Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ thống tin di động LTE Advanced (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT
PHÂN TẬP THU VÀ PHÁT TRONG
TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN CỦA HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
LTE/LTE-ADVANCED


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................................VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...........................................................................................X
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................XI
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI......................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ...............................................................................................................1
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU.........................................................................................1
1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU.......................................................................................1
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................................2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE VÀ LTE
– ADVANCED...........................................................................................................................3
2.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE..................................................................3
2.1.1 Quá trình phát triển tiến đến LTE...........................................................................3
2.1.2 Các chuẩn của công nghệ LTE..............................................................................4
2.1.3 Kiến trúc LTE..........................................................................................................6
2.1.3.1 Tổng quan về kiến trúc cơ bản hệ thống LTE..................................................6
2.1.3.2 Chức năng của các thành phần trong kiến trúc mạng LTE..............................7
2.1.4 Truy nhập vô tuyến trong LTE.............................................................................12
2.1.4.1

Truyền dẫn đường xuống............................................................................12

2.1.4.2

Truyền dẫn đường lên.................................................................................12

2.2 CÔNG NGHỆ LTE-ADVANCED..............................................................................13
2.2.1 Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẽ phổ tần....................................................13
2.2.2 Giải pháp đa anten mở rộng...............................................................................14


2.2.3 Truyền dẫn đa điểm phối hợp..............................................................................14
2.2.4 Các bộ lặp và các bộ lặp chuyển tiếp..................................................................15
2.3 SO SÁNH LTE VÀ LTE-ADVANCED......................................................................15
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT OFDM VÀ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN...........................17
3.1 KỸ THUẬT OFDM......................................................................................................17
3.1.1 Khái niệm..............................................................................................................17
3.1.2 Tính trực giao trong hệ thống OFDM....................................................................17
3.1.3 Mô hình hệ thống OFDM......................................................................................18
3.1.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và song song – nối tiếp:.......................19
3.1.3.2 Khối điều chế tín hiệu OFDM......................................................................19
3.1.3.3 Bộ IFFT và FFT............................................................................................19
3.1.3.4 Tiền tố lặp (Cyclic Prefix – CP) trong hệ thống OFDM...............................20
3.1.4 Ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM....................................................................20
3.1.4.1 Ưu điểm........................................................................................................20
3.1.4.2 Nhược điểm..................................................................................................21
3.2 CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN............................................................................21
3.2.1 Sự suy hao.............................................................................................................21
3.2.2 Hiện tượng fading đa đường.................................................................................22
3.2.3 Hiệu ứng Doppler.................................................................................................23
3.2.4 Nhiễu trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise)..........................................23

3.2.5 Trải trễ (Delay spread)..........................................................................................24
3.2.6 Power delay profile (PDP)....................................................................................24
3.2.7 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM...........................................................24
3.2.7.1 Tín hiệu phát và thu OFDM...........................................................................24
3.2.7.2 Kênh truyền block-fading..............................................................................24
CHƯƠNG 4. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP.....................................................................26


4.1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN TẬP TRONG TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN......................26
4.1.1 Phân tập không gian............................................................................................27
4.1.1.1 Phân tập thu...................................................................................................28
4.1.1.2 Phân tập phát..................................................................................................29
4.1.2 Phân tập thời gian.................................................................................................30
4.2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU KẾT HỢP..........................................................31
4.2.1 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp theo ngưỡng TC (Threshold Combining).............31
4.2.1.1 Nguyên lý.......................................................................................................31
4.2.1.2 Ưu nhược điểm của kỹ thuật phân tập kết hợp theo ngưỡng.........................32
4.2.2 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp lựa chọn SC (Selection Combining).....................32
4.2.2.1 Nguyên lý.......................................................................................................32
4.2.2.2 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật SC...................................................................33
4.2.3 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp tỷ số cực đại MRC (Maximal Ratio Combining). .33
4.2.3.1 Nguyên lý.......................................................................................................33
4.2.3.2 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật MRC..............................................................34
4.2.4 Kỹ thuật phân tập thu kết hợp cân bằng độ lợi EGC (Equal-gain Combining)....34
4.2.4.1 Nguyên lý.......................................................................................................34
4.2.4.2 Ưu nhược điểm của kỹ thuật EGC.................................................................35
4.3 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT...........................................................................35
4.3.1 Phân tập phát thay đổi tần số FSTD (Frequency shift transmit diversity)...........36
4.3.2 Phân tập phát thay đổi thời gian TSTD (Time shift transmit diversity)................37
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...............................................................................38

