Thiết kế mạng viễn thông 4g tại hải phòng

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN THẾ TÙNG

THIẾT KẾ MẠNG VIỄN THÔNG 4G
TẠI HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HẢI PHÒNG - 2016


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN THẾ TÙNG

THIẾT KẾ MẠNG VIỄN THÔNG 4G
TẠI HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGÀNH: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ;

MÃ SỐ: 6052023

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Người hướng dẫn khoa học: PGS, TS.Trần Xuân Việt

HẢI PHÒNG – 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ này là của riêng tôi. Các lý thuyết cũng
như kết quả mô phỏng trong luận văn là trung thực và chưa từng được sử dụng cho
bất cứ một luận văn nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng luận văn đã ghi rõ nguồn gốc của tất cả các trích dẫn.
Hải Phòng, ngày ...... tháng 9 năm 2016

Học viên : Nguyễn Thế Tùng

i


LỜI CÁM ƠN
Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo trong ngành Kỹ
thuật điện tử và đặc biệt là sự chỉ bảo và hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo
PGS.TS.Trần Xuân Việt, thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em
trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp này, cùng với sự giúp đỡ tích cực của
các đồng nghiệp, anh chị cùng khóa để hoàn thành đồ án này.
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên,
đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận
văn tốt nghiệp cao học .
Trân trọng cảm ơn!

ii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt
3GPP
CP
EDGE
eNodeB
EPC
E-UTRAN
GSM
HSPA
HSS
LTE
OFDM
PAR
PCRF
P-GW
RE
SCDMA
S-GW
TDMA
UMTS
WCDMA
ACP
DTM
MHTS
SPM

CDMA
EPC
FDD
FDMA
GGSN
GPRS
MIMO
MME
OFDM
OFDMA

Giải thích
The 3rd Generation Partnership Project
Cyclic Prefix
Enhanced Data rates for GSM Evolution
Evolved NodeB
Evolved Packet Core
Evolved – Universal Terrestrial Access Network
Global System for Mobile Communications
High Speed Packet Access
Home Subscription Server
Long Term Evolution
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Peak-to-Average
Policy and Charging Resource Function
Packet Data Network Gateway
Resource Element
Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access
Serving Gateway
Time division multiple access

Universal Mobile Telecommunications System
Wideband Code Division Multiple Access
Automatic Cell Planning
Digital Terrain Map
Mô hình truyền sóng
Standard Propagation Model
Code Division Multiple Access
Ericsson Policy Control
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiple Access
Gateway GPRS Support Node
General Packet Radio Service
Multiple Input Multiple Output
Mobility Management Entity
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
iii


Chữ viết tắt
QoS
RNC
SAE
SC-FDMA
SGSN
TDD
UE
UTRAN

Giải thích

Quality of Service
Radio Network Controller
System Architecture Evolution
Single Carrier – Frequency Division Multiple Access
Serving GPRS Support Node
Time Division Duplex
User Equipment
UMTS Terrestrial Radio Access Network

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Các giao diện chính của mạng 4G

8

1.2

Các cấu hình MIMO

15

1.3

Cơ chế hoạt động của MIMO.

16

1.4

Tốc độ dữ liệu peak trên lý thuyết.

19

3.1

Các tham số cần thiết lập ban đầu.

41

3.2

Các thiết lập để ACP

46

3.3

Thông số về vị trí và cell của các trạm BTS 4G

61

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
2.1

2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17

Quá trình thành 4G LTE.
Topology của mạng 4G.
So sánh 2 Topology của mạng 3G và 4G.
Sơ đồ kết nối cơ bản của mạng 4G LTE.
Các phương pháp đa truy nhập
Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
So sánh 2 kỹ thuật OFDM và SC-FDMA
Hiệu ứng đa đường.
So sánh giữa có và không dùng Cyclic Prefix
Hệ thống anten MIMO
Cơ chế hoạt động của MIMO
LTE FDD Type 1 dưới góc nhìn cấu trúc khung vật lý.

LTE FDD Type 1 dưới góc nhìn tài nguyên được cấp phát cho UE.
Cấu trúc khung dữ liệu của LTE TDD
Throughput trung bình của cell
Ảnh hưởng của tần số và địa đến bán kính cell
Ảnh hưởng throughput trung bình của cell đến bán kính cell.
Phần mềm Atoll
Tạo Project mới
Lựa chọn công nghệ mạng cần thiết kế.
Lựa chọn hệ tọa độ.
Lựa chọn hệ tọa độ với Việt Nam.
Chọn hệ tọa độ kiểu decimal Lon/Lat.
Cách tạo hệ tọa độ mới.
Hình ảnh bản đồ địa hình.
Hình ảnh bản đồ Clutter Classes.
Hình ảnh bản đồ DHM.
Hình ảnh bản đồ dân số.
Thiết lập mô truyền sóng bằng tay.
Mô truyền sóng mặc định.
Cách Import mô truyền sóng.
Cách tạo mới 1 loại anten.
Cách tạo tham số cho anten.
Dữ liệu về pattern của anten.

