: Dự báo tăng trưởng lưu lượng vô tuyến băng rộng toàn cầu (nguồn Cisco)
................................................................................................................. 17
Hình 1.8: Dự báo tăng trưởng lưu lượng vô tuyến băng rộng theo khu vực (nguồn
Cisco) ....................................................................................................... 18
Hình 1.9: Thị phần thông tin di động ....................................................................... 19
Hình 1.10: Tăng trưởng thuê bao 3G (triệu thuê bao) ............................................. 20
Hình 1.11: Tỷ lệ sử dụng điện thoại thông minh theo thị trường ............................ 22
Hình 1.12: Tỷ lệ sử dụng smartphone theo nhóm tuổi ............................................. 22
Hình 1.13: Tỷ lệ người dùng truy nhập internet theo nhóm tuổi ............................. 23
Hình 1.14:Tỷ lệ sử dụng Internet hàng ngày ........................................................... 23
Hình 1.15: Các hoạt động của người dùng khi truy cập internet (ít nhất 1 lần/tháng)
................................................................................................................. 24
Hình 1.16: Các hoạt động của người dùng khi truy cập internet (ít nhất 1 lần/tháng)
................................................................................................................. 24
Hình 1.17: Kết hợp một phần A1, A3 và toàn bộ A5 .............................................. 25
Hình 1.18: Kết hợp một phần A1, A5 và toàn bộ A3 .............................................. 26
Hình 1.18: Kế hoạch sử dụng tối đa tới 2x40 MHz (694-791MHz) ........................ 26
Hình 1.20: Số liệu thống kê về thuê bao HSPA850MHz (9/2012) .......................... 27

Hình 1.21: Phương án quy hoạch băng 700 MHz của Vùng 3 ................................ 28
Hình 1.22: Phương án quy hoạch băng 800 MHz .................................................... 29
Hình 2.1: Thiết bị LTE ra mắt thị trường ................................................................. 30
Hình 2.2: Phổ tần được dùng để triển khai LTE ...................................................... 31


x

Hình 2.3: Sự phân bổ kênh cho MFCN trên băng tần 700 MHz FDD 2x30MHz và
tùy chọn đường lên bổ sung (SDL) trong khoảng cách song công ......... 34
Hình 2.4: Lựa chọn thay thế cho PMSE, PPDR và M2M ....................................... 35
Hình 2.5:Mô tả một BEM chung.............................................................................. 37
Hình 2.6: Mô tả định tính vào yêu cầu chuyển tiếp ở trên cạnh trên biên băng tần
đường xuống cho các khối MFCN khác nhau ......................................... 43
Hình 3.1: Một nạn nhân điển hình và kịch bản nhiễu cho một mô phỏng thử nghiệm
Monte Carlo ............................................................................................. 55
Hình 3.2: Thuật ngữ sử dụng trong SEAMCAT ...................................................... 55
Hình 3.3: Các tiêu chí nhiễu từ phương pháp tính nhiễu (ICE) ............................... 55
Hình 3.4: Các mức tín hiệu khác nhau ..................................................................... 56
Hình 3.5: Minh họa tóm tắt việc tính toán các tiêu chí nhiễu .................................. 57
Hình 3.6: Ví dụ về nhiễu do các phát xạ không mong muốn ................................... 58
Hình 3.7: Ví dụ về chặn của máy thu nạn nhân ....................................................... 58
Hình 3.8: Ví dụ về kết hợp giữa phát xạ không mong muốn và chặn của máy thu
trong SEAMCAT ..................................................................................... 59
Hình 3.9: Đồ thị xác suất nhiễu theo khoảng cách................................................... 61
Hình 3.10: Phân bổ tần số được xem xét trong phân tích của sự can nhiễu từ DTT
đến đường lên MFCN .............................................................................. 62
Hình 3.11: Kịch bản cùng tồn tại ............................................................................. 62
Hình 3.12: Hình trạng kịch bản mô phỏng............................................................... 67
Hình 3.13: Cường độ tín hiệu nhận mong muốn ..................................................... 67

Hình 3.14: Cường độ tín hiệu nhiễu không mong muốn ......................................... 68
Hình 3.15: Cường độ tín hiệu nhiễu chặn ................................................................ 68
Hình 3.16: Cường độ tín hiệu nhiễu của bộ mô phỏng ............................................ 68
Hình 3.17: Kết quả mô phỏng tổng hợp ................................................................... 69


