Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp vật lý đến chất lượng dịch vụ của công nghệ LTE

LỜI CẢM ƠN
Sau 15 tuần tìm hiểu và thực hiện, đồ án “Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp
vật lý đến chất lượng dịch vụ của công nghệ LTE” đã cơ bản hoàn thành. Để đạt
được kết quả này, em đã nỗ lực hết sức đồng thời cũng nhận được rất nhiều
sự quan tâm, giúp đỡ, ủng hộ của các thầy cô, bạn bè.
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Bộ môn Điện Tử Viễn
Thông và Truyền Thông, Khoa Công Nghệ Thông Tin, Trường Đại học Công
Nghệ Thông Tin và Truyền Thông và các thầy cô đặc biệt là Thầy Nguyễn Anh
Tuấn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em hoàn thành đề tài này.
Em xin cảm ơn các bạn bè trong lớp, các anh chị, đóng góp ý kiến cho em
trong quá trình thực hiện đồ án.
Đồ án đã hoàn thành với một số kết quả nhất định, tuy nhiên vẫn không
tránh khỏi sai sót. Kính mong sự cảm thông và đóng góp ý kiến từ các thầy
cô và các bạn.

Thái nguyên, tháng 06 năm 2012
Lê Thị Tươi

1


LỜI CAM ĐOAN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định và đáp ứng được
yêu cầu đề ra, em đã cố gắng tìm hiểu, học hỏi, tích lũy kiến thức đã học. Em có
tham khảo một số tài liệu ðã nêu trong phần “Tài liệu tham khảo” nhưng không
sao chép nội dung từ bất kỳ đồ án nào khác.
Em xin cam đoan đồ án là công trình nghiên cứu của cá nhân nghiên cứu,
xây dựng dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Anh Tuấn. Nội dung lý
thuyết trong đồ án có sự tham khảo và sử dụng của một số tài liệu, thông tin được
đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của đồ
án.

Em xin cam đoan những lời khai trên là đúng, mọi thông tin sai lệch em xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng.

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2012
SVTH: Lê Thị Tươi

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................2
MỤC LỤC ..........................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................5
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................................7
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 15
1.1 Tổng quan về công nghệ LTE ................................................................. 16
1.1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin 4G ................................................... 16
1.1.2 Giới thiệu công nghệ LTE (Long Term Evolution) ............................. 18
1.2 Kiến trúc của công nghệ LTE (Long Term Evolution) .............................. 22
1.2.1 Thiết bị người dùng (UE) ................................................................... 24
1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến phát triển (E-UTRAN).................................. 24
1.2.3 Mạng lõi (EPC - Evolved Packet Core) .............................................. 25
1.3 Tổng kết chương ..................................................................................... 28
2.1 Các kênh truyền tải và ánh xạ của chúng tới các kênh vật lý ..................... 29
2.2. Điều chế .................................................................................................. 31
2.3. Truyền tải dữ liệu người dùng sử dụng đường lên.................................... 32
2.4. Truyền dẫn dữ liệu người dùng sử dụng đường xuống ............................. 34
2.5. Truyền dẫn tín hiệu lớp vật lý hướng lên ................................................. 35
2.6. Cấu trúc PRACH (Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý).............................. 36

2.7. Truyền dẫn báo hiệu lớp vật lý hướng xuống ........................................... 37
2.7.1. Kênh chỉ thị định dạng điều khiển vật lý (PCFICH) .......................... 37
2.7.2. Kênh điều khiển hướng xuống vật lý (PCDCH)................................. 38
2.7.3. Kênh chỉ thị HARQ vật lý (PHICH) .................................................. 40
2.7.4. Kênh quảng bá vật lý (PBCH) ........................................................... 40
2.7.4. Tín hiệu đồng bộ ............................................................................... 40

