Nghiên cứu kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin di động 4g LTE advanced

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐINH VĂN TÀI

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP
TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG
4G/LTE-ADVANCED

Chun ngành: Kỹ thuật Truyền thơng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung

Hà Nội – Năm 2013


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ...................................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED ..................................4
1.1. GIỚI THIỆU .....................................................................................................4
1.2. LTE ...................................................................................................................4

1.2.1. Các yêu cầu của LTE .................................................................................4
1.2.2. Kiến trúc LTE ............................................................................................6
1.2.3. Cơ chế truyền dẫn ......................................................................................9
1.2.4. Giải pháp đa anten (MIMO) ....................................................................11
1.3. LTE-ADVANCED .........................................................................................12
1.3.1. Các yêu cầu của LTE-Advanced .............................................................12
1.3.2. Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced .........................12
CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP ..............................................................19
2.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ..........................................................................19
2.2. CÁC LOẠI NÚT CHUYỂN TIẾP .................................................................20
2.3. CÁC CHIẾN LƯỢC CHUYỂN TIẾP ...........................................................21
2.4. CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN DẪN CHUYỂN TIẾP ..........................................24
2.4.1. Khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) .........................24
2.4.2. Giải mã hóa và chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) .........................24
2.5. HỆ THỐNG PHỐI HỢP ................................................................................24
2.6. CÁC CƠ CHẾ BẮT CẶP CHO VIỆC LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP..........25
2.6.1. Cơ chế bắt cặp tập trung ..........................................................................25
2.6.2. Cơ chế bắt cặp phân phối.........................................................................27

ii


CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG PHỐI HỢP ...........................29
3.1. GIỚI THIỆU ...................................................................................................29
3.2. HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP AF ..............................29
3.2.1. Mơ hình hệ thống .....................................................................................29
3.2.2. PDF và CDF cho SNR giới hạn trên .......................................................31
3.2.3. Phân tích đặc tính hệ thống......................................................................34
3.3. HỆ THỐNG PHỐI HỢP VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP DF .............................37
3.3.1. Mơ hình hệ thống .....................................................................................37

3.3.2. Phân tích SER ..........................................................................................39
CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÙNG PHỦ SĨNG VÀ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT
TRONG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP ....................................................................43
4.1. PHÂN TÍCH VÙNG PHỦ SĨNG .................................................................43
4.1.1. Tốc độ truyền dẫn cho cơ chế chuyển tiếp DF .......................................43
4.1.2. Mở rộng dải vùng phủ trong các hệ thống tế bào ...................................44
4.1.3. Phân tích dải vùng phủ trong hệ thống chuyển tiếp ................................45
4.2. PHÂN TÍCH SỰ TIÊU THỤ CƠNG SUẤT .................................................50
CHƯƠNG 5 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB.......53
5.1. GIỚI THIỆU CHUNG ...................................................................................53
5.1.1. Sơ đồ mô phỏng và đánh giá sự cải thiện chất lượng trong hệ thống phối
hợp. ....................................................................................................................53
5.2. CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG .......................................................................59
5.2.1. Kết quả mơ phỏng sự cải thiện chất lượng trong hệ thống phối hợp ......59
5.2.2. Kết quả mô phỏng sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng nút chuyển
tiếp .....................................................................................................................69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................75
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................76

iii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ
thống thông tin di động 4G dựa trên công nghệ LTE – Advanced” đây là cơng
trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và rõ ràng.
Tác giả