5.1 KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU KẾT HỢP THEO NGƯỠNG TC..............................39
5.1.1 Lưu đồ thuật toán kỹ thuật TC..............................................................................39
5.1.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật TC..............................................................................40
5.2 KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU KẾT HỢP LỰA CHỌN SC........................................41


5.2.1 Lưu đồ thuật toán kỹ thuật SC...............................................................................41
5.2.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật SC..............................................................................42
5.3 KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU KẾT HỢP TỶ SỐ CỰC ĐẠI MRC..........................43
5.3.1 Lưu đồ thuật toán kỹ thuật MRC...........................................................................43
5.3.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật MRC........................................................................44
5.4 KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU KẾT HỢP CÂN BẰNG ĐỘ LỢI EGC.....................45
5.4.1 Lưu đồ thuật toán kỹ thuật EGC...........................................................................45
5.4.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật EGC.........................................................................46
5.5 SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU........................................................47
5.5.1 Lưu đồ thuật toán so sánh các kỹ thuật phân tập................................................47
5.5.2 Kết quả mô phỏng so sánh các kỹ thuật phân tập thu.........................................48
5.6 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ...................................................................49
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN.....................................................................................................50
6.1 KẾT LUẬN...................................................................................................................50
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................52
PHỤ LỤC A............................................................................................................................54


DANH MỤC CÁC HÌNH V
HÌNH 2-1: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
[NGUỒN: INTERNET]...........................................................................................................3
HÌNH 2-2: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG CHO MẠNG CHỈ CÓ E-UTRAN [4]................6
HÌNH 2-3: ENODEB KẾT NỐI TỚI CÁC NÚT LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC

NĂNG CHÍNH [1]....................................................................................................................8
HÌNH 2-4: MME KẾT NỐI TỚI CÁC NÚT LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC NĂNG
CHÍNH CỦA MME [1]............................................................................................................9
HÌNH 2-5: CÁC KẾT NỐI TỪ S-GW TỚI CÁC NÚT LOGIC KHÁC VÀ CÁC
CHỨC NĂNG CHÍNH [1]....................................................................................................10
HÌNH 2-6: P-GW KẾT NỐI TỚI CÁC NODE LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC
NĂNG CHÍNH [1]..................................................................................................................10
HÌNH 2-7: PCRF KẾT NỐI TỚI CÁC NÚT LOGIC KHÁC VÀ CÁC CHỨC NĂNG
CHÍNH [1]...............................................................................................................................11
HÌNH 2-8: VÍ DỤ VỀ KHỐI KẾT TẬP SÓNG MANG [5].............................................13
HÌNH 2-9: TRUYỀN DẪN ĐA ĐIỂM PHỐI HỢP [6].....................................................14
HÌNH 2-10: CHUYỂN TIẾP TRONG LTE-ADVANCED [5]......................................15Y
HÌNH 3-1: PHỔ CỦA CÁC SÓNG MANG TRỰC GIAO [7]........................................18
HÌNH 3-2: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG OFDM [8]...........................................................18
HÌNH 3-3: BỘ IFFT VÀ FFT [8].........................................................................................20
HÌNH 3-4: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN NHẬN TÍN HIỆU OFDM.............21

Hình 3-5: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền song [Nguồn:
Internet]

2

HÌNH 4-1: PHÂN TẬP KHÔNG GIAN [2].......................................................................27
HÌNH 4-2: SƠ ĐỒ MINH HỌA THỰC HIỆN PHÂN TẬP THU [2].............................28
HÌNH 4-3: MÔ HÌNH PHÂN TẬP PHÁT [2]...................................................................29
HÌNH 4-4: PHÂN TẬP THU TC.........................................................................................31
HÌNH 4-5: PHÂN TẬP THU SC..........................................................................................32
HÌNH 4-6: PHÂN TẬP THU MRC.....................................................................................33