3


2.8. Các thủ tục lớp vật lý............................................................................... 41
2.8.1. Thủ tục HARQ .................................................................................. 41
2.8.2. Ứng trước định thời ........................................................................... 43
2.8.3. Điều khiển công suất ......................................................................... 44
2.8.4. Hoạt động chế độ bán song công ....................................................... 44
2.8.5. Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm được hỗ trợ ..................... 45
2.9. Đo lường lớp vật lý ................................................................................. 46
2.9.1. Đo lường eNodeB ............................................................................. 46
2.9.2. Đo lường UE ..................................................................................... 47
2.10 Tổng kết chương .................................................................................... 47
3.1 Tổng quan về chất lượng dịch vụ trong công nghệ LTE............................ 48
3.1.1 Khái niệm về chất lượng dịch vụ là gì?............................................... 48
3.1.2 Các tham số QoS trong mạng di động 4G ........................................... 50
3.2 Ảnh hưởng lớp vật lý của công nghệ LTE (Long Term Evolution) đến chất
lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) ......................................................... 52
3.2.1 Mô phỏng các kỹ thuật điều chế LTE để đánh giá chất lượng dịch vụ 56
3.2.2 Nhận xét kết quả mô phỏng các kỹ thuật điều chế LTE để đánh giá chất
lượng dịch vụ .............................................................................................. 64
3.3 Các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng QoS........................................... 67
3.4 Những ảnh hưởng đến QoS khi triển khai công nghệ LTE ở Việt Nam..... 67

3.4.1 Ảnh hưởng đến QoS khi triển khai công nghệ LTE ở Việt Nam ......... 67
3.4.2 Kết quả test công nghệ LTE ở Việt Nam ............................................ 69
3.4.2.1 Thời gian, địa điểm và thiết bị test ................................................... 69
3.5 Tổng kết chương ...................................................................................... 72
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 74

4


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN........ 23
Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN ................................. 23
Hình 1.3: eNodeB kết nối đến các nút logic khác............................................... 25
Hình 2.1: Ánh xạ của các kênh truyền tải hướng lên tới các kênh vật lý ............ 30
Hình 2.2: Ánh xạ các kênh truyền tải hướng xuống tới các kênh vật lý .............. 30
Hình 2.3: Các chòm điểm điều chế trong LTE ................................................... 31
Hình 2.4: Cấp phát tài nguyên hướng lên được điều khiển bởi bộ lập biểu
eNodeB ............................................................................................................. 32
Hình 2.5: Cấu trúc khung LTE FDD .................................................................. 32
Hình 2.6: Tốc độ dữ liệu giữa các TTI theo hướng đường lên ............................ 33
Hình 2.7: Cấp phát tài nguyên đường xuống tại eNodeB .................................. 34
Hình 2.8: Cấu trúc khe đường xuống cho băng thông 1.4MHz .......................... 35
Hình 2.9: Các dạng phần mở đầu LTE RACH cho FDD .................................... 37
Hình 2.10: Vị trí PBCH tại các tần số trung tâm ................................................ 40
Hình 2.11: các tín hiệu đồng bộ trong khung ..................................................... 41
Hình 2.12: Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình.............................................. 42
Hình 2.13: Định thời LTE HARQ cho một gói tin đường xuống duy nhất ......... 42
Hình 2.14: Điều khiển định thời hướng lên ........................................................ 43
Hình 2.15: Công suất hướng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu ...................... 44

Hình 3.1: Khái niệm QoS và mối quan hệ QoS với chất lượng mạng ................. 49
Hình 3.2: mô hình điều chế và giải điều chế QPSK ........................................... 56
Hình 3.3: Mô phỏng điều chế QPSK với SNR = 10 ........................................... 59
Hình 3.4: Mô phỏng điều chế QPSK với SNR = 11 ........................................... 59
Hình 3.5: Mô hình điều chế và giải điều chế QAM ............................................ 60
Hình 3.6 tỷ số SNR = 8...................................................................................... 65
Hình 3.7 tỷ số SNR = 10.................................................................................... 65
Hình 3.8 tỷ số SNR = 11.................................................................................... 65
Hình 3.9 tỷ số SNR = 18.................................................................................... 65
Hình 3.10 tỷ số SNR = 21.................................................................................. 66

5


Hình 3.11 tỷ số SNR = 28.................................................................................. 66
Hình 3.12: Model và thiết bị usb........................................................................ 69
Hình 3.13: Giao diện phần mềm Viettel............................................................. 70
Hình 3.14: Phần mềm quản lý mạng Viettel ...................................................... 70
Hình 3.15 Tốc độ tại server Hà Nội ................................................................... 70
Hình 3.16 Tốc độ tại server Hồ Chí Minh .......................................................... 70
Hình 3.17 Tốc độ tại server Phnom Penh ........................................................... 71
Hình 3.18: Kết quả Thử nghiệm trên speedtest.net tại Hà Nội ........................... 71

