Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LÊ HỒI VIỆT

LÊ HỒI VIỆT

KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG

QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG MẠNG LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

2011B
Hà Nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LÊ HỒI VIỆT

QUẢN LÝ TÀI NGUN VƠ TUYẾN TRONG MẠNG LTE

Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH

Hà Nội – 2014
2

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................... 6
DANH SÁCH BẢNG BIỂU...................................................................................... 9
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... 10
PHẦN MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 11
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 11
2. Lịch sử nghiên cứu ...................................................................................................... 12
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn .............................................................................. 12
4. Tóm tắt các luận điểm cơ bản của luận văn ................................................................ 12
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 13

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ
LTE ........................................................................................................................... 14
1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE ..................................................................................... 14
1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho công nghệ
LTE ..................................................................................................................................... 15
1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax ..................................................... 15
1.3 Mục tiêu thiết kế LTE ................................................................................................. 18
1.3.1 Tiềm năng công nghệ ............................................................................................. 18
1.3.2 Hiệu suất hệ thống .................................................................................................. 20
1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai ................................................................ 22
1.3.3.1 Độ linh hoạt phổ và việc triển khai ............................................................................. 22

1.3.4. Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration) ............................................................... 25
1.3.5. Quản lý tài nguyên vô tuyến .................................................................................. 25
1.3.6. Độ phức tạp ........................................................................................................... 26
1.3.7. Những vấn đề chung .............................................................................................. 26

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE .... 27
2.1. Truy nhập đường xuống............................................................................................. 27

3


2.1.1. Khái quát về công nghệ OFDM............................................................................. 27
2.1.1.1. Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM:................................................... 30
2.1.1.2. Số lượng các sóng mang con: .................................................................................... 31
2.1.1.3. Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập: ...................................................... 31
2.1.1.4 Thu phát tín hiệu OFDM ............................................................................................ 32
2.1.1.5. Chuyển đổi nối tiếp – song song: .............................................................................. 34
2.1.1.6.Điều chếRF : ............................................................................................................... 35
2.1.1.7.Khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD) ........................................................................... 35

2.1.2. Công nghệ OFDMA trong LTE ............................................................................ 36
2.2. Truy nhập đường lên với SC-FDMA ........................................................................ 37
2.3. Điều phối nhiễu liên tế bào trong LTE (Inter-cell interference coordination)...... 40
2.4. Các băng tần hỗ trợ .................................................................................................... 40

CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE ............... 42
3.1. Mục đích chung của quản lý tài ngun vơ tuyến ................................................... 42
3.2. Một số phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE..................... 42
3.2.1. Điều khiển truy nhập ............................................................................................. 42
3.2.1.1. Thuật toán điều khiển truy nhập tự tối ưu cho LTE đường xuống (tác giả K.Spaey,
B.Sas, và C.Blondia, tài liệu tham khảo số [15]):................................................................... 42
3.2.1.2. Thuật toán kết hợp điều khiển truy nhập và lập lịch cho những điều kiện QoS kênh
truyền khác nhau tại LTE đường lên (tác giả M. Anas, C. Rosa, F. D. Calabrese, K. I.
Pedersen, and P. E. Mogensen, tài liệu tham khảo số [16]).................................................... 43

3.2.2. Quản lý tài nguyên vô tuyến dựa trên thông tin trạng thái buffer (phương pháp sử
dụng BSR – Buffer status report) .................................................................................... 44
3.3. Tối ưu quản lý tài nguyên vô tuyến trong LTE bằng phương pháp phân bổ tài
nguyên thích ứng cho hệ thống MIMO-OFDMA đa người dùng ................................. 45
3.3.1. Phân bố công suất và cấp phát kênh con tối ưu ..................................................... 48
3.3.2.1. Cấp phát kênh con cận tối ưu..................................................................................... 50
3.3.2.2. Phân bố công suất tối ưu cho cấp phát kênh con cố định .......................................... 51
3.3.2.3. Sự hiện hữu của phương pháp phân bổ công suất ..................................................... 55

4


CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ TÀI
NGUYÊN TẦN SỐ .................................................................................................. 57
4.1. Hệ thống hai người dùng và mười kênh con ............................................................ 57
4.1.1. So sánh theo công bằng tối đa ............................................................................... 58
4.1.2. So sánh theo dung lượng tổng tổng tối đa ............................................................. 59
4.2. Dung lượng tổng của kênh quảng bá MIMO đa người dùng ................................. 65
4.2.1. Mô hình hệ thống và cơ sở của chéo hố khối ...................................................... 65
4.3. Thuật toán lựa chọn người dùng cho hệ thống MIMO đa người dùng ................. 69
4.3.1. Mơ hình hệ thống................................................................................................... 70
4.3.2. Thuật tốn lựa chọn người dùng có độ phức tạp thấp ........................................... 70
4.3.2.1 Thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa vào dung lượng ............................... 71
4.3.2.2 Thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa trên chuẩn Frobenius ...................... 72