2
5
5
6
8
9
10

12
13
14
15
16
17
18
19
19
20
20
23
27
28
28
29
29
30
30
31
31
32
32
33
33
34
35
35

vi

Số hình
2.18
2.19
2.20
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24

3.25
3.26
3.27

Tên hình
Vùng phủ của từng cell của 5 trạm tại TTH Vĩnh Bảo.
Mức thu từng cell của 5 trạm tại TTH Vĩnh Bảo.
Mức thu từng cell của 5 trạm tại TTH Vĩnh Bảo.
Định nghĩa band.
Thiết lập thông số trạm 1800 – General.
Thiết lập thông số trạm 1800 – Transmitter.
Thiết lập thông số trạm 1800 – LTE.
Các suy hao được thiết lập mức clutter.
Thiết lập Layer.
Thiết lập zone.
Thiết lập cost control.
Thiết lập Objectives.
Thiết lập Parameters.
Thiết lập Reconfiguration.
Thông tin bán kính cell trạm mẫu.
Bán kính phủ của các cell thuộc Site_1588.
Bản đồ các thủ phủ Hải Phòng.
Bản đồ số nội thành Hải Phòng.
Kết quả so với target sau tối ưu lần 1.
Vùng phủ theo chỉ số RSRP sau tối ưu lần 1 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số RS CINR -3 sau tối ưu lần 1 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số LTE 1st-Nth Difference sau tối ưu lần 1 tại
nội thành.
Kết quả so với target sau tối ưu lần 2.
Vùng phủ theo chỉ số RSRP sau tối ưu lần 2 tại nội thành.

Vùng phủ theo chỉ số RS CINR -3 sau tối ưu lần 2 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số LTE 1st-Nth Difference sau tối ưu lần 2 tại
nội thành.
Kết quả so với target sau tối ưu lần 3.
Vùng phủ theo chỉ số RSRP sau tối ưu lần 3 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số RS CINR -3 sau tối ưu lần 3 tại nội thành.
Vùng phủ theo chỉ số LTE 1st-Nth Difference sau tối ưu lần 3 tại
nội thành.

vii

Trang
37
38
39
44
44
45
45
46
48
49
49
50
51
52
52
53
54
54

55
55
56
56
57
57
58
58
59
59
60
60


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .............................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ 4G LTE.............................................................. 2
1.1. Quá trình hình thành 4G LTE. ............................................................................ 2
1.1.1. Quá trình phát triển công nghệ di động 4G. .................................................... 2
1.1.2. Kì vọng đối với 4G LTE. ................................................................................ 3
1.2. Các đặc điểm kỹ thuật của 4G LTE. .................................................................. 4
1.2.1. Cấu trúc mạng 4G LTE. .................................................................................. 4
1.2.2. Kỹ thuật đa truy nhập đường Downlink OFDMA. ......................................... 8
1.2.3. Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA (Single Carrier FDMA). ........ 11
1.2.4. Kỹ thuật Cyclic Prefix chống lại hiệu ứng đa đường. ................................... 12

1.2.5. Công nghệ MIMO (Multiple Input- Multiple Output) . .............................. 14
1.2.6. Cấu trúc khung dữ liệu của LTE. .................................................................. 17
1.2.7. Các đặc tính kỹ thuật về tốc độ và bán kính cell của 4G LTE. ..................... 19
1.3. Kết luận............................................................................................................. 21
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠNG 4G BẰNG PHẦN MỀM ATOLL............... 22
2.1. Giới thiệu các phần mềm thiết kế mạng viễn thông......................................... 22
2.1.1. Giới thiệu phần mềm Enterprise của Aircom. .............................................. 22
2.1.2. Giới thiệu phần mềm TEM Cell Planner. ..................................................... 22
2.1.3. Giới thiệu phần mềm Atoll của Forsk. .......................................................... 23
2.2. Hướng dẫn khai thác thiết kế, mô phỏng mạng 4G bằng Atoll. ...................... 25
2.2.1. Các dữ liệu đầu vào chung. Gồm: Bản đồ số, phương trình truyền sóng. .... 26
2.2.2. Hướng dẫn nhập các dữ liệu đầu vào. ........................................................... 27
2.2.3. Hướng dẫn các thao tác cơ bản chung. ......................................................... 35
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÁC VỊ TRÍ TRẠM 4G TẠI CÁC THỦ PHỦ
TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG .................................................. 40
3.1. Yêu cầu thiết kế mạng 4G tại các thủ phủ thành phố Hải Phòng. ................... 40
3.2. Thực hiện thiết kế mạng 4G tại các thủ phủ thành phố Hải Phòng. ................ 40
3.2.1. Thiết lập dữ liệu đầu vào. .............................................................................. 40