1

MỞ ĐẦU
Theo lộ trình số hóa truyền hình của Việt Nam từ nay tới 2020 đối với truyền
hình tương tự các kênh tần số dành cho truyền hình tương tự sẽ được giải phòng
theo 4 giai đoạn. Nghĩa là các kênh tần số truyền hình tương tự đang sử dụng băng
700 MHz sẽ ngừng sử dụng giai đoạn sau 2020. Do đó, Việt Nam cần có định
hướng quy hoạch sử dụng băng tần Digital Dividend sớm và cần hài hòa lợi ích
quản lý, lợi ích kinh tế xã hội. Việc lựa chọn phương án quy hoạch hài hòa với khu
vực và trên thế giới sẽ mở đường cho phát triển thông tin di động băng rộng và đem
lại nhiều lợi ích cho người dân.
Với nhiều ưu điểm về đặc tính truyền dẫn, băng tần 700 MHz cho phép vùng
phủ sóng băng rộng di động với chi phí đầu tư hạ tầng mạng thấp, đặc biệt phù hợp
với những khu vực nông thôn [3]. Ngoài ra, nhà khai thác cần ít trạm phát sóng hơn
để cung cấp dịch vụ cho một khu vực so với các băng tần cao hơn; đồng thời chất
lượng tín hiệu trong các tòa nhà cao tầng cũng tốt hơn nhiều so với các băng tần
cao. Điều này sẽ làm giảm giá thành cho dịch vụ băng rộng ở các tòa nhà cao tầng
và ở vùng sâu, vùng xa, nơi mà đầu tư cung cấp hạ tầng băng thông rộng thông qua
cáp hữu tuyến là quá cao. Băng tần Digital Dividend được ITU-R đánh giá là băng
tần tiềm năng cho công nghệ thông tin di động băng rộng (thông tin di động 4G).
Tuy nhiên, khi triển khai thông tin di động băng rộng trên băng tần 700 Mhz
này thì yêu cầu đặt ra là phải nghiên cứu các khía cạnh quy hoạch để đảm bảo sử
dụng tối ưu tài nguyên phổ tần cho thông tin vô tuyến băng rộng trong dải tần 700
MHz. Các điều kiện kỹ thuật cần thiết để đảm bảo tránh gây nhiễu đến các dịch vụ

khác trong dải tần này và các băng tần liền kề. Đặc biệt phải đảm bảo sự bảo vệ
thích hợp cho các dịch vụ phát thanh truyền hình.
Do đó, tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu triển khai mạng thông tin vô
tuyến băng rộng 4G trên băng tần 700 MHz” cho luận văn tốt nghiệp.
Luận văn được chia thành ba chương:


Chương 1: Mạng thông tin vô tuyến băng rộng 4G



Chương 2: Giải pháp triển khai



Chương 3: Mô phỏng và đánh giá


2

CHƢƠNG 1: MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG 4G
1.1. Tổng quan về mạng 4G LTE
1.1.1. Giới thiệu về mạng 4G
4G là hệ thống thông tin băng rộng được xem như IMT tiên tiến (IMT
Advanced) được định nghĩa bởi ITU-R. Tốc độ dữ liệu đề ra là 100Mbps cho thuê
bao di chuyển cao và 1Gbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên
đến trên 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
100Mbps ở đường xuống và 50Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz.
Và sẽ hơn nữa nếu MIMO, các angten mảng được sử dụng. LTE được phát
triển đầu tiên ở hai thủ đô Stockholm và Olso vào ngày 14/12/2009. Giao diện vô
tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access),
bây giờ có tên là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access). Thực tế cho
thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới: AlcatelLucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG
Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu... đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới
(Verizon Wireless, AT&T, France Telecom-Orange, NTT DoCoMo, T-Mobile,
China Mobile, ZTE...) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ
LTE và đã đạt những thành công đáng kể. 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.
Di động WiMAX (IEEE 802. 16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây
băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps
và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz. UMB (Ultra


3

Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc,
Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như AlcatelLucent, Apple, Motorola, NEC
và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA. UMB có thể hoạt động ở băng tần
có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền
dữ liệu lên tới 288 Mbps cho luồng xuống và 75 Mbps cho luồng lên với độ rộng
băng tần sử dụng là 20 MHz. Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB,
mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE.
Mục tiêu và cách tiếp cận
4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không

chỉ là truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, TV
di động mà còn các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các
dịch vụ khác. Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục
bộ và có thể kết nối với hệ thống quảng bá video số.
Các mục tiêu mà 4G hướng đến:
 Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz.
 Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1
Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm.
 Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới.
 Hiệu suất phổ đường truyền là 15 bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở
đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống với băng thông khoảng 67 MHz)
 Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và
2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.
 Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.
 Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng.
 Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực,
tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…
 Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại
 Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa.