4.3.4 Các kết quả mô phỏng ............................................................................................ 74
4.4. Giải thuật và chương trình mơ phỏng phân bổ tài nguyên thích ứng hệ thống
MIMO-OFDMA đa người dùng ....................................................................................... 77

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 86

5


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Kiến trúc của mạng LTE ...................................................................................... 15
Hình 1.2 Lộ trình phát triển của LTE và các cơng nghệ khác. .......................................... 16
Hình 1.3. Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000 ....................... 23
Hình 1.4 – Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố phổ của
một hệ thống GSM đã được triển khai ................................................................................. 24
Hình 2.1. Cơng nghệ OFDM và SC-FDMA. ......................................................................... 27
Hình 2.2. Sơ đồ thời gian và tần số tín hiệu OFDM............................................................. 28
Hình 2.3. Đường downlink LTE cơ bản................................................................................ 29
Hình 2.4. Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM ..................................................................... 32
Hình 2.5: Sơ đồ biến đổi tín hiệu thu phát OFDM. ............................................................. 34
Hình 2.6. Khoảng bảo vệ Guard Period................................................................................ 35
Hình 2.7. OFDM và OFDMA. ............................................................................................... 36
Hình 2.8. Sơ đồ biến đổi tín hiệu thu phát SC-FDMA. ....................................................... 39
Hình 3.1. Bản tin BSR ngắn và bản tin BSR dài. ................................................................. 45
Hình 3.2. Mơ hình hệ thống OFDM đa người dùng điển hình ........................................... 46
Hình 3.3. Trình tự phân bổ tài ngun thích ứng cho hệ thống MU-OFDM .................... 50
Hình 4.1. So sánh hiệu năng giữa giải thuật phân bổ tài nguyên thích ứng tối ưu và
cận tối ưu trong hệ thống 2-người dùng 10-kênh con: Mật độ phổ công suất của
AWGN là -70dB W/Hz; Độ rộng băng tần khả dụng là 1MHz; Công suất phát tổng
khả dụng là 1W. ...................................................................................................................... 58
Hình 4.2. Dung lượng của người dùng tối thiểu theo số người dùng: Mật độ phổ công
suất của AWGN là -80dB W/Hz; Độ rộng băng tần khả dụng là 1MHz, được chia
thành 64 kênh con; Công suất phát tổng khả dụng là 1W. [so sánh hiệu năng dung

6


lượng: (i) của phân bổ công suất tối ưu với phân bố công suất bằng nhau; (ii) của
phân bổ tài ngun thích ứng với hệ thống TDMA tĩnh] .................................................... 59
Hình 4.3. Khảo sát dung lượng tổng ergodic của hệ thống OFDM 8-người dùng theo
tập Γ : Mật độ phổ công suất của AWGN là -80dB W/Hz; Độ rộng băng tần khả dụng
là 1MHz, được chia thành 64 kênh con; Công suất phát tổng khả dụng là 1W; Cơng
m
suất trung bình là E(ch1)=10E(chk) với k=2,...,8; Ràng buộc tốc độ là γ 1 = 2 và ........... 61

yk = 1. ....................................................................................................................................... 61
Hình 4.4. Phân bố dung lượng tổng ergodic chuẩn hoá giữa 8 người dùng: ràng buộc
tốc độ γ 1= 8 vµ γ 2= ...= γ 8= 1 ................................................................................................. 62
Hình 4.5. Dung lượng tổng Ergodic của hệ thống OFDMA 16-người dùng theo tập Γ :
Mật độ phổ công suất của AWGN là -80dB W/Hz; Độ rộng băng tần khả dụng là
1MHz, được chia thành 64 kênh con; Công suất phát tổng khả dụng là 1W; Cơng
suất kênh trung bình của 4 người dùng đầu tiên lớn hơn của 12 người dùng còn lại là
10dB; ........................................................................................................................................ 63
Hình 4.6. Phân bố dung lượng tổng Ergodic chuẩn hố giữa 16 người dùng: các tham
số mơ phỏng giống hình 4.7 nhưng các ràng buộc tốc độ l
=
k 8=
vơí k=1,...,4 và k 1 vơí k=5,...,16 ................................................................................ 65

Hình 4.7 Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=4 và Nr=2. ............................. 74
Hình 4.8 Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=12 và Nr=4. ........................... 75
Hình 4.9. Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=8 và Nr=1. ............................ 76
Hình 4.10. Mơ hình hệ thống ................................................................................................. 77
Hình 4.11. Lưu đồ ước tính kênh MIMO-OFDMA ............................................................. 78