3.2.2. ACP lựa chọn trạm mới theo mục tiêu vùng phủ.......................................... 46
3.2.3. Tính toán vùng phủ trạm điển hình theo mô hình truyền sóng. .................... 52
3.2.4. Rà soát thiết kế bổ sung theo mục tiêu đề ra. ................................................ 53
3.2.5. ACP tối ưu kết quả sau khi chấm trạm. ........................................................ 53
3.2.6. Xuất dữ liệu báo cáo, lưu kết quả.................................................................. 53
3.3. Kết quả thiết kế mạng 4G tại các thủ phủ Thành phố Hải Phòng. ................... 54
3.3.1. Kết quả thiết kế và tối ưu lần 1. .................................................................... 54
3.3.2. Kết quả thiết kế và tối ưu lần 2. .................................................................... 57
3.3.3. Kết quả thiết kế và tối ưu lần 3. .................................................................... 59
3.4. Kết luận. ........................................................................................................... 66

KẾT LUẬN ............................................................................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 68


MỞ ĐẦU
Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn
mục trong những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế
hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn
cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm
gần đây. Vậy 4G có ưu điểm gì so với các công nghệ trước và thiết kế mạng
4G như thế nào?
Để hiểu rõ hơn về vấn đề này nên em đã chọn đề tài “Thiết kế mạng viễn
thông 4G tại Hải Phòng”. Sau một thời gian tìm hiểu và cùng với sự hướng dẫn
của các thầy giáo trong ngành và thầy giáo PGS.TS. Trần Xuân Việt trực tiếp
hướng dẫn, đến nay em đã hoàn thành luận văn này với nội dung gồm 3 chương:
o Chương 1: Tổng quan về 4G LTE.
o Chương 2: Thiết kế mạng 4G bằng phần mềm Atoll.
o Chương 3: Thiết kế các vị trí trạm 4G tại các Thủ phủ trên địa bàn Thành
phố Hải Phòng.
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy giáo đã giúp đỡ để em có thể hoàn
thành đồ án tốt nghiệp này.
Hải Phòng, ngày ….. tháng 9 năm 2016

Học viên: Nguyễn Thế Tùng

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ 4G LTE
1.1. Quá trình hình thành 4G LTE.

- 4G LTE được phát triển bởi tổ chức 3GPP, từ 3G WCDMA Rel99 Rel5
Rel6 Rel7 4G LTE Rel8, 9 và 10.
- LTE được kì vọng có tốc độ dữ liệu và hiệu suất sử dụng phổ tần vượt
trội so với 3G trong khi độ trễ tín hiệu giảm và linh hoạt hơn trong việc lựa chọn
băng tần và cấp phát tài nguyên vô tuyến.
1.1.1. Quá trình phát triển công nghệ di động 4G.
- LTE (Long Term Evolution) là công nghệ di động thế hệ thứ tư ra đời năm
2009, được phát triển bới 3GPP từ công nghệ di động thế hệ thứ ba UMTS.

Hình 1.1. Quá trình hình thành 4G LTE.
- Trước thời điểm ra đời của LTE, 2 tổ chức tồn tại song song 3GPP và
3GPP2 cùng hướng tới tiêu chuẩn IMT-2000 dành cho 3G. 3GPP2 tập trung
vào hướng phát triển cdmaOne, cdma 2000 và EV-DO trong khi 3GPP tập
trung vào GSM, WCDMA và HSPA. Cả 2 tổ chức cùng hướng tới phát triển
công nghệ di động thế hệ thứ 4, tuy nhiên chỉ có LTE của 3GPP được chọn là
bước tiến tiếp theo cho công nghệ di động 4G và do đó, LTE có khả năng tương
2


thích với 3G UMTS và 2G GSM cao hơn so với cdma 2000 và cdmaOne.
- 4G LTE Rel8, Rel9 và Rel10 và HSPA+ Rel8 và Rel9 là 2 nhánh phát
triển song song của 3GPP.
1.1.2. Kì vọng đối với 4G LTE.
- Tốc độ truyền dữ liệu trên 100 Mbps DL và trên 50 Mbps UL cho LTE
Rel8. Tốc độ dữ liệu tại biên cell cao gấp 2, 3 lần so với HSPA Rel6.
- Độ trễ đường truyền thấp: Dưới 10ms với luồng dữ liệu và dưới 100ms với
luồng báo hiệu.
- Hiệu suất sử dụng phổ tần cao.
- Cho phép lựa chọn băng tần và cấp phát tài nguyên vô tuyến một cách linh
hoạt.