Đinh Văn Tài

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AF

Amplify and Forward

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

CDF

Cumulative Distribution Function

CDMA

Code Division Multiple Access

DF

Decode and Forward

HSDPA

High Speech Downlink Packet Access

LTE

Long Term Evolution

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

MGF

Moment Generating Function

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MRC

Maximal Ratio Combining

MS

Mobile Station

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PDF

Probability Distribution Function

PSK

Phase-Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying

RN

Relay Node

RS

Relay Station

SC

Single Carrier

SER

Symbol Error Ratio

SNR

Signal to Noise Ratio

v


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

1.1

So sánh các yêu cầu của LTE và LTE-Advanced

22

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu hình

Tên hình

Trang

1.1

Kiến trúc LTE Release 8

6

1.2

Truyền dẫn đa anten MIMO

12

1.3

Ví dụ về khối tập kết sóng mang

13

1.4

Truyền dẫn đa điểm phối hợp

15

1.5

Chuyển tiếp trong LTE-Advanced

17

2.1

Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp

19

2.2

Mở rộng vùng phủ sử dụng nút chuyển tiếp

20

2.3

Minh họa nút chuyển tiếp loại 1 và loại 2

21

2.4

Các chiến lược chuyển tiếp

22

2.5

Chuyển tiếp 1 chiều

23

2.6

Chuyển tiếp 2 chiều

23

2.7

Chuyển tiếp cooperative với 02 nút chuyển tiếp

25

3.1

Mơ hình cooperative với nút chuyển tiếp AF

29

3.2

Độ lợi SNR trung bình theo số lượng nút chuyển tiếp

35

3.3

Mơ hình cooperative với nút chuyển tiếp DF

38

4.1

Mơ hình hệ thống chuyển tiếp MIMO

43

4.2

Ví dụ về tăng vùng phủ bằng nhiều trạm chuyển tiếp

45

4.3

Xấp xỉ lạc quan cho dải vùng phủ (θ ≥ 60  )

47

4.4

Xấp xỉ lạc quan cho dải vùng phủ (θ < 60  )

49

4.5

Xấp xỉ bi quan cho dải vùng phủ

49

4.6

Vị trí của RS trong truyền dẫn chuyển tiếp

51

5.1

Sơ đồ mơ phỏng với một nút chuyển tiếp

54

5.2

Sơ đồ mô phỏng với nhiều nút chuyển tiếp

55

5.3

Lưu đồ giải thuật trong trường hợp nút chuyển tiếp

di chuyển giữa eNodeB và UE, khoảng cách giữa

vii

57


eNodeB và UE cố định
5.4

Lưu đồ giải thuật trong trường hợp nút chuyển tiếp
đứng yên, khoảng cách giữa eNodeB và UE thay đổi

58

5.5

Sự cải thiện SER dùng 01 nút chuyển tiếp

59

5.6

Sự cải thiện SER dùng 03 nút chuyển tiếp

60

5.7

Sự cải thiện SER dùng 05 nút chuyển tiếp

61

5.8

Sự cải thiện SER dùng 07 nút chuyển tiếp

62

5.9

Sự cải thiện SER dùng 10 nút chuyển tiếp

63

5.10

Sự cải thiện SER dùng 01 nút chuyển tiếp

64

5.11

Sự cải thiện SER dùng 03 nút chuyển tiếp

65

5.12

Sự cải thiện SER dùng 05 nút chuyển tiếp

66

5.13

Sự cải thiện SER dùng 07 nút chuyển tiếp

67

5.14

Sự cải thiện SER dùng 10 nút chuyển tiếp

68

5.15

5.16

5.17

5.18

5.19

5.20

Sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng 01 nút
chuyển tiếp di chuyển giữa eNodeB và UE với n = 2
Sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng 01 nút

chuyển tiếp di chuyển giữa eNodeB và UE với n = 4
Sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng 01 nút
chuyển tiếp (n = 2)
Sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng 02 nút
chuyển tiếp (n = 2)
Sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng 01 nút
chuyển tiếp (n = 4)
Sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng 02 nút
chuyển tiếp (n = 4)

viii

69

70

71

72

73

74


MỞ ĐẦU
Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu
hướng tích hợp và IP hoá đã đặt ra các yêu cầu mới đối với công nghiệp Viễn
Thông di động. Mạng thông tin di động thế hệ ba ra đời đã khắc phục được các
nhược điểm của các mạng thông tin di động thế hệ trước đó, tuy nhiên mạng di