Hình 4.12. Hiệu năng ước tính cơng suất kênh và SNR của MIMO-OFDMA................. 79
Hình 4.13. Hiệu năng ước tính RDS của MIMO-OFDMA ................................................. 79
Hình 4.14 Lưu đồ cấp phát tài nguyên tổng thể ................................................................... 80
Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật cấp kênh con ........................................................................... 81

7


Hình 4.16. Cấp phát dung lượng tổng giữa các người dùng (tỉ lệ dung lượng chuẩn
hóa trên người dùng) .............................................................................................................. 82
Hình 4.17. Dung lượng tổng theo số người dùng ................................................................. 83
Hình 4.18. So sánh mức độ phức tạp thuật tốn phân bổ tuyến tính và phi tuyến .......... 83

8


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP ..................................................... 17
Bảng 1.2 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng ................................. 20
Bảng 1.3 - Yêu cầu về độ trễ chuyển giao, LTE-GSM và LTE-WCDMA .................... 22
Bảng 4.1 Các ràng buộc tốc độ (tập Γ ) và độ lệch ràng buộc tốc độ cho các hình 4.5 &
hình 4.6, K=8. ..................................................................................................................... 60
Bảng 4.2. Các ràng buộc tốc độ (các tập Γ ) và các độ lệch ràng buộc tốc độ cho hình
4.7 & hình 4.8, K=16. ......................................................................................................... 64
Bảng 4.3 Thuật tốn lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa trên dung lượng. ............... 71
Bảng 4.4. Thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa trên tiêu chuẩn Frobenius.
............................................................................................................................................. 73
Bảng 4.5 Các tham số chủ đạo đặc trưng ........................................................................ 81

9

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT
1.

Tên viết tắt
OFDM

Tên đầy đủ
Orthogonal frequency-division
multiplexing
Orthogonal Frequency
Division Multiple Access
Single-carrier frequencydivision multiple access
Long Term Evolution
Universal Mobile
Telecommunications System
3rd Generation Partnership
Project
Radio Resources Management
Radio access network
Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Quality of service
Block Diagonalization

2.

OFDMA

3.

SC-FDMA

4.
5.

LTE
UMTS

6.

3GPP

7.
8.
9.

RRM
RAN
WIMAX

10.
11.

QoS
BD

12.

13.

QCI
ARP

14.

GBR

QoS Class Identifier
Allocation and Retention
Priority
Guaranteed Bit Rate

15.

AMBR

Aggregate Maximum Bit Rate

10

Dịch ra tiếng việt
Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao
Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao
Đa truy nhập phân chia theo
tần số - đơn sóng mang
Mạng LTE

Hệ thống viễn thơng di động
tồn cầu
Dự án đối tác thế hệ thứ 3
Quản lý tài nguyên tần số
Mạng truy nhập vơ tuyến
Mạng WIMAX
Chất lượng dịch vụ
Thuật tốn BD (chéo hóa
khối)
Thơng số phân cấp QoS
Độ ưu tiên cấp phát và duy
trì
Tốc độ đảm bảo (hay tốc độ
bit tối thiểu)
Quy định băng thơng tối đa
mà một sóng mang có thể
dùng


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, ở nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung, lĩnh vực thông tin
di động đang bùng nổ và phát triển với một tốc độ nhanh chóng. Theo xu hướng
chung của thời đại, sự ra đời của những chiếc smartphone đã mở ra một thời kỳ
bùng nổ thông tin mới, người tiêu dùng đòi hỏi ngày càng cao về tốc độ truyền tải
dữ liệu trên các mạng thông tin di động để có thể cập nhật thơng tin mọi lúc mọi
nơi. Chính vì lẽ đó, các nhà cung cấp dịch vụ di động phải không ngừng phát triển
về công nghệ và ngày càng nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ truyền tải thơng tin
trên mạng lưới của mình. Nắm bắt được nhu cầu đó, cơng nghệ LTE ra đời như một
bước phát triển tất yếu giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thơng, di động trên tồn

thế giới thỏa mãn được những yêu cầu ngày càng cao từ phía các khách hàng.
LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS
thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên tồn thế giới. Để đảm bảo
tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu
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 thơng 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. Để đạt được những yêu cầu
cao đó, quản lý tài nguyên vô tuyến là không thể thiếu trong LTE, hiểu được điều
đó, trong q trình học tập cũng như cơng tác của mình, tơi đặc biệt hứng thú tới
việc nghiên cứu các phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến hiện có trên mạng
LTE. Chính vì lẽ đó tơi quyết định chọn đề tài “Quản lý tài nguyên vô tuyến trong
mạng LTE” cho luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình. Trong suốt q trình làm đồ án,
tơi đã nhận được sự hướng dẫn và chỉ bảo rất tận tình của PGS.TS Nguyễn Hữu
Thanh, tơi xin gửi đến thầy lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất.