6


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Third Generation Partnership
3GPP

Project

Nhóm cộng tác 3GPP
A

ACK

Acknowledgement

Xác nhận

AMPS

Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

ARQ

Automatic Repeat reQuest

Yêu cầu phát lại tự động
B

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh phát quảng bá

BPSK

Binary Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân
C

Constant Amplitude Zero

Mã tự tương quan zero biên độ không đổi

CAZAC

Autocorrelation Codes

CBR

Constant Bit Rate

Tốc độ bít không đổi

CCE

Control Channel Element

Phần tử kênh điều khiển

CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung

CDD

Cyclic Delay Diversity

Phân tập trễ vòng

CDF

Cumulative Density Function

Chức năng mật độ tích lũy

CDM

Code Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo mã

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CIR

Carrier to Interference Ratio

Tỷ số sóng mang trên tập âm

European Conference of Postal
and Telecommunications

Hội nghị Châu Âu về quản lý Bưu chính

CEPT

Administations

Viễn thông

CN

Core network

Mạng lõi

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố vòng

CPICH

Common Pilot Channel

Kênh hoa tiêu chung

CQI

Channel Quality Indicator

Chỉ thị chất lượng kênh

7


CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra dư vòng
D

DCCH

Dedicated Control Channel

Các kênh điều khiển dành riêng

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi fourier rời rạc

Dedicated Physical Control
DPCCH

Channel

Kênh điều khiển vật lý riêng

DRX

Discontinuous Reception

Thu không liên tục

DSL

Digital Subscriber Line

Đường dây thuê bao số

DTX

Discontinuous Transmission

Phát không liên tục

DwPTS

Downlink Pilot Time Slot

Khe thời gian điều khiển đường xuống
E

E-DCH

Enhanced Dedicated Channel

Kênh riêng nâng cao

Enhanced Data rates for GSM
Evolution and Enhanced Data

Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển

EDGE

rates for Global Channel

GPRS

E-

Evolved

UTRAN

Radio Access Network

phát triển

EPC

Evolved Packet Core

Mạng lõi phát triển

UMTS

Terrestrial Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS

F
FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo tần số

Frequency Division Multiple
FDMA

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Frequency Domain Packet
FDPS

Scheduling

Lập biểu gói miền tần số
G

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút cổng hỗ trợ GPRS

GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ vô tuyến gói chung

8


Global System for Mobile
GSM

communications

Hệ thống thông tin di dộng toàn cầu

GW

Gateway

Cổng
H

Hybrid Automatic Repeat
HARQ

reQuest

Yêu cầu lặp lại tự động hỗ hợp

HOM

High Order Modulation

Điều chế bậc cao

High Speed Downlink Packet
HSDPA

Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống

HS-

High Speed Dedicated Physical

DPCCH

Control Channel

Kênh vật lý điều khiển riêng tốc độ cao

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

HS-

High Speed Downlink Shared

DSCH

Channel

Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao

HS-

High Speed Physical Downlink

Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ

PDSCH

Shared Channel

cao

HSS

Home Subscriber Server

Máy chủ thuê bao thường trú

HS-

High Speed Shared Control

SCCH

Channel

Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao

High Speed Uplink Packet
HSUPA

Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường lên
I

EEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

IFFT

Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử

Inverse Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo

IMT

IMS

International Mobile
Telecommunication

Truyền thông di động quốc tế

Internet Multimedia Subsystem

Phân hệ đa phương tiện Internet

9


IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

International
ITU

Telecommunication Union

Tổ chức Viễn thông quốc tế

International
Telecommunication Union ITU-R

Radio

Thông tin vô tuyến - Radio
J
L

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn
M

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

Dedicated Control Channel

MCCH

Các kênh điều khiển dành riêng
Multimedia Broadcast/Multicast

MBMS

Service

Dịch vụ quảng bá /đa phương tiện

MIMO

Multi Input Multi Output

Đa đầu vào đa đầu ra

MM

Mobility Management

Quản lý tính di động

MME

Mobility Management Entity

Thực thể quản lý tính di động

Multi User MIMO

MIMO đa người dùng

MUMIMO

N
NACK

Negative Acknowledgement

Không xác nhận

NAS

Non-access Stratum

Tầng không truy nhập

NMT

Nordic Mobile Telephone

Điện thoại di động Bắc Âu
O

O&M

Operation and Maintenance

Vận hành và bảo dưỡng

Orthogonal Frequency Division
OFDM

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia tần số trực giao

10


Multiple Access
P
PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỉ lệ công suất đỉnh tới trung bình