động này cũng tồn tại một số nhược điểm. Trong bối cảnh đó người ta đã chuyển
hướng sang nghiên cứu và triển khai hệ thống thơng tin di động mới có tên gọi là
4G dựa trên nền tảng là công nghệ LTE (Long Term Evolution).
Hiện nay, trên thế giới, các nước Bắc Mỹ và Bắc Âu đã bắt đầu triển khai các
mạng Viễn Thông 4G dùng công nghệ LTE. Tại Việt Nam, công nghệ 4G/LTE đã
được thử nghiệm bởi Ericssion phối hợp với Bộ Thông tin và Truyền thông trong
năm 2010.
Sự ra đời của hệ thống 4G/LTE mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ,
cung cấp băng thông rộng (đến 100 MHz), dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc
độ cao (1Gbps cho Downlink và 500Mbps cho Uplink). Để đạt được các yêu cầu
trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, các công nghệ thành phần tiên
tiến đã được đề xuất sử dụng như: OFDMA, MIMO anten, truyền dẫn đa điểm phối
hợp, … Một trong những công nghệ đem lại nhiều ưu điểm và lợi ích thiết thực là
kỹ thuật chuyển tiếp, đó là việc đặt thêm các nút chuyển tiếp để chuyển tiếp dữ liệu
truyền giữa trạm thu phát gốc và thiết bị người dùng. Kỹ thuật chuyển tiếp được sử
dụng với nhiều ưu điểm:
- Mở rộng vùng phủ sóng của eNodeB
- Cung cấp tốc độ dữ liệu cao, đặc biệt tại khu vực rìa cell, nơi mà ở đó có tỉ
số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp
- Nâng cao chất lượng hệ thống
- Tối ưu được tiêu thụ cơng suất trên tồn bộ tuyến truyền dẫn
- Giá thành thiết bị thấp hơn eNodeB
Với những ưu điểm này, kỹ thuật chuyển tiếp là công nghệ tiên phong được
đề xuất sử dụng để đáp ứng những yêu cầu của hệ thống 4G.

1


Xuất phát từ vấn đề này luận văn này thực hiện nghiên cứu kỹ thuật chuyển
tiếp với nội dung bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về LTE và LTE-Advanced
Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ
thành phần đề xuất cho LTE và LTE-Advanced
Chương 2:

Kỹ thuật chuyển tiếp
Giới thiệu về khái niệm, các loại nút chuyển tiếp, các cơ chế
truyền dẫn chuyển tiếp, các cơ chế bắt cặp chuyển tiếp và
truyền dẫn phối hợp

Chương 3: Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp
Phân tích và đi xây dựng các biểu thức về tỉ số lỗi symbol SER
trong hệ thống phối hợp với hai loại nút AF và DF
Chương 4:

Phân tích vùng phủ sóng và tiêu thụ cơng suất trong kỹ thuật
chuyển tiếp
Phân tích việc mở rộng dải vùng phủ sóng và việc cải thiện
tổng công suất tiêu thụ khi sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp

Chương 5: Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab
Giới thiệu các sơ đồ, lưu đồ thuật toán chương trình mơ phỏng
và các kết quả mơ phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng
hệ thống phối hợp và sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử
dụng kỹ thuật chuyển tiếp
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng luận văn chắc sẽ khơng tránh khỏi những
thiếu sót cần được bổ sung và phát triển. Kính mong quý thầy cơ và bạn đọc đóng
góp thêm ý kiến để luận văn được hồn thiện.
Xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn
Quốc Trung, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình

hướng dẫn, chỉ bảo và đóng góp ý kiến giúp em hoàn thành luận văn này.