11


2. Lịch sử nghiên cứu
Sau khi nhận được đề tài, tôi xác định được các vấn đề cần giải quyết của đề
tài này bao gồm các nội dung sau:
− Nghiên cứu công nghệ LTE
− Cơ chế truy nhập kênh của LTE
− Các phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến hiện có trong OFDMA
− Đánh giá hiệu năng các phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến
Với các vấn đề đó, tơi đã tự lên kế hoạch về thời gian thực hiện đồ án của
mình như sau:
− Nghiên cứu cơng nghệ LTE : Thực hiện trong 3 tháng

− Cơ chế truy nhập kênh của LTE: Nghiên cứu trong 5 tháng
− Các phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến hiện có trong OFDMA:
Nghiên cứu trong 8 tháng
− Đánh giá hiệu năng các phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến: Thực
hiện trong 8 tháng
Cho đến nay, sau quá trình nghiên cứu và học tập, tơi đã hồn thành tồn bộ
luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn
− Nghiên cứu các phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến sử dụng cơ chế
OFDMA áp dụng trong mạng LTE.
− Đánh giá hiệu năng các phương pháp quản lý tài ngun vơ tuyến trong
LTE.
4. Tóm tắt các luận điểm cơ bản của luận văn
− Giới thiệu, phân tích cơng nghệ và triển vọng phát triển của cơng nghệ LTE.
− Đưa ra mơ hình hệ thống và giới thiệu cơ chế truy nhập kênh đường lên và
đường xuống của hệ thống LTE
− Nghiên cứu và đưa ra đánh giá các phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến
trong mạng LTE bao gồm:
12


+ Điều khiển truy nhập
+ Quản lý tài nguyên vô tuyến dựa trên thông tin trạng thái buffer
(phương pháp sử dụng BSR – Buffer status report)
+ Đi sâu vào nghiên cứu và phân tích thuật tốn chọn người dùng trên
mạng MIMO-OFDMA và đưa ra kết quả cụ thể (kết quả mô phỏng
bằng phần mềm MATLAB)
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với
nghiên cứu kết quả mô phỏng bằng MATLAB.

− Nghiên cứu chi tiết chức năng và thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến
trong mạng LTE
− Thu thập tài liệu phục vụ mục đích nghiên cứu thơng qua các báo cáo khoa
học, bài báo, các bài viết của các tác giả khác nhau trên các diễn đàn khoa
học công nghệ.
− Kế thừa kết quả nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu trước
− Phân tích, tổng hợp đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp quản lý tài
nguyên vô tuyến trong mạng LTE.

13


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ
MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE
1.1. Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS
thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên tồn thế giới. Để đảm bảo
tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu
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. Đặc tả kỹ thuật cho LTE
đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong 2 năm tới.
Các mục tiêu của công nghệ này là:
− Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:
o
−

Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps

Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so
với mạng HSDPA Rel. 6:
o

Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.

− Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h. Vẫn hoạt
động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê
bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng
tần)
− Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút
ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30 – 100 km thì khơng hạn chế.

14


Hình 1.1. Kiến trúc của mạng LTE
− Độ dài băng thơng linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz,1.6
MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống.
Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc
khơng.
Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong
đónổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trựcgiao),
kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output - đa nhập đa xuất).Ngoài ra
hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả2 chế độ
FDD và TDD.

1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax và những triển vọng cho
công nghệ LTE

1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax
Về cơng nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có
nhiềuđiểm tương đồng. Cả hai cơng nghệ đều dựa trên nền tảng IP. Cả hai đều dùng
kỹthuật MIMO để cải thiện chất lượng truyền/nhận tín hiệu, đường xuống từ
trạmthu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ
trợtruyền tải dữ liệu đa phương tiện và video. Theo lý thuyết, chuẩn WiMax hiện
15


tại(802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps, cịn LTE dự kiến có thể cho
tốcđộ đến 300Mbps. Tuy nhiên, khi LTE được triển khai ra thị trường có thể
WiMaxcũng sẽ được nâng cấp lên chuẩn 802.16m (còn được gọi là WiMax 2.0) có
tốc độtương đương hoặc cao hơn.