Theo dõi quá trình phát triển từ 3G WCDMA, 4G LTE Rel8 đã tạo ra 1 bước
tiến lớn.
- Về tốc độ truyền dữ liệu, LTE Rel8 được kì vọng sẽ đạt tới 100 Mbps DL
và 50 Mbps UL tốc độ truyền data lớp vật lý với băng thông kênh 10 MHz. Đây là
một bước nhảy vọt về tốc độ truyền dữ liệu khi xét tới khởi điểm của 3G
WCDMA Rel99 chỉ là 384 kbps (DL&UL) cho tới HSPA+ Rel7 với 42 Mbps
DL và 11.5 Mbps UL. Mặc dù vậy, LTE Rel8 vẫn chưa được coi là 4G bởi chưa
đáp ứng được chuẩn 1Gbps của ITU đối với công nghệ di động thế hệ thứ tư, điều
mà chỉ LTE – Advance Rel10 mới làm được.
- Về hiệu suất sử dụng phổ tần, LTE Rel8 đạt được 10 bps/Hz với băng tần
10 MHz và tốc độ dữ liệu 100 Mbps. Đây rõ ràng là một sự cải thiện đáng kể từ
3G WCDMA với 4.2 bps/Hz tương ứng 42Mbps peak trên băng tần 10 MHz của
Rel7.
- Độ trễ của LTE Rel8 được giảm đi ở cả luồng báo hiệu và luồng dữ liệu:
Dưới 100 ms cho luồng báo hiệu chuyển trạng thái UE từ Idle mode sang
connected mode và dưới 5ms cho luồng dữ liệu truyền đi và về UE khi xét 1 gói
dữ liệu nhỏ truyền trong điều kiện không tải. Khi so sánh với 3G WCDMA, phải
mất tới trung bình 1s cho luồng báo hiệu UE từ Idle mode sang connected
3


mode và 50ms cho luồng dữ liệu small packet truyền đi cũng trong điều kiện
không tải.
- LTE mang tới sự linh hoạt cho nhà mạng trong việc lựa chọn băng tần 700
Mhz, 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz hoặc 2600 MHz .. với băng thông kênh
truyền 1.4, 3, 5, 10, 15 hoặc 20 MHz. LTE cũng hỗ trợ cả 2 cơ chế TDD (Time
Division Duplex) và FDD (Frequency Divion Duplex), cho phép lựa chọn hoặc
tách độ rộng băng thông kênh truyền đối xứng cho 2 đường uplink và downlink
(FDD) hoặc sử dụng cùng một độ rộng băng thông kênh truyền nhưng tách biệt về
mặt thời gian (TDD). Việc lựa chọn kỹ thuật đa truy nhập của LTE cũng mang tới

sự linh hoạt rất lớn trong việc cấp phát tài nguyên cho người dùng.
1.2. Các đặc điểm kỹ thuật của 4G LTE.
- Cấu trúc hệ thống tinh giảm, tách riêng luồng báo hiệu và dữ liệu.
- Áp dụng công nghệ điều khiển đa truy nhập OFDMA downlink và SCFDMA uplink.
- Áp dụng công nghệ anten MIMO.
- Áp dụng kỹ thuật chống hiệu ứng đa đường Cyclic Prefix.
- Cấu trúc dữ liệu cho phép cấp phát tài nguyên vô tuyến linh hoạt.
1.2.1. Cấu trúc mạng 4G LTE.
- Gồm 2 thành phần chính: Thành phần vô tuyến E-UTRAN (Evolved –
Universal Terrestrial Access Network) và thành phần Packet Core EPC (Evolved
Packet Core).
- Loại bỏ node mạng RNC so với 3G.
- Tách riêng luồng báo hiệu (control plane) và dữ liệu (user plane).
1.2.1.1. Topology.
- Mạng 4G thường được nhắc tới với thuật ngữ EPS (Evolved Packet
System). EPS bao gồm 2 thành phần: Thành phần vô tuyến E-UTRAN (Evolved
– Universal Terrestrial Access Network) và thành phần Packet Core EPC
(Evolved Packet Core). Mặc dù thuật ngữ LTE thường được dùng để chỉ mạng
4G nói chung, thực chất LTE dùng để đề cập tới bước phát triển lên 4G từ 3G
4


UMTS chỉ dành cho thành phần vô tuyến và SAE được dùng để đề cập tới bước
phát triển từ 3G của Packet Core.