HÌNH 4-7: PHÂN TẬP THU EGC......................................................................................34

Hình 4-8: Sơ đồ phân tập phát thay đổi tần số cho 4 anten phát [11] 3
HÌNH 5-1: GIAO DIỆN CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG.....................38
HÌNH 5-2: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN KỸ THUẬT TC....................................................39
HÌNH 5-3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT TC......................................................40
HÌNH 5-4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA KỸ THUẬT SC...........................................41
HÌNH 5-5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT SC......................................................42
HÌNH 5 6: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN KỸ THUẬT MRC.................................................43
HÌNH 5-7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT MRC..................................................44
HÌNH 5-8: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN KỸ THUẬT EGC.................................................45
HÌNH 5-9: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG EGC.........................................................................46
HÌNH 5-10: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN THỰC HIỆN SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT
PHÂN TẬP THU....................................................................................................................47
HÌNH 5- 11: KẾT QUẢ SO SÁNH 4 KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU............................48


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 2-1: SO SÁNH CÁC ĐẶC TÍNH GIỮA LTE VÀ LTE-ADVANCED...............15


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BER

Bit error ratio

CP

Cyclic Prefix

CSI

Channel-State Information

DFTs-OFDM

DFT spread OFDM

eNodeB

E-UTRAN Node B

EPC

Evolved packet Core

EPS

Evolved Packet System

E-UTRA

Evolved UTRA

FSTD

Frequency shift transmit diversity

FDMA

Frequency Division Multi

3GPP

Third Generation Partnership Project

GPRS

General Packet Radio Service

GTP

GPRS Tunneling Protocol

HSDPA

High Speed Downlink packet Access

HSPA

High Speed Packet Access

HSS

Home Subcriber Server

HSUPA

High Speed Uplink packet Access

ICI

Inter-carrier Interference

IP

Internet Protocol

ISDN

Integrated Services Digital Network

ISI

Inter-Symbol Interference

LTE

Long Term Evolution

MME

Mobile management Entity

PAPR

Peak to avegare Power Ratio

PCRF

Policy and Charing Rules Fuction

P-GW

Packet Data Network – Gateway


PSTN

Public Switch telephone network

RNC

Radio Network Controller

SC-FDMA

Single Carier – frequency Division Multiple Access

S-GW

Serving Gateway

SNR

Signal Noise Ratio

TSTD

Time shift transmit diversity

UMTS

Universal Mobile Telecommunications Systems

USIM

Universal Subscriber Identity Module

UE

User Equipment

UICC

Universal Integrated Circuit Card

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access Network

VoIP

Voice over IP

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/68

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển
nhanh nhất của viễn thông. Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số
lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại,
video, hình ảnh và dữ liệu. Để đáp ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng
tăng cao đó, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến và được
chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới. Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên
4G là một điều tất yếu. 3GPP LTE - một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các
con đường tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giá thành
dịch vụ cũng như thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụ hiện tại và
tương lai. Các công nghệ mới ra đời như MIMO-OFDM, anten thông minh...giúp
nâng cao chất lượng hệ thống. Đặc biệt là kỹ thuật phân tập anten ứng dụng trên nền
công nghệ OFDM đang được sử dụng rộng rãi cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh
hưởng của Fading đa đường và cải thiện độ tin cậy tín hiệu truyền dẫn mà không
cần phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông.
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của mình là
“Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của
hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced” làm chủ đề nghiên cứu.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Đề tài tiến hành tìm hiểu nguyên lý hoạt động và nghiên cứu các phương pháp phân
tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ thống thông tin di động LTE/LTENghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/68

Advanced. Phân tích, so sánh đánh giá các phương pháp phân tập để từ đó đưa ra
phương pháp phân tập tối ưu ứng với từng điều kiện cụ thể.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced.
- Kỹ thuật OFDM và các đặc tính kênh truyền.
- Các kỹ thuật phân tập được sử dụng trong LTE/LTE-Advanced.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết:
-

Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced.
Kỹ thuật OFDM và các đặc tính kênh truyền.
Các kỹ thuật phân tập thu và phát.
Lập trình MATLAB.