Hình 1.2 Lộ trình phát triển của LTE và các cơng nghệ khác.
Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa 2cơng
nghệ. WiMax dùng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access –
một biến thể của OFDM), còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA (SingleCarrier Frequency Division Multiple Access). Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm
việc hiệu quả hơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA.
LTE cịn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương
thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex). Ngược
lại, WiMax hiện chỉ tương thích với TDD (theo một báo cáo được công bố đầu năm
nay, WiMax Forum đang làm việc với một phiên bản Mobile WiMax tích hợp
FDD). TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùng phương
thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống thông qua
2 kênh tần số riêng biệt. Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn
WiMax. Tuy nhiên, sự khác biệt cơng nghệ khơng có ý nghĩa quyết định trong cuộc
chiến giữa WiMax và LTE.
16

Phiên bản

Bảng 1.1: Tiến trình phát triển các chuẩn của 3GPP
Thời điểm hồn Tính năng chính/Thơng tin
tất

Release 99

Q I/2000

Giới

thiệu

UMTS

Telecommunications

(Universal

Mobile

System)

và

WCDMA(Wideband CDMA).
Release 4

Quý II/2001

Bổ sung một số tính năng như mạng lõi dựa trên
IP và có những cải tiến choUMTS.

Release 5

Quý I/2002

Giới thiệu IMS (IP Multimedia Subsystems) và
HSDPA (High-Speed Download Access)

Release 6

Quý IV/2004

Kết hợp với Wireless LAN, thêm HSUPA
(High-Speed Upload Packet Access)và các tính
năng nâng cao cho IMS như Push to Talk over
Cellular (PoC).

Release 7

Quý IV/2007

Tập trung giảm độ trễ, cải thiện chất lượng dịch
vụ và các ứng dụng thời gianthực như VoIP.
Phiên bản này cũng tập trung vào HSPA+ (High
Speeed PacketEvolution) và EDGE Evolution.

Release 8

Quý I/2009

Giới thiệu LTE và kiến trúc lại UMTS như là
mạng IP thế hệ thứ tư hoàn tồndựa trên IP.

Hiện tại WiMax có lợi thế đi trước LTE, tuy nhiên LTE vẫn có lợi thế quan
trọng so với WiMax. LTE được hiệp hội các nhà khai thác GSM (GSM
Association) chấp nhận là công nghệ băng rộng di động tương lai của hệ di động
hiện đang thống trị thị trường di động toàn cầu với khoảng 2,5 tỉ thuê bao (theo
Informa Telecoms & Media) và trong 3 năm tới có thể chiếm thị phần đến 89%
(theo Gartner) – những con số “trong mơ” đối với WiMax. Hơn nữa, LTE cho phép
17


tận dụng dụng hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần đầu tư thêm thiết bị) trongkhi
WiMax phải xây dựng từ đầu.
Thời thế đổi thay, nhận thấy lợi thế của LTE, một số nhà khai thác mạngđã
cân nhắc lại việc triển khai WiMax và đã có nhà khai thác quyết định từ bỏ
conđường WiMax để chuyển sang LTE, đáng kể trong số đó có hai tên tuổi lớn
nhấttại Mỹ là AT&T và Verizon Wireless. Theo một khảo sát do RCR Wireless
News và Yankee Group thực hiện gần đây, có đến 76% nhà khai thác di động chọn
LTE, chỉ có 30% đi theo 802.16e.

1.3 Mục tiêu thiết kế LTE
Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân
năm2005 đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE. Những mục
tiêu và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25.913.
Những yêu cầu cho LTE được chia thành 07 phần khác nhau như sau:

 Tiềm năng, dung lượng.
 Hiệu suất hệ thống
 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai
 Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)
 Quản lý tài nguyên vô tuyến
 Độ phức tạp
 Những vấn đề chung
1.3.1 Tiềm năng công nghệ
Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100
Mbit/s và đường lên là 50 Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20 MHz. Khi mà
phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo. Do đó, điều kiện đặt
ra là có thể biểu diễn được 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5 bit/s/Hz cho đường
lên. Như sẽ được thảo luận dưới đây, LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD. Rõ ràng,
đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống, theo định nghĩa
không thể xuất hiện đồng thời. Do đó mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không
18


thể trùng nhau đồng thời. Mặt khác, đối với trường hợp FDD, đặc tính của LTE cho
phép q trình phát và thu đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo phần lý
thuyết ở trên.
Yêu cầu về độ trễ được chia thành: yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển(the
control-plane latency requirements) và yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng(the
user-plane latency requirements). Yêu cầu độ trễ control-plane xác định độ trễ của
việc chuyển từ các trạng thái thiết bị đầu cuối khơng tích cực khác nhau sang trạng
thái tích cực khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể gửi và nhận dữ liệu. Có hai cách
xác định: cách xác định thứ nhất được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng
thái tạm trú (camped state) chẳng hạn như trạng thái Release 6 idle mode, khi đó thì
thủ tục chiếm 100 ms; cách xác định thứ hai được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp
từ trạng thái ngủ chẳng hạn như trạng thái Release 6 Cell_PCH, khi đó thì thủ tục