Hình 1.2. Topology của mạng 4G.
Khi so sánh với cấu trúc của mạng 3G hiện tại:
- LTE có cấu trúc tương tự nhưng đã bỏ đi node mạng RNC, phần chức
năng của RNC được gộp với chức năng của NodeB vào node mạng eNodeB đảm
nhiệm.

Hình 1.3. So sánh 2 Topology của mạng 3G và 4G.
- Cấu trúc của Packet Core của 4G có sự thay đổi với việc tách riêng của
luồng báo hiệu và luồng dữ liệu. Cấu trúc Packet Core bao gồm 2 thành phần là
5


MME đảm nhiệm chức năng xử lý tất cả luồng báo hiệu (Control Plane) giữa EUTRAN và EPC và P/S-GW đảm nhiệm xử lý luồng dữ liệu (User Plane).
MME thực chất là phiên bản nâng cấp phần mềm của SGSN và P-S/GW là
phiên bản nâng cấp phần mềm từ GGSN của mạng 3G.
- Với việc cấu trúc mạng 4G loại bỏ đi 1 thành phần node mạng RNC
trong khi tất cả luồng báo hiệu của UE được xử lí riêng biệt tại phần tử MME, độ
trễ (latency) trên mảng báo hiệu đã giảm đi đáng kể so với mạng 3G.
1.2.1.2. Flow kết nối và chức năng cụ thể của các phần tử chính mạng 4G

Hình 1.4. Sơ đồ kết nối cơ bản của mạng 4G LTE.
- Luồng báo hiệu (control plane) kết nối từ UE tới eNodeB thuộc E-UTRAN
và được quản lý bởi MME cho các thủ tục về xác thực thuê bao (luồng từ
MME tới HSS), charge cước (MME tới S-GW và PCRF), các thủ tục thiết lập kết
nối, mobility, … (MME tới S/P-GW).
- Luồng dữ liệu (user plane) kết nối từ UE tới eNodeB thuộc E-UTRAN và
kết nối tới SAE GW (S/P-GW) trước khi nối tới mạng ngoài.
Chức năng của các thành phần chính trên mạng 4G LTE:
- eNodeB (Evolved NodeB) là phần tử mạng duy nhất của hệ thống quản
6


lý chức năng vô tuyến, hoạt động như cầu nối giữa UE và EPC. EnodeB 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 về phía EPC. Các chức năng của eNodeB

gồm có:
+ Điều khiển quá trình truyển tải dữ liệu (báo hiệu và data) từ UE theo giao
diện vô tuyến và truyền tải dữ liệu tới EPC.
+ Quản lí, cấp phát tài nguyên vô tuyến và lập lịch truyền dữ liệu cho UE.
+ Quản lí tính di động (mobility) của UE, chuyển giao liên eNodeB hoặc
định tuyến tới MME và S-GW tương ứng cho UE trong quá trình di chuyển.
- MME (Mobility Management Entity) là phần tử mạng thuộc EPC chịu
trách nhiệm cho luồng báo hiệu (control plane) giữa thành phần vô tuyến EUTRAN và thành phần mạng lõi EPC. Các chức năng của MME gồm có:
+ Chức năng xác thực và bảo mật đối với UE.
+ Quản lí quá trình UE detach/attach ra khỏi hoặc vào mạng.
+ Quản lí tính di động của UE, lựa chọn S-GW và P-GW tương ứng.
+ Theo dõi trạng thái của UE và quản lý cơ chế paging.
+ Quản lí EPS bearer.
- S-GW (Serving Gateway) là node mạng kết thúc giao diện hướng tới EUTRAN đối với luồng dữ liệu (user plane) và chuyển tiếp dữ liệu data tới EPC.
Các chức năng chính của S- GW gồm có:
+ Định tuyến và chuyển tiếp các gói dữ liệu dữ liệu người sử dụng.
+ Điểm chốt trong quá trình UE di chuyển liên e-NodeB và từ 4G sang 3G.
+ Charge cước đối với các thuê bao roaming.
- P-GW (Packet Data Network Gateway) là node mạng nằm tại biên của
EPC, giao tiếp với mạng dữ liệu bên ngoài. Các chức năng của P-GW gồm có:
+ Cấp phát địa chỉ IP cho UE.
+ Quản lí các chính sách về QoS.
+ Quản lí cơ chế charging.
+ Lọc gói tin Packet filtering.
7