Tiến hành thực nghiệm:
-

Từ tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced, kỹ thuật
OFDM, các kỹ thuật phân tập thu và ứng dụng trong MATLAB để mô phỏng
chất lượng truyền dẫn vô tuyến trong hệ thống thông tin di động LTE/LTEAdvanced khi áp dụng các kỹ thuật phân tập so với trường hợp không phân

-

tập và tiến hành so sánh hiệu quả của các kỹ thuật phân tập với nhau.
Đánh giá và nhận xét kết quả mô phỏng theo tỷ lệ lỗi bit BER.

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/68

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
LTE VÀ LTE – ADVANCED

2.1 Hệ thống thông tin di động LTE
2.1.1 Quá trình phát triển tiến đến LTE
Từ khi ra đời cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trở thành một ngành công
nghiệp viễn thông phát triển rất nhanh chóng. Không chỉ có dịch vụ thoại được triển
khai trên hạ tầng mạng viễn thông di động mà cùng với nó là các loại hình dịch vụ
khác như hình ảnh, dữ liệu... đang gia tăng cả về số lượng lẫn chất lượng. Để đáp
ứng về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin di
động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới.

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

Hình 2-1: Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động [Nguồn: Internet]

SVTH: Nguyễn Vă

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/68

Với sự xuất hiện công nghệ WiMAX 802.16 đã được IEEE chuẩn hóa với tốc độ lên
tới hàng trăm Mbps, đứng trước tình hình đó 3GPP đã nghiên cứu và đưa ra công
nghệ LTE. Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004 đầu năm 2005 và đến cuối năm
2008 phiên bản đầu tiên của LTE đã ra đời. Tổ chức 3GPP là tổ chức chuẩn hóa các
công nghệ mạng thông tin di động tế bào, được thành lập từ năm 1998 với mục đích
ban đầu là chuẩn hóa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) dựa trên sự phát triển của
mạng lõi GSM và mạng truy nhập toàn cầu (UTRAN).
LTE với ưu điểm truyền dữ liệu có độ trễ thấp và nâng cao hiệu qủa sử dụng phổ tần
số, là một bước tiến dài so với chuẩn HSPA của mạng WCDMA, công nghệ nguyên
Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/68

thủy của truyền dữ liệu gói 3G. LTE được đánh giá đã đạt đến 3.9G, đã tiến đến rất
gần trên con đường phát triển mạng băng thông rộng di động tốc độ cao tiên tiến thế
hệ thứ tư, thế hệ 4G.
2.1.2

Các chuẩn của công nghệ LTE

Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữ liệu
đường xuống lên tới 326Mb/s 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 đường lên lên tới
86Mb/s trong 20MHZ băng thông. Ngoài việc cải thiện tốc độ dữ liệu, hệ thống
LTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao hơn từ 2 đến 4 lần của hệ thống HSPA.
Độ rộng băng thông linh hoạt: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở
rộng từ 1.4 MHz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và
xuống. Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông. Mức
thông 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.
Tính di động: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển trong vận tốc
từ 0  15km/h, khi di chuyển từ 15 đến 120km/h thì vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao
(chỉ giảm đi một ít), đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết
nối trên toàn mạng tế bào, chức năng có thể hỗ trợ từ 120  350km/h hoặc thậm chí
là 500km/h tùy thuộc vào băng tần.
Độ trễ: 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. Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms. Nhược điểm của các mạng tổ ong hiện
Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/68

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.

Sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở, kiến trúc đơn
giản hóa và sẽ không còn chuyển mạch kênh.
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 users/cell (với băng thông 5MHz).
Để triển khai LTE, toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng không cần phải thay đổi vì LTE có
thể sử dụng trên nền cơ sở hạ tầng mạng đã có nên LTE tồn tại và phối hợp hoạt
động cùng với các hệ thống 3GPP khác. Người dùng LTE 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, nó 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 chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/68

2.1.3 Kiến trúc LTE
2.1.3.1 Tổng quan về kiến trúc cơ bản hệ thống LTE

Hình 2-2: Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN [4]

Kiến trúc LTE được chia thành bốn vùng chính:
-

Thiết bị người dùng (UE).