chiếm 50 ms. Trong cả hai thủ tục này, thì độ trễ chế độ ngủ và việc báo hiệu nonRAN đều được loại trừ. (Chế độ Release 6 idle là 1 trạng thái mà khi thiết bị đầu
cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là, mạng truy
nhập vô tuyến không có bất cứ thuộc tính nào của thiết bị đầu cuối và thiết bị đầu
cuối cũng không được chỉ định một tài nguyên vô tuyến nào. Thiết bị đầu cuối có
thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe hệ thống mạng tại nhữngkhoảng thời gian
cụ thể. Trạng thái Release 6 Cell_PCH là trạng thái khi mà thiếtbị đầu cuối không
được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến. Tuy mạng truynhập vô tuyến biết
thiết bị đầu cuối đang ở trong tế bào nào nhưng thiết bị đầucuối lại không được cấp
phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào. Thiết bị đầu cuối lúcnày có thể đang trong chế
sleep hoặc standby).
Yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện quan thời gian để truyền
một gói IP nhỏ từ thiết bị đầu cuối tới nút biên RAN hoặc ngược lại được đo từ lớp
IP. Thời gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5 ms trong mạng khơng tải
(unloaded network), nghĩa là khơng có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện
trong tế bào

19


Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗtrợ ít
nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trạng thái tích cực khi hoạt động ởkhoảng tần 5
MHz. Trong mỗi phân bố rộng hơn 5 MHz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được
hỗ trợ. Số lượng thiết bị đầu cuối khơng tích cực trong tế bào khơng nói rõ là bao
nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể.
1.3.2 Hiệu suất hệ thống
Các mục tiêu thiết kế công năng hệ thống LTE sẽ xác định lưu lượngngười
dùng, hiệu suất phổ, độ linh động, vùng phủ sóng, và MBMS nâng cao.
Nhìn chung, các u cầu đặc tính LTE có liên quan đến hệ thống chuẩn sử
dụng phiên bản 6 HSPA. Đối với trạm gốc, giả định có một anten phát và hai anten
thu, trong khi đó thì thiết bị đầu cuối có tối đa là một anten phát và hai anten thu.

Tuy nhiên, một điều quan trọng cần lưu ý là những đặc tính nâng cao như là một
phần của việc cải tiến HSPA thì khơng được bao gồm trong tham chiếu chuẩn. Vì
thế, mặc dù thiết bị đầu cuối trong hệ thống chuẩn được giả định là có hai anten thu
thì một bộ thu RAKE đơn giản vẫn được áp dụng. Tương tự, ghép kênh không gian
cũng không được áp dụng trong hệ thống chuẩn.
Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố
người dùng trung bình và tại sự phân bố người dùng phân vị thứ 5 (khi mà 95%
người dùng có được chất lượng tốt hơn). Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ,
và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo
tế bào tính theo bit/s/MHz/cell. Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong
bảng 1.2.
Bảng 1.2 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và lưu lượng người dùng
Phương pháp đo hiệu

Mục tiêu đường xuống so
với cơ bản

Mục tiêu đường lên so
với cơ bản

3 lần – 4 lần

2 lần – 3 lần

2 lần – 3 lần

2 lần – 3 lần

suất

Lưu lượng người dùng
trung bình (trên 1 MHz)
Lưu lượng người dùng tại
biên tế bào (trên 1 MHz,
phân vị thứ 5)

20


Hiệu suất phổ
(bit/s/Hz/cell)

3 lần – 4 lần

2 lần – 3 lần

Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của cácthiết
bị đầu cuối di động. Tại tốc độ thấp, 0-15 km/h thì hiệu suất đạt được là tối đa, và
cho phép giảm đi một ít đối với tốc độ cao hơn. Tại vận tốc lên đến 120 km/h, LTE
vẫn cung cấp hiệu suất cao và đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống phải duy
trì được kết nối trên tồn mạng tế bào. Tốc độ tối đa có thể quản lý đối với một hệ
thống LTE có thể được thiết lập đến 350 km/h (hoặc thậm chí đến 500 km/h tùy
thuộc vào băng tần). Một yếu tố quan trong đặc biệt là dịch vụ thoại được cung cấp
bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lượng mà WCDMA/HSPAhỗ trợ.
Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi tế bào (bán kính),
nghĩa là khoảng cách tối đa từ vùng tế bào (cell site) đến thiết bị đầu cuối di động
trong cell. Đối với phạm vi tế bào lên đến 5 km thì những yêu cầu về lưu lượng
người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không
bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Đối với những tế bào có phạm vi lên đến 30 km thì có một
sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng và 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. Khi mà phạm vi tế bào lên đến 100 km thì khơng thấy có
đặc tính kỹ thuật về u cầu hiệu suất nào được nói rõ trong trường hợp này.
Những yêu cầu MBMS nâng cao xác định cả hai chế độ: broadcast (quảng
bá) và unicast. Nhìn chung, LTE sẽ cung cấp những dịch vụ tốt hơn so với những gì
có thể trong phiên bản 6. u cầu đối với trường hợp broadcast là hiệu suất phổ 1
bit/s/Hz, tương ứng với khoảng 16 kênh TV di động bằng cách sử dụng khoảng 300
kbit/s trong mỗi phân bố phổ tần 5 MHz. Hơn nữa, nó có thể cung cấp dịch vụ
MBMS với chỉ một dịch vụ trên một sóng mang, cũng như là kết hợp với các dịch
vụ non-MBMS khác. Và như vậy thì đương nhiên đặc tính kỹ thuật của LTE có khả
năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch vụ MBMS.