- PCRF (Policy and Charging Resource Function) là node mạng chịu
trách nhiệm lưu giữ và thực thi các chính sách về charge cước thuê bao.
- HSS (Home Subscription Server) là node mạng lưu giữ toàn bộ thông

tin profile của thuê bao, dịch vụ thuê bao đăng ký ….
Một số giao diện chính của mạng 4G được quy ước như sau:
Bảng 1.1. Các giao diện chính của mạng 4G
Giao diện

Kết nối

X2

Giữa các eNodeB

S1
S5/S8
S11

Giữa eNodeB và EPC
Giữa S-GW và P-GW
Giữa MME và S-GW

1.2.2. Kỹ thuật đa truy nhập đường Downlink OFDMA.
- OFDMA khắc phục được những nhược điểm của TDMA (2G) và CDMA
(3G) đồng thời là sự kết hợp ưu điểm của các kỹ thuật này.
- OFDMA dựa trên phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM, trong đó dải tần cho phép được chia nhỏ thành rất nhiều các sóng mang
con có dải tần hẹp 15 kHz và trực giao với nhau.
- OFDMA có hiệu suất sử dụng phổ tần cao nhưng cũng có tỉ lệ công
suất PAR (Peak-to-Average), do đó không thể áp dụng cho đường uplink.

Hình 1.5. Các phương pháp đa truy nhập
8

Theo dõi quá trình phát triển từ công nghệ đa truy nhập từ 1G, 2G, 3G tới
4G:
- Xuất phát điểm từ 1G FDMA: Điều chế đơn sóng mang, mỗi user được
cấp 1 dải tần hẹp trong dải tần cho phép và được phép sử dụng dải tần hẹp đó
trong toàn bộ thời gian sử dụng dịch vụ.
- Phát triển từ FDMA, 2G TDMA: Điều chế đơn sóng mang, mỗi user cũng
được cấp 1 dải tần hẹp như với FDMA, nhưng thay vì được một mình sử dụng
dải tần hẹp đó, mỗi user sẽ được cấp 1 time slot xác định và các user được cấp
cùng dải tần sẽ thay nhau truyền trong khoảng thời gian của timeslot được cấp.
- Tiến tới 3G CDMA: Đã không còn có sự phân chia về tần số và thời gian
cho user. Thay vào đó tất cả các user đều cùng truyền trong một miền thời gian,
cùng được điều chế đơn sóng mang và được phân biệt với nhau bằng mã trực giao.
- Và đối với 4G, 3GPP đã lựa chọn kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo
thời gian và tần số với công nghệ đa truy nhập phân chia tần số trực giao
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA là kỹ thuật
đa truy nhập dựa trên phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), trong đó dải tần cho phép
được chia nhỏ thành rất nhiều các sóng mang con (sub-carrier) có dải tần hẹp 15
kHz và trực giao với nhau.

Hình 1.6. Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA
Phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là
trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang (multi-carrier
9


modulation), trong đó 1 luồng dữ liệu tại transmitter được phân tách thành nhiều
luồng dữ liệu truyền song song, mỗi luồng dữ liệu đó sẽ được đưa vào điều chế

lên 1 sóng mang con (sub-carrier) và cuối cùng được ghép tại đầu ra của
transmitter. Các công nghệ đa truy nhập của FDMA, TDMA và CDMA đều sử
dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang, luồng dữ liệu tại mỗi transmitter
chỉ được điều chế lên 1 sóng mang duy nhất.
Khi so sánh với các phương pháp điều chế đa sóng mang khác, điều đặc biệt
của OFDM là ở chỗ các sóng mang con (sub-carrier) có phổ tần chồng lên nhau
và có tính trực giao với nhau. Tính trực giao của các sóng mang con được đảm
bảo tại mỗi thời điểm lấy mẫu của 1 luồng dữ liệu điều chế trên 1 sóng mang con
nhất định, dữ liệu lấy mẫu từ các sóng mang con khác đều bằng 0. Với tính trực
giao, đảm bảo các sóng mang con không gây nhiễu lẫn nhau.