-

Mạng truy cập vô tuyến E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Access
Network).

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/68

-

Mạng lõi gói phát triển EPC (Evolved Packet Core).

-

Các mạng ngoài.

Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ hoàn toàn chuyển mạch gói
với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ cao và độ trễ tối thiểu. Với một thiết
kế phẳng hơn, đơn giản hơn, chỉ với 2 nút cụ thể là nút B (eNodeB) và phần tử quản

lý di động (MME/GW). Phần điều khiển mạng vô tuyến RNC được loại bỏ khỏi
đường dữ liệu và chức năng của nó được thực hiện trong các eNodeB.
UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức mạng IP ở lớp kết nối. Chúng
được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS). Chức năng chính của lớp nay là cung cấp
kết nối dựa trên nền tảng IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn
thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt trong E-UTRAN và EPC.
Một trong những thay đổi lớn trong kiến trúc mạng LTE là trong khu vực mạng lõi
EPC không chứa các chuyển mạch kênh, và không có kết nối trực tiếp với các mạng
chuyển mạch truyền thống như ISDN hay PSTN.
2.1.3.2 Chức năng của các thành phần trong kiến trúc mạng LTE
 Thiết bị người dùng (UE):
-

UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc. Thông thường
nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh, máy tính xách tay,
hay một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn sử dụng trong mạng 2G, 3G... UE
cũng có chứa các module nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM). Nó là một
module riêng biệt với phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầu
cuối (TE). USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể
tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC). USIM được sử

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/68

dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm
bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến.
-

Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có
tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người
dùng cần. Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như
chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo
hướng dẫn của mạng. Quan trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử
dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được sử dụng
để thiết lập một cuộc gọi thoại.

 E-UTRAN NodeB (eNodeB):
-

Sự phát triển của E-UTRAN tập trung vào nút B phát triển (eNodeB). Tất cả
các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNodeB là điểm kết thúc cho
tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là một
mạng lưới của các eNodeB kết nối với nhau thông qua giao diện X2. Các
eNodeB kết nối trực tiếp với mạng lõi EPC thông qua giao diện S1.

-

Mỗi eNodeB hỗ trợ các tính năng liên quan đến các quá trình lớp vật lý khi
truyền phát và nhận thông qua các giao diện vô tuyến như: điều chế, giải
điều chế; mã hóa kênh và giải mã hóa.

-

Ngoài ra eNodeB còn có những tính năng bổ xung thay cho các bộ kiếm

soát trạm gốc trong mạng UTRAN trước đó. Ví dụ như: kiểm soát tài
nguyên vô tuyến, quản lý tính di động vô tuyến, các giao thức lớp 2 về giao
diện vô tuyến...

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/68

Hình 2-3: eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]

 Thực thể quản lý di động (MME):
-

MME chịu trách nhiệm về những tính năng trong mặt phẳng kiểm soát, liên
quan tới việc quản lý các thuê bao và các phiên truyền dẫn. Nó hỗ trợ các
phương thức bảo mật liên quan tới việc xác minh người sử dụng, xử lý các
phiên truyền dẫn giữa thiết bị đầu cuối và mạng truy cập, quản lý các thiết
bị rảnh rỗi.

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/68

Hình 2-4: MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính của MME [1]

 Cổng phục vụ (S-GW):
-

Cổng dịch vụ S-GW là một điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói hướng
đến mạng truy cập E-UTRAN. Khi các thiết bị người sử dụng di chuyển
giữa các eNodeB trong mạng truy cập E-UTRAN, thì S-GW đóng vai trò
như những điểm trung chuyển (chuyển giao). Nó cũng là điểm trung chuyển
giữa mạng truy cập E-UTRAN với các mạng truy cập cũ hơn như 2G/GSM,
3G/UMTS.