21


1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai
Các yêu cầu liên quan đến việc triển khai bao gồm các kịch bản triểnkhai, độ
linh hoạt phổ, trải phổ, sự cùng tồn tại và làm việc với nhau giữa LTE vớicác công
nghệ truy cập vô tuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/HSPA.
Những yêu cầu về kịch bản triển khai bao gồm: trường hợp mà hệ thốngLTE
được triển khai như là một hệ thống độc lập và trường hợp mà LTE đượctriển khai
đồng thời với WCDMA/HSPA hoặc GSM. Do đó mà yêu cầu này sẽ không làm
giới hạn các tiêu chuẩn thiết kế. Những yêu cầu về độ linh hoạt phổ và triển khai sẽ
được phác thảo chi tiết hơn trong phần 1.3.3.1.
Vấn đề cùng tồn tại và có thể hoạt động phối hợp với các hệ thống
3GPPkhác và những yêu cầu tương ứng đã thiết lập ra những điều kiện về tính linh
độnggiữa LTE và GSM, và giữa LTE và WCDMA/HSPA cho thiết bị đầu cuối di
độnghỗ trợ những công nghệ này. Bảng 1.3 liệt kê những chỉ tiêu về độ trễ chuyển
giao, đó là, thời gian gián đoạn dài nhất trong liên kết vô tuyến khi thuê bao di
chuyển giữa các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời

gian thực và phi thời gian thực.
Yêu cầu về việc cùng tồn tại và có thể làm việc với nhau cũng xác định việc
chuyển đổi lưu lượng multicast từ phương pháp broadcast trong LTE thành phương
pháp unicast trong cả GSM hoặc WCDMA, mặc dù khơng có số lượng cho trước.
Bảng 1.3 - u cầu về độ trễ chuyển giao, LTE-GSM và LTE-WCDMA
Dịch vụ phi thời gian thực
Dịch vụ thời gian thực
LTE sang WCDMA
500ms
300ms
LTE sang GSM
500ms
300ms
1.3.3.1 Độ linh hoạt phổ và việc triển khai
Nền tảng cho những yêu cầu về độ linh hoạt phổ là những điều kiện để LTE
có thể được triển khai trên những băng tần IMT-2000 hiện hành, nghĩa là khả năng
cùng tồn tại với các hệ thống đã được triển khai trên những băng tần này, bao gồm
WCDMA/HSPA và GSM. Một phần liên quan đến những yêu cầu LTE về mặt độ
linh hoạt phổ là khả năng triển khai việc truy nhập vô tuyến dựa trên LTE cho dù

22


phân bố phổ là theo cặp hay đơn lẻ, như vậy LTE có thể hỗ trợ cả Song cơng phân
chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD).
Sơ đồ song công hay việc qui hoạch song cơng là một thuộc tính củacơng
nghệ truy cập vơ tuyến. Tuy vậy, một phân bố phổ cho trước thì cũng đượcliên kết
với một qui hoạch song công cụ thể. Hệ thống FDD được triển khai theomột cặp
phân bố phổ, với một dải tần cho truyền dẫn đường xuống và một dải tầnkhác dành
cho đường lên. Còn hệ thống TDD thì được triển khai trong các phânbố phổ đơn lẻ.

Lấy một ví dụ là phổ của IMT-2000 tại tần số 2 GHz, gọi là băng tầnlõi
IMT-2000. Như trình bày trong hình 1.3, nó bao gồm cặp băng tần 1920-1980MHz
và 2110-2170 MHz dành cho truy cập vô tuyến dựa trên FDD, và hai băngtần là
1910-1920 MHz và 2010-2025 MHz dành cho truy cập vơ tuyến dựa trênTDD. Chú
ý là có thể vì những qui định của địa phương và vùng mà việc sử dụngphổ của IMT2000 có thể khác so với những gì được trình bày ở đây.