Hình 1.7. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
Với các đặc tính như trên, OFDMA sẽ có ưu điểm và nhược điểm như sau:
- Ưu điểm:
+ OFDMA cho phép truyền luồng dữ liệu tổng hợp từ nhiều luồng dữ liệu
trên sóng mang con với tốc độ cao hơn nhiều so với việc truyền đơn sóng mang
CDMA của 3G.
+ Thêm vào đó, khi yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu tăng lên, tương ứng bắt
10


buộc khoảng thời gian cho 1 kí hiệu (symbol interval) sẽ phải ngắn lại. Đến một
chừng mực nào đó, việc truyền dữ liệu tốc độ cao tương đương với symbol có
thời gian ngắn với phương pháp điều chế đơn sóng mang như hiện tại đối với
3G CDMA sẽ có giới hạn, đến ngưỡng symbol interval nhỏ hơn nhiều so với
trễ đường truyền (propagation delay) thì nhiễu xuyên ký hiệu ISI sẽ trở trành
một vấn đề trầm trọng. Với việc truyền dữ liệu tốc độ thấp (tương đương symbol
interval ngắn) trên nhiều sóng mang con, OFDMA đã vợt qua giới hạn này của
3G CDMA khi vấn đề với ISI sẽ được giảm đi đáng kể.
+ Với việc các sóng mang con liên tiếp chồng lấn phổ tần số lên nhau,

hiệu suất sử dụng phổ tần cũng tăng lên đáng kể mà vấn đảm bảo không gây nhiễu
lần nhau.
- Nhược điểm:
+ LTE phải có thiết kế đảm bảo các sóng mang con luôn trực giao, chống
lại hiện tượng dịch tần Doppler khi người dùng di chuyển với tốc độ cao. OFDM
sẽ mất đi ý nghĩa nếu tính trực giao của các sóng mang con không được đảm bảo.
+ OFDM có tỉ lệ công suất peak/average (PAR) cao. Một cách tự nhiên,
khi áp dụng điều chế đa sóng mang, truyền với nhiều sóng mang con sẽ có thể
dẫn tới hiện tượng chênh lệch lớn về công suất giữa các sóng mang con. Mức
độ chênh lệch càng lớn sẽ buộc power amplifier của transmitter bù lại lượng
công suất thiếu của một số các sóng mang con so với sóng mang con có công
suất peak. Mặc dù đây không phải chưa phải là vấn đề với đường downlink từ
eNodeB tới UE, đường uplink sẽ khiến UE tốn nhiều công suất dành cho việc bù
lại này, từ đó tăng giá thành và giảm tuổi thọ pin của đầu cuối cũng như làm giảm
đi hiệu suất công suất phát. Đây cũng là lí do OFDM không áp dụng được cho
đường uplink, mà cần phải có 1 phương pháp khác khắc phục hạn chế này.
1.2.3. Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA (Single Carrier FDMA).
- SC-FDMA là trường hợp đặc biệt của OFDMA, khắc phục được nhược
điểm tỷ lệ PAR cao của OFDMA.
- Với hạn chế của OFDMA về tỉ lệ PAR cao như đã trình bày ở trên, phải
11


cần có phương pháp sử dụng điều chế đơn sóng mang nhưng vẫn giữ lại được các
ưu điểm của OFDMA. Và SC-FDMA được lựa chọn là kỹ thuật đa truy nhập
đường lên cho LTE bởi SC-FDMA thực chất là một trường hợp đặc biệt của
OFDMA trong đó SC- FDMA giữ lại hầu hết nguyên lý của OFDMA và thỏa mãn
điều kiện điều chế đơn sóng mang. SC-FMDA không điều chế 1 ký hiệu (symbol)
lên 1 sóng mang con sub-carrier như OFDMA mà sẽ tách các bit của 1 symbol
và ghép lên 1 sóng mang con sub-carrier để từ đó tạo thành 1 carrier duy nhất.

- Như ví dụ của hình vẽ bên dưới, đối với OFDM, 4 symbol được điều chế
trên 4 sub-carrier, với độ rộng mỗi sub-carrier 15kHz trong khi đối với SCFDMA, 4 symbol được truyền chỉ trên 1 carrier có độ rộng 60 kHz. Để thực
hiện được việc này, thiết bị đầu cuối uplink phải bổ sung thêm thành phần DFT
precoding với mục đích tách bit đơn lẻ của 1 symbol và mapping lần lượt lên các
sóng mang con trước khi tổng hợp dữ liệu truyền đi với mục đích đạt được việc
truyền trên 1 carrier tại đầu ra của tín hiệu cuối cùng.