PAR

Peak-to-Average Ratio

Tỉ lệ đỉnh - trung bình

PBCH

Physical Broadcast Channel

Kênh quảng bá vật lý

PC

Power Control

Điều khiển công suất

Parallel Concatenated

Mã xoắn ghép song song

PCCC

Convolution Coding

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

Physical Control Format
PCFICH

Indicator Channel

Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý

PCH

Paging Channel

Kênh nhắn tin

PCI

Precoding Control Indicator

Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

P-CPICH Primary CPICH

PCRF

Kênh CPICH sơ cấp

Policy and Charging Resource

Chức năng chính sách và tính cước tài

Function

nguyên

Personal Communication
PCS

Services

Dịch vụ truyền thông cá nhân

Physical Downlink Control
PDCCH

CHannel

Kênh điều khiển hướng xuống vật lý

Packet Data Convergence
PDCP

Protocol

Giao thức hội tụ dữ liệu gói

PDN

Packet Data Network

Mạng dữ liệu gói

Physical Downlink Shared
PDSCH

Channel

Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

PDU

Payload Data Unit

Đơn vị dữ liệu tải tin

11


P-GW

Packet Data Network Gateway

Cổng mạng dữ liệu gói

PHICH

Kênh chỉ thị HARQ vật lý

Kênh chỉ thị HARQ vật lý

Physical Random Access
PRACH

Channel

Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

PSS

Primary Synchronization Signal Tín hiệu đồng bộ chính
Physical Uplink Control

PUCCH

Channel

Kênh điều khiển hướng lên vật lý

Physical Uplink Shared
PUSCH

Channel

Chia sẻ hướng lên vật lý
Q

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

Quadrature Permutation
QPP

Polynomial

Đa thức hoán vị cầu phương
R

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển liên kết vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Phần điều khiển mạng vô tuyến