Hình 1.3. Phân bố phổ băng tần lõi tại 2 GHz của nguyên bản IMT-2000
Cặp phân bố cho FDD trong hình 1.3 là 2 x 60 MHz, nhưng phổ khảdụng
cho một nhà khai thác mạng đơn lẻ có thể chỉ là 2 x 20 MHz hoặc thậm chílà 2 x 10
MHz. Trong những băng tần khác phổ khả dụng có thể cịn ít hơn nữa.Ngoài ra, sự
dịch chuyển của phổ đang được sử dụng cho những công nghệ truycập vô tuyến
khác cần phải diễn ra một cách từ từ để chắc chắn rằng lượng phổcòn lại phải đủ để
hỗ trợ cho những người dùng hiện tại. Vì vậy, lượng phổ banđầu được dịch chuyển
tới LTE có thể tương đối nhỏ, nhưng sau đó có thể tăng lêntừ từ, được thể hiện
trong hình 1.4. Sự khác nhau của những diễn tiến phổ có thểxảy ra sẽ dẫn đến một
yêu cầu về độ linh hoạt phổ cho LTE dưới dạng băng thôngtruyền dẫn được hỗ trợ.
23


Hình 1.4 – Một ví dụ về cách thức LTE thâm nhập từng bước vào phân bố
phổcủa một hệ thống GSM đã được triển khai
Yêu cầu về độ linh hoạt phổ địi hỏi LTE phải có khả năng mở rộng trong
miền tần số và có thể hoạt động trong nhiều băng tần khác nhau. Yêu cầu về độ linh
hoạt trong tài liệu tham khảo được liệt kê thành danh sách các phân bố phổ của LTE
(1.25, 1.6, 2.5, 5, 10, 15 và 20 MHz). Ngồi ra, LTE cịn có khả năng hoạt động
theo cặp phổ cũng như là đơn lẻ. LTE cũng có thể triển khai trong nhiều băng tần
khác nhau. Những băng tần được hỗ trợ được chỉ rõ dựa vào “độc lập phiên bản”
(“release independence”), nghĩa là phiên bản đầu tiên của LTE không phải hỗ trợ tất
cả các băng tần ngay từ đầu.
Hơn nữa, tài liệu tham khảo cũng xác định về vấn đề cùng tồn tại và lắp đặt

chung với GSM và WCDMA trên những tần số lân cận, cũng như là sự cùng tồn tại
giữa những nhà khai thác và hệ thống mạng lân cận trên những quốc gia khác nhau
nhưng sử dụng phổ chồng nhau (overlapping spectrum). Ở đây cũng có một điều
kiện là khơng có hệ thống nào khác được u cầu hợp lệ khi một thiết bị đầu cuối
truy cập vào LTE, nghĩa là LTE cần phải có tất cả tín hiệu điều khiều cần thiết được
yêu cầu cho việc kích hoạt truy nhập.
24


1.3.4. Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration)
Một vài nguyên tắc chỉ đạo cho việc thiết kế kiến trúc LTE RAN được đưa ra
bởi 3GPP như sau:
− Kiến trúc LTE RAN phải dựa trên nền tảng gói tin (packet), tuy vậy lưu
lượng lớpthoại và thời gian thực vẫn được hỗ trợ.
− Kiến trúc LTE RAN có thể tối thiểu hóa sự hiện diện của ‘những hư hỏngcục
bộ’ (‘single points of failure’) mà khơng làm tăng chi phí cho đường
truyền(backhaul).
− Kiến trúc LTE RAN có thể đơn giản hóa và tối thiểu hóa số lượng giaotiếp
đã được giới thiệu.
− Tương tác lớp mạng vô tuyến (Radio network layer: RNL) và lớp
mạngtruyền tải (Transport network layer: TNL) có thể được loại trừ nếu chỉ
cần quantâm đến vấn đề cải thiện hiệu suất hệ thống.
− Kiến trúc LTE RAN có thể hỗ trợ QoS end-to-end. TNL có thể cung cấpQoS
thích hợp khi được yêu cầu bởi RNL.
− Các cơ cấu QoS có thể tính tốn đến các dạng lưu lượng đang tồn tại
khácnhau để mang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao: lưu lượng mặt
phẳng điềukhiển (Control-Plane), lưu lượng mặt phẳng người dùng (UserPlane), lưu lượngO&M, v.v…
− LTE RAN có thể được thiết kế theo lối làm giảm biến đổi trễ (delayvariation
- jitter) đối với lưu lượng cần độ jitter thấp, ví dụ TCP/IP.
1.3.5. Quản lý tài nguyên vô tuyến

Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ
trợnâng cao cho QoS end to end, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và
hỗtrợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lý chính sách thơng qua các cơng
nghệtruy cập vơ tuyến khác nhau.

25