2


Quảng Nam, tháng 03 năm 2013
Học viên thực hiện

Đinh Văn Tài

3


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LTE VÀ LTE-ADVANCED
1.1. GIỚI THIỆU
Cùng với sự phát triển cũng như đòi hỏi của xã hội, ngành khoa học trong
lĩnh vực truyền dẫn viễn thông cũng luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó.
Đặc biệt là trong xã hội ngày nay nhu cầu về trao đổi thông tin, truyền dữ liệu, các
dịch vụ trên các thiết bị di động ngày càng cao. Các hệ thống thông tin di động 2G,
2.5G và đặc biệt là 3G vẫn đang hoạt động khá trơn chu và ngày càng phát triển với
những thế mạnh của mình. Tuy nhiên chúng vẫn phần nào chưa đáp ứng được mong
đợi của những khách hàng có nhu cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao. Hệ thống
thông tin di động sử dụng công nghệ LTE được phát triển sẽ giải quyết được những
khó khăn trên.
LTE là từ viết tắt của Long Term Evolution, mơ tả cơng việc chuẩn hóa của
3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống
truyền thông di động. LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thứ
4 hay còn gọi là 4G. Hệ thống này được kỳ vọng có những tiến bộ vượt bậc về cơng
nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3G trước đó.
1.2. LTE

1.2.1. Các yêu cầu của 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 toàn 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. Đặc tả kỹ thuật cho LTE
đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong thời gian
tới.
Các mục tiêu của công nghệ này là:

4


- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:
+ 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:
+ 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.
- 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 không.
Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong
đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực
giao), 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 cả 2
chế độ FDD và TDD.
Trên thế giới đã có nhiều hãng viễn thơng lớn triển khai hoạt động mạng
LTE. Mạng NTT DoCoMo của Nhật đi tiên phong khi khai trương dịch vụ vào năm
2009. Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, và China Mobile tuyên bố hợp tác
thử nghiệm LTE vào năm nay. Ngày 8 tháng 10 năm 2010, hãng viễn thông
Ericsson Việt Nam đã phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện của Bộ Thơng tin và
Truyền thơng trình diễn cơng nghệ LTE – công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiến
của đại diện của Bộ cùng các mạng di động Việt Nam. Chuyên gia của Ericsson cho
biết, nếu như tốc độ của dịch vụ ADSL được cung cấp tại Việt Nam trung bình từ
1.5Mbps – 6Mbps đã là băng rộng thì với LTE, thế vẫn chưa là gì. Cơng nghệ TD-

5


LTE có tốc độ lý tưởng lên đến 110 Mbps với cấu hình tương tự. Đợt thử nghiệm
này diễn ra ở băng tần 2300-2400Mhz. Kết thúc cuộc thử nghiệm tốc độ đo được:
tải xuống đạt 80Mbps, tải lên đạt 20Mbps, vượt xa tốc độ truy nhập của ADSL hiện
nay.
1.2.2. Kiến trúc LTE
Dựa vào tính năng khác nhau của các phần tử, mạng di động có thể được
phân thành 2 phần: phần mạng truy nhập vô tuyến và phần mạng lõi. Các tính năng
như điều chế, chuyển giao, … thuộc về phần truy nhập, trong khi các tính năng khác
như tính cước, quản lý di động, … thì thuộc về phần mạng lõi. Trong LTE, mạng
truy nhập vô tuyến là E-UTRAN và mạng lõi là EPC.

Hình 1.1: Kiến trúc LTE Release 8.

6


1.2.2.1. Mạng truy nhập vô tuyến
Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong
những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm thời gian thực, sẽ được
cung cấp qua các kênh chuyển mạch gói. Điều này làm gia tăng hiệu quả phổ tần và
làm tăng dung lượng hệ thống so với các hệ thống UMTS và HSPA hiện tại. Một
kết quả quan trọng của việc dùng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp
tốt hơn giữa tất cả các dịch vụ đa phương tiện và giữa các dịch vụ di động và dịch
vụ cố định.
Các chức năng của mạng truy nhập vô tuyến bao gồm:
- Mã hóa, đan xen, điều chế và các chức năng lớp vật lý điển hình khác
- ARQ, nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác
- Các chức năng an ninh (mật mã hóa và bảo vệ tính tồn vẹn)
- Các chức năng quản lí tài nguyên, chuyển giao và các chức năng điều khiển
tài nguyên vơ tuyến điển hình khác.
Hình 1.1 cho thấy tổng quan mạng truy nhập vô tuyến LTE RAN với các nút
và giao diện. Khác với WCDMA/HSPA RAN, LTE RAN chỉ có 1 kiểu nút. Như
vậy trong LTE khơng có nút tương đương với RNC. Lý do chủ yếu là khơng có hỗ
trợ phân tập vĩ mô đường lên, đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng
và triết lý là giảm thiểu số lượng nút.
Một trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong các mạng truy nhập
WCDMA/HSPA, nó được gọi là eNodeB (Enhanced NodeB). eNodeB chịu trách
nhiệm cho một tập các ô. Tương tự như nodeB trong kiến trúc WCDMA/HSPA
không cần sử dụng cùng 1 trạm anten. eNodeB thừa hưởng các chức năng của RNC.
eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến của 1 ô, các quyết định
chuyển giao, lập biểu cho cả đường lên và đường xuống trong các ơ của mình.