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/68

Hình 2-5: Các kết nối từ S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]

 Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW):
Cũng giống như S-GW, P-GW là điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói nhưng
hướng tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài (Packet Data Networks). P-GW hỗ trợ
các tính năng về chính sách dịch vụ cũng như lọc các gói dữ liệu và hỗ trợ tính

phí…

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/68

Hình 2-6: P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính [1]

 Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên (PCRF):
Máy chủ PCRF quản lý các chính sách dịch vụ và gửi thông tin về chất lượng dịch
vụ cho mỗi phiên người sử dụng và các thông tin về quy tắc tính toán. PCRF là sự
kết hợp của 2 nút chức năng PDF (The Policy Decision Function) và CRF (The
Charging Rules Function). PDF là thực thể mạng có nhiệm vụ đưa ra những chính
sách dịch vụ. Vai trò của CRF là cung cấp các quy tắc tính phí áp dụng cho từng
dòng dữ liệu phục vụ. CRF chọn lựa những quy tắc tính phí chính xác dựa trên
thông tin cung cấp từ P-CSCF, cũng như bộ nhận dạng ứng dụng, loại dòng tín hiệu
(audio, video…), tốc độ dữ liệu…

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 14/68

Hình 2-7: PCRF kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính [1]

 Máy chủ thuê bao thường trú (HSS):
HSS là sự kết hợp của HLR (Home Location Register) và AUC (Authentication
Center), 2 khối chức năng đã xuất hiện trong các mạng 2G/GSM và 3G/UMTS.
-

Phần HLR của HSS có nhiệm vụ lưu trữ và cập nhật khi cần thiết cơ sở dữ
liệu chứa tất cả các thông tin đăng ký của người sử dụng, bao gồm: thông tin
nhận dạng người sử dụng và địa chỉ, thông tin chi tiết của người sử dụng
(trạng thái hoạt động, chất lượng gói dịch vụ…).

-

Phần AUC của HSS có nhiệm vụ tạo ta những thông tin bảo mật từ chuỗi
nhận dạng người sử dụng. Thông tin bảo mật này cung cấp cho HLR và xa
hơn là thông tin đến các thực thể khác của mạng. Thông tin bảo mật này
được sử dụng chủ yếu cho: việc xác minh qua lại các thiết bị mạng, mã hóa

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/68

đường truyền dẫn vô tuyến, đảm bảo dữ liệu và tín hiệu báo hiệu được
truyền giữa mạng và thiết bị người sử dụng không bị nghe trộm hay xâm
nhập.
2.1.4

Truy nhập vô tuyến trong LTE

2.1.4.1 Truyền dẫn đường xuống
Truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM. OFDM là một sơ đồ
truyền dẫn hấp dẫn vì một số lý do, do thời gian ký hiệu OFDM kết hợp với chu
trình tiền tố khá dài, OFDM đảm bảo độ bền chắc chống lại chọn lọc tần số của
kênh vô tuyến cao hơn. Khả năng đề kháng chống fading chọn lọc sẵn có là một giải
pháp lý tưởng cho đường xuống đặc biệt được kết hợp với ghép kênh không gian.
Một số lợi ích OFDM:
-

OFDM cung cấp tới truy nhập miền tần số, vì thế cho phép mở rộng mức độ
tự do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA.

-

OFDM dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt (ít nhất từ quan điểm
băng gốc) bằng cách thay đối số lượng các sóng mang con sử dụng cho
truyền dẫn.

-

OFDM cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá/đa phương, trong
đó cùng một thông tin được phát đi từ nhiều trạm gốc.

2.1.4.2 Truyền dẫn đường lên
Truyền dẫn đường lên của LTE là truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên OFDM trải
phổ được sử dụng (DFTs-OFDM). Sử dụng điều chế đơn sóng mang cho phép giảm
PAPR so với truyền dẫn đa sóng mang như OFDM. PAPR càng nhỏ thì công suất
Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập thu và phát trong truyền dẫn vô tuyến của hệ
thống tin di động LTE/LTE Advanced

SVTH: Nguyễn Vă