RRM

Radio Resource Management

Quản lý tài nguyên vô tuyến

Reference Symbol Received
RSRP

Power

Công suất thu tín hiệu chuẩn

Reference Symbol Received
RSRQ

Quality

Chất lượng thu tín hiệu chuẩn

Received Signal Strength
RSSI

Indicator

Chỉ thị cường độ tín hiệu nhận được
S

SAE

System Architecture Evolution

Phát triển kiến trúc hệ thống

SC-

Single Carrier Frequency

Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng

FDMA

Division Multiple Access

mang

12


Serving Gateway
S-GW

Cổng phục vụ

SMS

Short Message Service

Dịch vụ nhắn tin ngắn

SON

Self Optimized Networks

Mạng tự tổ chức

SRS

Sounding Reference Signals

Tín hiệu chuẩn thăm dò

Secondary Synchronization
SSS

Signal

Tín hiệu đồng bộ thứ cấp

Single User MIMO

MIMO đơn người dùng

SUMIMO

T
Total Access Communication

Hệ thống truyền thông truy nhập hoàn

TACS

System

toàn

TDD

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia theo thời gian

TDM

Time Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TTI

Transmission Time Interval

Khoảng thời gian truyền dẫn
U

UE

User Eqipment

Thiết bị người dùng

Universal Mobile
UMTS

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di dộng toàn cầu

UpPTS

Uplink Pilot Time Slot

Khe thời gian dẫn hướng đường lên

Universal Terrestrial Radio
UTRAN

Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

Universal Subscriber Identity
USIM

Module

Modun nhận dạng thuê bao toàn cầu
V

VoIP

Voice over IP

Thoại qua IP

13


W
Wideband Code Division

Đa truy nhập phân chia theo mã băng

WCDMA Multiple Access

thông rộng

WLAN

Mạng cục bộ không dây

Wireless Local Area Network

14


LỜI MỞ ĐẦU
Thông tin liên lạc là một nhu cầu của bất kỳ một xã hội phát triển nào. Để
đáp ứng nhu cầu liên lạc ngày càng cao của xã hội, thông tin di động đã được
nghiên cứu và phát triển từ rất sớm, bắt đầu với các hệ thống thông tin di động sử
dụng công nghệ analog, cho đến nay các mạng di động sử dụng công nghệ số
đang được ứng dụng rộng rãi và phát triển vô cùng mạnh mẽ. Một xu hướng rõ
nét trong lĩnh vực thông tin di động hiện nay là các nhà cung cấp dịch vụ ngoài
việc mở rộng dung lượng khai thác hiện có thì việc áp dụng nghiên cứu cũng như
xác định lộ trình phát triển công nghệ để tăng cường khả năng cung cấp đa dịch
vụ tốt hơn đến khách hàng ngày càng được quan tâm nhiều hơn.
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.
Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công
nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần.
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.
Chính vì vậy, em đã lựa chọn làm về đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp vật
lý đến chất lượng dịch vụ của công nghệ LTE”.
Đề tài gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ LTE (Long Term Evolution)
Chương 2: Nghiên cứu lớp vật lý trong công nghệ LTE (Long Term Evolution)

Chương 3: Ảnh hưởng lớp vật lý của công nghệ LTE (Long Term Evolution)
đến chất lượng dịch vụ
Tuy nhiên công nghệ LTE vẫn đang được nghiên cứu, phát triển và hoàn
thiện nên đề tài này chưa đề cập hết các vấn đề của công nghệ LTE và không
tránh khỏi những thiếu sót. Để đề tài được hoàn thiện hơn, em rất mong nhận
được các ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo cũng như các bạn sinh viên.
Em xin chân thành cảm ơn!

15


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE
1.1

Tổng quan về công nghệ LTE

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin 4G
Lịch sử ra đời và sự phát triển của dịch vụ di động từ thế hệ đầu tiên 1G tới
thế hệ 4G trải qua nhiều giai đoạn khác nhau.
Quá trình bắt đầu với các thiết kế đầu tiên được biết đến như là 1G trong
những năm 70 của thế kỷ trước. Các hệ thống ra đời sớm nhất được thực hiện
dựa trên công nghệ tương tự và cấu trúc tế bào cơ bản của thông tin di động.
Nhiều vấn đề có tính nguyên tắc cơ bản đã được giải quyết trong những hệ thống
này. Và có nhiều các hệ thống không tương thích đã được đưa ra cung cấp dịch
vụ trong những năm 80.
Các hệ thống thế hệ thứ 2 (2G) được xây dựng trong những năm 80 vẫn
được sử dụng chủ yếu cho thoại nhưng đã được thực hiện trên cơ sở công nghệ
số, bao gồm các kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Các hệ thống 2G này cung cấp các
dịch vụ thông tin dữ liệu chuyển mạch kênh ở tốc độ thấp. Tính cạnh tranh lại
một lần nữa dẫn tới việc thiết kế và thực hiện các hệ thống bị phân hoá thành các

chuẩn khác nhau không tương thích như: GSM (hệ thống di động toàn cầu) chủ
yếu ở châu Âu, TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian) IS-54/IS-136 ở
Mỹ, PDC (hệ thống di động tế bào số cá nhân) ở Nhật và CDMA (đa truy nhập
phân chia theo mã) IS95, một hệ thống khác tại Mỹ. Các hệ thống này hoạt động
rộng khắp trên lãnh thổ quốc gia hoặc quốc tế và hiện nay chúng vẫn chiếm vai
trò là các hệ thống chủ đạo, mặc dù tốc độ dữ liệu của các thuê bao trong hệ
thống bị giới hạn nhiều.
Bước chuyển tiếp giữa 2G và 3G là 2.5G. Thế hệ 2.5G được phát triển từ
2G với dịch vụ dữ liệu và các phương thức chuyển mạch gói, và nó cũng chú
trọng tới các dịch vụ 3G cho các mạng 2G. Về cơ bản nó là sự phát triển của
công nghệ 2G để tăng dung lượng trên các kênh tần số vô tuyến của 2G và bước
đầu đưa các dịch vụ dữ liệu dung lượng cao hơn vào, có thể nâng tới 384Kbps.
Một khía cạnh rất quan trọng của 2.5G là các kênh dữ liệu được tối ưu hoá cho
dữ liệu gói truy nhập vào Internet từ các thiết bị di động như điện thoại, PDA