4

1.1.2. Giới thiệu về công nghệ LTE
1.1.2.1. Tổng quan về LTE
Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng
không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những
công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế
(ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia
thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE

là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống
tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ
ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền
dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên
WCDMA. Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng
chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu. Hệ thống sử dụng băng
thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA. Thêm vào đó,
FDD (Frequency Division Duplexing) và TDD (Time Division Duplexing), bán
song công FDD cho phép các UE có giá thành thấp. Không giống như FDD, bán
song công FDD không yêu cầu phát và thu tại cùng thời điểm. Điều này làm
giảmgiá thành cho bộ song công trong UE. Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập
phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple
Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên
công suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA.
Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn
lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6.
Mục tiêu của LTE
-

Tốc độ dữ liệu cao

-

Độ trễ thấp

-

Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu
Các đặc tính cơ bản của LTE

-

Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6 GHz.


5

-

Tốc độ:

 DL: 100 Mbps (ở BW 20MHz)
 UL: 50 Mbps với 2 angten thu một angten phát.
-

Độ trễ: nhỏ hơn 5 ms

-

Độ rộng BW linh hoạt:1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz.

Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.
-

Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt

với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần.
-

Phổ tần số:

 Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
 Độ phủ sóng từ 5-100 km
 Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5Mhz.
-

Chất lượng dịch vụ:

 Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.
 VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS.
-

Liên kết mạng:

 Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống
không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
 Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ
nhỏ hơn 300 ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500 ms cho các dịch vụ còn lại.
-

Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm
Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4 MHz đến 20 MHz, điều này có nghĩa

là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Trong thực tế, hiệu suất
thực sự của LTE tùy thuộc vào băng thông chỉ định cho các dịch vụ và không có sự
lựa chọn cho phổ tần của chính nó. Điều này giúp đáng kể cho các nhà khai thác
trong chiến lược về kinh tế và kỹ thuật. Triển khai tại các tần số cao, LTE là chiến
lược hấp dẫn tập trung vào dung lượng mạng, trong khi tại các tần số thấp nó có thể
cung cấp vùng bao phủ khắp nơi. Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần
được sử dụng nào của 3GPP, bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và

6

dải mở rộng (2.5 GHz), cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7-2.1
GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5 MHz được định nghĩa bởi IUT thì phù hợp với
dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5 MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có
tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản
xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ.
Các thông số lớp vật lý của LTE
Bảng 1.1: Các thông số lớp vật lý LTE

Kỹ thuật truy cập

UL

DTFS-OFDM (SC-FDMA)

DL

OFDMA
1.4 MHz, 3 MHz , 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz,

Băng thông

20 MHz

TTI tối thiểu

1 ms

Khoảng cách sóng mang con

15 KHz

Chiều dài CP
Điều chế

Ngắn

4.7 µs

Dài

16.7 µs
QPSK, 16QAM, 64QAM
1 lớp cho UL/UE

Ghép kênh không gian

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


7

Bảng 1.2: Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp

Lớp

1

2

3

4

5

Tốc độ

DL 10

50

100

150

300

đỉnh Mbps

UL 5

25

50

50

75

Dung lượng cho các chức năng lớp vật lý
Băng thông RF

20 MHz

DL
Điều chế

QPSK, 16QAM, 64QAM
QPSK,

UL

QPSK, 16QAM

16QAM,
64QAM

Trên thế giới, 4G đã được triển khai tại nhiều quốc gia và các hãng viễn thông.
Chẳng hạn như Ericsson. Tháng 1/2009, Ericsson và nhà mạng tại Thụy Điển đã
triển khai thương mại TeliaSonera mạng LTE/4G đầu tiên tại Thụy Điển. Tới tháng
1/2010 đã triển khai diện rộng mạng TeliaSonera trên toàn quốc ở Na Uy và Thụy
Điển. Ngoài ra, Ericsson đã ký hợp đồng triển khai LTE trong thời gian tới với các
nhà mạng AT&T (Mỹ), MetroPCS, Verizon Wireless (Mỹ), NTT Docomo (Nhật).
Ericsson cũng đã tiến hành các thử nghiệm LTE/4G với các mạng Telstra, SingTel,
T-Mobile Hungary, Zain Saudia Arabia.

8

1.1.2.2. Cấu trúc của LTE
a) Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 1.1: Cấu trúc UMTS và LTE

Hình 1.1 trên 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 EUTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm
dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những 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 những dịch vụ cố định và
không dây.
Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng, mạng
có thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Những chức
năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập. Còn những chức


9

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 thiểu hóa số node. Vì vậy, người phát triển đã
chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hơn 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, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến.
Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2.
Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia làm
hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME là giao diện
giữa eNodeB và MME. X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau.
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.
MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức
năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên.
Gateway dịch vụ (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói
với E-UTRAN. Nó còn hoạt động như một node định tuyến đến những kỹ thuật
3GPP khác.
P-Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng
về mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là Router đến mạng Internet.
PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra bảng giá
và cấu hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS (the IP Multimedia Subsystem)
cho mỗi người dùng.