Hình 1.8. So sánh 2 kỹ thuật OFDM và SC-FDMA
Với các đặc tính như trên, SC-FDMA sẽ có ưu điểm và nhược điểm như sau:
- Ưu điểm: Khắc phục được nhược điểm tỉ lệ công suất peak/average (PAR)
cao của OFDMA mà giữ nguyên các ưu điểm của OFDMA.
- Nhược điểm Tăng độ phức tạp về mặt thiết bị cho các thiết bị đầu cuối và
eNodeB.
1.2.4. Kỹ thuật Cyclic Prefix chống lại hiệu ứng đa đường.
- Cyclic Prefix (CP) là thành phần bit dư thừa đặt ở đầu mỗi symbol để
12


chống lại hiện tượng ISI sinh ra do hiệu ứng đa đường.
- Lựa chọn độ dài của CP là trade-off giữa khả năng chống đa đường và hiệu
suất sử dụng phổ tần.
- Hiệu ứng đa đường (multipath) là một trong những vấn đề lớn của lĩnh
vực di động. Hiện tượng này là kết quả của quá trình va đập, phản xạ từ các vật
thể trong môi trường truyền. Tại đầu thu sẽ nhận nhiều tín hiệu tại nhiều thời
điểm khác nhau, dẫn tới hiện tượng nhiễu xuyên ký hiệu (ISI). Hiệu ứng đa
đường nếu không được giải quyết tốt sẽ tạo ra sự thăng giáng rất lớn về chất
lượng tín hiệu.

Hình 1.9. Hiệu ứng đa đường.
- 3G WCDMA đã khắc phục hiện tượng đa đường bằng cách sử dụng bộ thu

RAKE với thuật toán cho trước để tổng hợp tất cả các tín hiệu đa đường tạo ra tín
hiệu tốt nhất.
- Tuy nhiên, khi yêu cầu về tốc độ dữ liệu ngày càng cao như đối với 4G
thì khi tới mức độ nhất định, bộ thu RAKE tại đầu thu đòi hỏi mức độ phức tạp
quá cao, làm tăng chi phí và tuổi thọ pin của thiết bị đầu cuối. Do đó, một phương
pháp khác (Cyclic Prefix) đã được áp dụng cho 4G để khắc phục hạn chế này.
- Cyclic Prefix là phương pháp sử dụng 1 số lượng bit nhất định tại phần
cuối của 1 symbol, được copy lên phần đầu của symbol đó. Phần tiền tố dư thừa
này được gọi là Cyclic Prefix.
13


Sử dụng Cyclic Prefix

Không dùng Cyclic Prefix

Hình 1.10. So sánh giữa có và không dùng Cyclic Prefix
- Nếu không sử dụng Cyclic Prefix, thành phần tín hiệu phản xạ của
symbol thứ N, do đến chậm, sẽ gây nhiễu cho symbol thứ N+1 và làm mất đi
tính trực giao của OFDM. Mỗi symbol sẽ có thời gian symbol interval = Tn.
- Mỗi symbol sau khi thêm phần tiền tố này sẽ có thời gian dài hơn Tn+
Tcp. Tại đầu thu, quá trình giải điều chế với mỗi symbol sẽ quy ước loại bỏ đi 1
lượng đúng bằng Cyclic Prefix, từ đó đảm bảo tín hiệu đa đường của symbol thứ N
không gây nhiễu cho symbol N+1.
- Để đảm bảo điều này, độ dài của Cyclic Prefix phải đủ dài để lớn hơn độ
trễ lớn nhất của tất cả các đường phản xạ tức là phần dư thừa được loại bỏ khi
giải điều chế đã bao gồm thành phần nhiễu do đa đường. Tuy nhiên, độ dài này
không thể tăng tới 1 con số quá lớn do tính chất của việc chèn thêm 1 số lượng
bit dư thừa vào phần đầu của mỗi symbol làm hiệu suất sử dụng phổ tần giảm
đi. Một Cyclic Prefix thông thường sẽ kéo dài 4.7 micro second, tương đương

với trễ đường truyền 1.4 Km.
1.2.5. Công nghệ MIMO (Multiple Input- Multiple Output) .
- MIMO là công nghệ sử dụng nhiều anten thu phát tại thiết bị đầu cuối và
tại eNodeB.
- Áp dụng MIMO có những ưu điểm so với 3G: Tăng tốc độ truyền dữ liệu,
tăng hiệu suất phổ tần và dung lượng hệ thống, mở rộng vùng phủ tại biên cell và
có khả năng chống hiệu ứng fading tốt hơn.
1.2.5.1. Khái niệm.
14