16


hoặc máy tính xách tay. Trên cùng một mạng lưới với 2G, thế hệ 2.5G đã đưa
internet vào thế giới thông tin di động cá nhân. Đây thực sự đã là một khái niệm
mang tính cách mạng cho hệ thống viễn thông lai ghép.
Trong thập kỷ 90, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa ra hệ thống di động thế
hệ kế tiếp, thế hệ thứ 3, đã loại trừ được những sự không tương thích của các hệ
thống trước đây và thực sự trở thành hệ thống toàn cầu. Hệ thống 3G có các kênh
thoại chất lượng cao cũng như các khả năng về dữ liệu băng rộng, có thể đạt tới
2Mbps.
Các hệ thống 3G hứa hẹn cung cấp những dịch vụ viễn thông tốc độ cao
hơn, bao gồm thoại, fax và internet ở bất cứ thời gian nào, bất cứ nơi đâu với sự
chuyển vùng roaming toàn cầu không gián đoạn. Chuẩn 3G toàn cầu của ITU đã
mở đường cho các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo (ví dụ loại hình giải trí đa

phương tiện, các dịch vụ dựa trên vị trí,…). Mạng 3G đầu tiên được thiết lập tại
Nhật Bản năm 2001. Các mạng 2.5G, như là GPRS (dịch vụ vô tuyến gói chung)
đã sẵn sàng ở Châu Âu. Công nghệ 3G hỗ trợ băng thông 144Kbps với tốc độ di
chuyển lớn (trên xe hơi), 384Kbps (trong một khu vực), và 2Mbps (đối với
trường hợp trong nhà). Tuy nhiên đòi hỏi của viễn thông đa phương tiện truy
nhập tốc độ cao đối với xã hội ngày nay, phụ thuộc rất lớn vào công nghệ thông
tin số. Theo các con số lịch sử của cuộc cách mạng về công nghệ diễn ra trong 1
thập kỷ thì thời điểm hiện tại chính là thời điểm thích hợp để nghiên cứu hệ
thống thông tin di động 4G.
Hiện nay tốc độ download ở chế độ dữ liệu đang bị giới hạn ở 9.6Kbps,
thấp hơn khoảng 6 lần so với 1 đường kết nối cố định ISDN (Mạng số tích hợp
dịch vụ). Gần đây, với các thiết bị cầm tay 504i tốc độ download dữ liệu đã được
tăng lên 3 lần đạt 28.8Kbps. Tuy nhiên trong thực tế sử dụng tốc độ dữ liệu
thường thấp hơn, đặc biệt là ở những khu vực đông đúc, hoặc là khi mạng bị
“nghẽn”. Tốc độ dữ liệu di động thế hệ 3 là tối đa 384Kbps download, điển hình
là xấp xỉ 200Kbps, và upload đạt 64Kbps từ năm 2001. Thông tin di động thế hệ
4 sẽ có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, dự kiến có thể đạt tới 20Mbps.
3G được các nhà sản xuất đề xuất đầu tiên mà không phải là từ các nhà

17


khai thác. Năm 1996 nó được triển khai nhờ NTT (Hãng điện thoại và điện báo
Nhật Bản) cùng Ericsson, năm 1997 Hiệp hội công nghiệp Viễn thông TIA ở Mỹ
chọn CDMA như là 1 công nghệ cho 3G, năm 1998 CDMA băng rộng (WCDMA) và CDMA2000 được thông qua cho Hệ thống thông tin di động chung
UMTS. Trong đó W-CDMA và CDMA2000 là 2 đề xuất chính của 3G. Tuy
nhiên 3G vẫn tồn tại một số vấn đề khiếm khuyết ở những điểm sau:
 Rất khó cho việc tăng băng thông liên tục và tốc độ dữ liệu cao để đáp
ứng được yêu cầu của các dịch vụ đa phương tiện, cùng với sự tồn tại song song
của các dịch vụ khác nhau cần có băng thông và QoS khác nhau.

 Giới hạn phổ và phân bố phổ.
Trong các lĩnh vực thông tin di động, dịch vụ di động 4G là sự phát triển
của các dịch vụ thông tin di động 3G. Các dịch vụ di động 4G được chào đón bởi
khả năng cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ
cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các
trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ âm thanh số. Việc phát triển công nghệ
giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dich vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ
dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụng
download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode, và công nghệ mã hoá media
chất lượng cao trên nền các mạng di động. Với sự xuất hiện của mạng 4G, nó sẽ
giải quyết được:
o Hỗ trợ các dịch vụ tương tác đa phương tiện: truyền hình hội nghị,
Internet không dây,…
o Băng thông rộng hơn, tốc độ bit lớn hơn.
o Tinh di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ.
o Giá thành hạ.
o Tăng độ khả dụng của hệ thống thông tin di động.
1.1.2 Giới thiệu công nghệ LTE (Long Term Evolution)
1.1.2.1 LTE là gì?
LTE (Long Term Evolution) còn được gọi là EUTRA (Evolved UMTS
Terrestrial Radio Access) hay E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio

18


Access Network) là công nghệ có khả năng cung cấp cho người dùng tốc độ truy
cập dữ liệu nhanh, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến
mới thuận tiện cho việc nâng cấp mạng từ 3G lên 4G.
LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ
thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính

cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, 3GPP sẽ triển khai dự án nhằm xác
định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long
Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí
cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần
hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và
giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
1.1.2.2 Mục tiêu phát triển của công nghệ LTE
Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTE được
tóm tắt trong bảng 1.1.
Băng tần

1.4 – 20 MHz

Song công

FDD, TDD, bán song công FDD

Di động

350km/h

Đa truy nhập

Đường xuống OFDMA
Đường lên SC-FDMA

MIMO

Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4
Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4

Tốc độ dữ liệu đỉnh
trong 20MHz

Đường xuống: 173 và 326 Mbps tương ứng với cấu
hình MIMO 2 * 2 và 4 * 4
Đường lên: 86Mbps với cấu hình 1 * 2 anten

Điều chế

QPSK; 16 QAM và 64 QAM

Mã hóa kênh

Mã tubo

Bảng 1.1: Các đặc điểm chính của công nghệ LTE
19


Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các
gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt
khi triển khai. Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ
lưu lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch
vụ, thời gian trễ tối thiểu.
- Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc
độ dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mbps với cấu hình 4*4 MIMO (multiple
input multiple output) trong vòng 20MHz băng thông. MIMO cho đường lên là
không được sử dụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE. Tốc độ dữ liệu
đỉnh đường lên tới 86Mbps trong 20MHz băng thông.

- Dải tần co giãn được: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở
rộng từ 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz cả chiều lên và
xuống. Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông. Mức
công suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng
không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng.
- Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị
đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm đi
một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ
thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào, chức năng hỗ trợ từ 120
đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần.
- Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển:
 Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển: Giảm
thời gian để một thiết bị đầu cuối (UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái
nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.
 Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong
(ô) hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định.
Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game…, vì cần thời
gian thực. Giao diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ
dưới 10ms cho việc truyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE.

20


- Sẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả sẽ dựa trên IP. Một trong những
tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa
trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Sâu xa hơn, phần lớn công
việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn
tại sang hệ thống toàn IP. Trong 3GPP chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh
hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các
mạng cố định. EPC dựa trên các giao thức TCP/IP - giống như phần lớn các

mạng số liệu cố định ngày nay - vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại,
video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện. Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn
gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông không dây và
cố định khác. VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại.
- Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu
về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động. Phạm vi lên đến 30km thì
có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại
giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu
về độ di động vẫn được đáp ứng. Dung lượng hơn 200 người/ô (băng thông
5MHz).
- Kiến trúc mạng: Sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời, tuy nhiên
mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại.
Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần
thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có.
- OFDMA, SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE: Hệ thống này
hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & SC-FDMA.
Ngoài ra còn có song công phân chia tần số FDD và song công phân chia thời
gian TDD. Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho các người sử dụng
với chi phí thấp không giống như FDD, trong hoạt động bán song công FDD thì
một UE không cần thiết truyền & nhận đồng thời. Điều này tránh việc phải đầu
tư một bộ song công đắt tiền trong UE. Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên
đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng

21


vùng phủ sóng đường lên do tỉ số công suất đỉnh - trung bình thấp (PARR) liên
quan tới OFDMA.
- Giảm chi phí: Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí
trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ.