Chức năng của eNB :
- Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến
- Nén IP header và mã hố dịng dữ liệu người sử dụng
- Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập

7


- Bảo đảm chất lượng dịch vụ
- Thực hiện các cuộc chuyển giao với các thiết bị di động UE.
Giao diện giữa eNodeB với mạng lõi và với các eNodeB khác
- eNodeB được nối tới mạng lõi thông qua giao diện S1. Giao diện S1 giống
như giao diện Iu nối giữa mạng lõi và RNC trong WCDMA/HSPA.
- Giữa các eNodeB có giao diện X2 giống như giao diện Iur trong
WCDMA/HSPA. Giao diện X2 chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ di động chế độ tích
cực.
1.2.2.2. Mạng lõi
Mạng lõi mới là sự tiến hóa hồn tồn của hệ thống thế hệ thứ ba, và nó chỉ
hỗ trợ miền chuyển mạch gói. Bởi vậy, nó có tên gọi mới là EPC (Evoled Packet
Core).
Mạng lõi cũng tuân theo triết lý giảm thiểu số lượng nút giống như ở EUTRAN. EPC phân chia các luồng dữ liệu người dùng vào trong mặt bằng điều
khiển và mặt bằng dữ liệu.
EPC bao gồm nhiều thực thể chức năng sau:
- Thực thể quản lý di động (MME: Mobility Management Entity): thực thi
cho các chức năng ở mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý
phiên, cụ thể là:
+ Cung cấp tín hiệu cho phép truy nhập mạng và các khía cạnh an ninh.
+ Chọn chế độ tích cực thấp cho thiết bị người sử dụng khi không làm
việc.
+ Theo dõi quản lí danh sách các thuê bao trong khu vực .

+ Chuyển vùng.
+ Nút SGSN hỗ trợ các thuê bao 2G, 3G truy nhập mạng LTE.
+ Trung tâm nhận thực.

8


- Cổng dịch vụ (Seving Gateway): là điểm kết thúc sự truy nhập từ mạng
truy nhập vô tuyến E-UTRAN. Các chức năng chính bao gồm:
+ Là nút hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong
quá trình thiết bị di động di chuyển.
+ Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP.
+ Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn
rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu
dịch vụ.
+ Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink.
+ Tính tốn chi phí của người dùng.
+ Cho phép cấp quyền truy nhập.
+ Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói.
+ Hỗ trợ việc tính cước.
- Cổng mạng dữ liệu gói (PDN Gateway): là điểm kết cuối cho các phiên
hướng đến mạng dữ liệu gói bên ngồi. Các chức năng chính bao gồm:
+ Thực thi chính sách, mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ
khác nhau.
+ Tính phí hỗ trợ.
+ Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink.
+ Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập.
+ Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP.
+ Phân loại các gói.
+ Có chức năng như DHCP trong 3G.