10

HSS (Home Subscriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả

dữ liệu của người dùng. Nó là cơ sở dữ liệu chủ trung tâm trong trung tâm của nhà
khai thác.
Các miền dịch vụ bao gồm IMS (IP Multimedia Sub-system) dựa trên các nhà
khai thác, IMS không dựa trên các nhà khai thác và các dịch vụ khác. IMS là một
kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối các dịch vụ
đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng truy nhập
nào. IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA2000, truy
nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũng như
truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS tạo điều kiện cho các hệ thống
mạng khác nhau có thể tương thích với nhau. IMS hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích
cho cả người dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Nó đã và đang được tập trung nghiên
cứu cũng như thu hút được sự quan tâm lớn của giới công nghiệp. Tuy nhiên IMS
cũng gặp phải những khó khăn nhất định và cũng chưa thật sự đủ độ chín để thuyết
phục các nhà cung cấp mạng đầu từ triển khai nó. Kiến trúc IMS được cho là khá
phức tạp với nhiều thực thể và vô số các chức năng khác nhau. IMS dựa trên các
nhà khai thác: là IMS đã được tích hợp sẵn trong cấu trúc của hệ thống 3GPP
IMS không dựa trên các nhà khai thác: là IMS không được định nghĩa trong
các chuẩn. Các nhà khai thác có thể tích hợp dịch vụ này trong mạng của họ. Các
UE kết nối đến nó qua vài giao thức được chấp thuận và dịch vụ video streaming là
1 ví dụ.
Các dịch khác không được cung cấp bởi 3GPP và cấu trúc phụ thuộc vào yêu
cầu của dịch vụ. Cấu hình điển hình sẽ được UE kết nối đến máy chủ qua mạng
chẳng hạn như kết nối đến trang chủ cho dịch vụ lướt web.
b) Giao thức của LTE

Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng như chức năng
của PDCP với mã hóa và chèn tiêu đề. Vì vậy, các giao thức liên quan của lớp vô
tuyến được chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNC bây giờ chuyển thành
giữa UE và eNodeB.

11

Hình 1.2: Giao thức của UTRAN

Hình 1.3: Giao thức của E-UTRAN

Giao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm L1 và
MAC mới.


12

Hình 1.4: Phân phối chức năng của các lớp MAC, RLC, PDCP

Chức năng của MAC(Medium Access Control) bao gồm:
- Lập biểu
- Điều khiển ưu tiên (Priority handling)
- Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC, cũng như
trong WCDMA có chức năng sau:
 Truyền lại trong trường hợp giao nhận ở các lớp thấp (MAC và L1) bị hỏng,
tương tự trong trường hợp ở chế độ ACK của RLC ở UTRAN
 Phân đoạn để phù hợp cho các giao thức đơn vị dữ liệu
 Cung cấp các kênh vật lý cho các lớp cao hơn
Chức năng của PDCP bao gồm:
- Mã hóa (ciphering)
- Chèn tiêu đề


13

Trong suốt năm 2006, PDCP vẫn được giả sử trong mạng lõi, nhưng quyết
định hiện tại là đưa PDCP vào eNodeB bao gồm mã hóa. Điều này làm cho chức
năng vô tuyến của LTE tương tự như của HPSA cải tiến.
Trong giao diện điều khiển, chức năng của giao thức RRC thì cũng giống như
bên UTRAN. Giao thức RRC cấu hình các thông số kết nối, điều khiển báo cáo đo
lường thiết bị đầu cuối, các lệnh chuyển giao…Mã ASN1 được sử dụng cho RRC
của LTE, nó dãn cách sự khác biệt giữa các phiên bản ở đường tương thích lùi.
Giao thức RRC sẽ bao gồm ít trạng thái hơn EUTRAN. Chỉ có trạng thái “tích
cực” hay “rỗi” được dự đoán bởi vì đặc tính linh động của sự phân bố nguồn tài nguyên.
Các trạng thái của RRC trong LTE là:
- RRC-rỗi: thiết bị sẽ quan sát bản tin paging và sử dụng cell cho di động.
Không có RRC nào lưu trữ trong bất kỳ eNodeB cá nhân nào. UE chỉ có duy
nhất một ID nhận dạng nó ở trong vùng di chuyển.
- RRC-kết nối: biết vị trí của UE ở cell nào và dữ liệu được phát và nhận.
Kết nối RRC tồn tại đến một eNodeB. Điều khiển chuyển giao bởi mạng được
sử dụng cho di động.

1.1.3. Quy hoạch mạng 4G LTE

Hình 1.5: Quy hoạch và xây dựng mạng