Các vấn đề đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi
phí, chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ
thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu
như là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng.
- Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải cùng
tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác. Người sử dụng
LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí
khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE.
Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu
vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE. Hơn thế nữa, LTE
hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao
liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.
1.2 Kiến trúc của công nghệ LTE (Long Term Evolution)
Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển
mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu.
Một phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm
cả thoại thông qua các kết nối gói. Kết quả là trong một kiến trúc phẳng hơn, rất
đơn giản chỉ với 2 loại nút cụ thể là nút B phát triển (eNB) và phần tử quản lý di
động/cổng (MME/GW). Điều này hoàn toán trái ngược với nhiều nút mạng trong
kiến trúc mạng phân cấp hiện hành của hệ thống 3G. Một thay đổi lớn nữa là
phần điều khiển mạng vô tuyến (RNC) được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức
năng của nó hiện nay được thành lập ở eNB. Một số ích lợi của một nút duy nhất
trong mạng truy nhập là giảm độ trễ và phân phối của việc xử lý tải RNC vào
nhiều eNB. Việc loại bỏ RNC ra khỏi mạng truy nhập có thể một phần do hệ
thống LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm.

22


Hình 1.1: Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN

Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN
Hình trên miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc
nơi chỉ có một E-UTRAN tham gia. Hình này cũng cho thấy sự phân chia kiến
trúc thành bốn vùng chính: Thiết bị người dùng (UE), UTRAN phát triển (EUTRAN), mạng lõi gói phát triển (EPC), và các vùng dịch vụ.

23


1.2.1 Thiết bị người dùng (UE)
Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ
thống. UE gồm hai phần:
 Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): Là đầu cuối vô tuyến được sử
dụng cho thông tin vô tuyến.
 Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM): Là một thẻ thông minh chứa
thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ
các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.
1.2.2 Mạng truy cập vô tuyến phát triển (E-UTRAN)
E-UTRAN là một cấu trúc phẳng, có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên
quan đến truy cập vô tuyến. UTRAN gồm duy nhất một phần tử là Nút B phát
triển (eNodeB). Các eNodeB kết nối với nhau thông qua đường giao tiếp X2, và
kết nối với EPC bằng đường giao tiếp S1. Bởi vì không còn phần tử điều khiển ở
trung ương trong mạng vô tuyến nữa, nên giờ đây các trạm cơ sở thực hiện chức
năng quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập, và bảo đảm chất lượng dịch vụ.
Chức năng của eNodeB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp là UE và
EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE, và tiếp nhận
dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản tương ứng về phía
EPC. Trong vai trò này các EPC thực hiện mã hóa/giải mã các dữ liệu UP, và
cũng có nén/giải nén tiêu đề IP, tránh việc gửi đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu
liên tiếp trong tiêu đề IP.

eNodeB chịu trách nhiệm về nhiều các chức năng của mặt phẳng điều khiển
(Control Plane) và quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm soát việc sử
dụng giao diện vô tuyến, bao gồm: Phân bố tài nguyên dựa trên yêu cầu, ưu tiên
và lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, và liên tục giám sát tình hình sử
dụng tài nguyên.
Ngoài ra, eNodeB còn có vai trò quan trọng trong quản lý tính di động
(MM). Điều khiển eNodeB và đo đạc phân tích mức độ của tín hiệu vô tuyến
được thực hiện bởi UE. Điều này bao gồm trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa
eNodeB khác và MME. Khi một UE mới kích hoạt theo yêu cầu của eNodeB và

24


kết nối vào mạng, eNodeB cũng chịu trách nhiệm về việc định tuyến lúc này nó
sẽ đề nghị các MME mà trước đây đã phục vụ cho UE, hoặc lựa chọn một MME
mới nếu một tuyến đường đến các MME trước đó không có sẵn hoặc thông tin
định tuyến vắng mặt.
Hình 1.3 cho thấy các kết nối với eNB đã đến xung quanh các nút logic, và
tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này. Các eNodeB có thể phục vụ
đồng thời nhiều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kết nối
tới một eNodeB trong cùng một thời điểm. Các eNodeB sẽ cần kết nối tới các
eNodeB lân cận với nó trong khi chuyển giao có thể cần thực hiện.

Hình 1.3: eNodeB kết nối đến các nút logic khác.
Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại, có nghĩa là một tập hợp các nút
được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNodeB. Tuy nhiên, mỗi UE sẽ
được phục vụ bởi chỉ có một MME và S-GW tại một thời điểm và eNodeB phải
duy trì theo dõi các liên kết này. Sự kết hợp này sẽ không bao giờ thay đổi từ một
điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ có thể thay đổi khi kết hợp
với sự chuyển giao liên eNodeB.

1.2.3 Mạng lõi (EPC - Evolved Packet Core)
Các phần tử chính của mạng gói lõi phát triển như sau:

25