1.2.3. Cơ chế truyền dẫn
Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều các
công nghệ đa truy nhập, cụ thể: đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho đường

9


xuống (OFDMA), và đa truy nhập phân chia tần số - đơn sóng mang (SC-FDMA)
cho đường lên.
1.2.3.1. Truyền dẫn đường xuống
Cốt lõi của truyền dẫn vô tuyến đường xuống trong LTE là ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao (OFDM) với dữ liệu được truyền đi trên một số lượng lớn
các sóng mang con băng hẹp song song. OFDM cung cấp nhiều ưu điểm, đó là hiệu
quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ
thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số
lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng).
Bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nhiều sóng mang, thời gian của
symbol sẽ dài hơn độ trải trì hỗn của kênh (delay spread). Vì thời gian ký tự
OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung
cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency
selectivity). Mặc dù trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc
tần số có thể được kiểm sốt bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ
thuật cân bằng bắt đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết
bị đầu cuối di động tại băng thông trên 5 MHz. Vì vậy mà O F D M v ớ i k h ả n ă n g
v ố n c ó t r o n g v i ệ c c h ố n g l ạ i f a d i n g l ự a c h ọ n t ầ n s ố s ẽ t r ở thành sự
lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghép
kênh không gian (spatial multiplexing).
1.2.3.2. Truyền dẫn đường lên
Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương thức
điều chế hơi khác một chút. Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR (Peak to

Average Power Ratio _ tỷ lệ cơng suất đỉnh so với trung bình) cao, điều này có thể
dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong
UE, đó là khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại cơng suất
để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng bắt được (pick up). Bộ khuếch
đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một

10


thiết bị, và vì thế nên có hiệu quả cơng suất cao càng cao càng tốt để làm tăng tuổi
thọ pin của máy.
Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối với
các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít năng
lượng càng tốt. Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càng
thấp thì thời gian hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định càng dài.
Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một
PAPR tốt (thấp) hơn, là SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple
Access _ Đa Truy cập Phân chia theo tần số đơn sóng mang). Việc sử dụng phương
pháp đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang sẽ cho PAPR nhỏ hơn so
với OFDM dẫn đến tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu cuối ít hơn, tăng tính di động
cho thiết bị. Vì vậy nó được 3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng lên.
1.2.4. Giải pháp đa anten (MIMO)
Để đạt được tốc độ truyền và nhận dữ liệu cao, công nghệ LTE cũng yêu cầu
những cải tiến trong phần anten .Công nghệ MIMO là một giải pháp phù hợp cho
những yêu cầu đó.
MIMO (Multi Input Multi Output) là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và
nhiều anen thu để truyền và nhận dữ liệu. Điều này khắc phục được ảnh hưởng của
hiện tượng đa đường. Đa đường xảy ra khi các tín hiệu khác nhau đến máy thu tại
các khoảng thời gian khác nhau. MIMO chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng đơn
lẻ, phát các luồng dữ liệu này trên cùng một kênh vô tuyến tại cùng một thời điểm.

Phía thu sử dụng một thuật tốn để xử lý và tạo ra tín hiệu phát ban đầu từ nhiều tín
hiệu thu được.
MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng
về thông lượng và hiệu quả trải phổ. Với hướng Downlink, MIMO 2x2 (2 anten ở
thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4
cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy
thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial

11


multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của
MIMO trong cơng nghệ LTE.

010
Chuỗi dữ liệu gốc

010110

TX

RX

010110

110

Hình 1.2: Truyền dẫn đa anten MIMO
1.3. LTE-ADVANCED
LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) là sự tiến hóa trong tương

lai của cơng nghệ LTE, cơng nghệ dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP
trong phiên bản Release 10, nhằm đáp ứng những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô
tuyến di động thế hệ thứ 4 (4G).
1.3.1. Các yêu cầu của LTE-Advanced
- Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến 40 MHz.
- Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)
- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử
sử dụng MIMO 4x4)
- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6.75 b/s/Hz (giả sử sử
dụng MIMO 4x4)
- Tốc độ thông lượng lý thuyết là 1.5 Gb/s (trong phiên bản trước đây, 1Gb/s
thường được coi là mục tiêu của hệ thống 4G).
1.3.2. Các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced
1.3.2.1. Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần.

12


Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được
thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với
những gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên
đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced. Việc mở rộng độ
rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ. Điều
này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều
sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng
cần thiết. Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện
như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể
khai thác tồn bộ độ rộng băng khối kết tập.
Hình 1.3 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc
dù ở khía cạnh băng gốc, điều này khơng phải là điều kiện tiên quyết. Truy nhập

đến một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz khơng thể có thường xun. Do đó,
LTE-Advanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần khơng liền kề để
xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau khơng sẵn có.
Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía
cạnh thực thi. Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì
sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất.

Hình 1.3: Ví dụ về khối tập kết sóng mang
Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn
khơng chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc
mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình.

13


1.3.2.2. Giải pháp đa anten mở rộng
Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không
gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục
đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced. Thiết kế đa anten LTE hiện
tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ơ cụ thể tương ứng
ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã. Cấu trúc này cung cấp
cả sự ghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s
cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã). Kết hợp với nhau trên độ rộng băng
toàn phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh
là 1.5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced. Có thể thấy trước rằng hỗ
trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced.
Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có
thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở
rộng băng tần.
1.3.2.3. Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể
về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối. Định dạng chùm
là một cách. Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối
đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về
chi phí. Mơ hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ở
một nút đơn được mơ tả ở hình 1.4. Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền
dẫn từ đa điểm truyền dẫn. Phụ thuộc vào quy mơ mở rộng, có 3 phương án A, B, C
như sau:
Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từ
nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý. Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở
bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm. Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường
truyền đang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ
thể. Bởi vì các thiết bị đầu cuối khơng nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn
đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE)

14


phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh. Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối
hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết quả
là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải trọng
nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại cơng suất ở trạng thái rỗi.

Hình 1.4: Truyền dẫn đa điểm phối hợp
Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái
kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu
cuối riêng, trong khi q trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn
điểm. Ở phía mạng, bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực
hiện phối hợp các hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở các điểm truyền dẫn khác
nhau. Có thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị

riêng để giảm can nhiễu giữa những người sử dụng. Loại truyền dẫn đa điểm phối
hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ở trên
nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó còn cho phép phối hợp
can nhiễu giữa những người sử dụng để cải thiện hơn nữa SNR. Bởi vì thiết bị đầu
cuối khơng nhận biết việc xử lí chính xác ở mạng nên cần có các tín hiệu tham
chiếu UE cụ thể.

15


Ở phương án C, báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B. Tuy
nhiên, không giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biết
truyền dẫn phối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao
nhiêu, ...). Thơng tin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở
phía thiết bị đầu cuối.
Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính địi hỏi cách áp dụng xử lí tín
hiệu thích đáng ở bộ thu. Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn,
vốn đã sử dụng trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay.
1.3.2.4. Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp
Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp
khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng
tốc độ số liệu. Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự
thu được. Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà
khơng quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay khơng.
Những bộ lặp như vậy khơng hiển thị đối với cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc. Tuy
nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn
sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển cơng suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ
tích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ
lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực. Các báo cáo đo đạc bổ sung từ
các thiết bị đầu cuối có thể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng

mà trong đó các bộ lặp được bật lên. Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và
lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía
cạnh di động.
Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu
tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ. Đây thường được xem là
chuyển tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp. Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã
hóa khối số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms.
Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ
có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối.

16


Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính
năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới)
nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp
được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự
chuyển tiếp (self backhauling))
Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại
tạp âm), giải pháp self backhauling khơng u cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao
diện mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do
đó có thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng.

Hình 1.5: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced
1.4. SO SÁNH LTE và LTE-ADVANCED
Bảng dưới đây là sự so sánh tổng quát các yêu cầu về tốc độ, băng thơng,
tính năng di động, vùng phủ sóng và dung lượng của LTE và LTE-Advanced.
Bảng 1.1: So sánh các yêu cầu của LTE và LTE-Advanced
Công nghệ
Tốc độ dữ liệu đỉnh

LTE

LTE-Advanced

150 Mbit/s

1 Gbit/s

75 Mbit/s

500 Mbit/s

20 MHz

100 MHz

đường Downlink
Tốc độ dữ liệu đỉnh
đường Uplink
Băng thông truyền dẫn

17