Nghiên cứu công nghệ chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTE advanced

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................................5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .......................................................................................7
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ................................................................11
1.1

Lí do chọn đề tài ..........................................................................................11

1.2

Mục tiêu của đề tài.......................................................................................11

1.3

Giới hạn và phạm vi nghiên cứu..................................................................12

1.4

Kết quả dự kiến đạt được.............................................................................12

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT ...........................................................................13
2.1 Tổng quan hệ thống thơng tin di động .............................................................13
2.1.1

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) ..................................13

2.1.2

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) ....................................13

2.1.3

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) .....................................14

2.1.4

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) .....................................16

2.2 Kiến trúc mạng LTE và tổng quan về mạng LTE-Advanced ..........................18
2.2.1 Kiến trúc mạng LTE ..................................................................................18
2.2.2 Tổng quan về mạng LTE-Advanced .........................................................23
2.3 Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced.............................25
2.3.1. Truyền dẫn băng rộng và chia sẻ phổ tần. ................................................25
2.3.2. Giải pháp đa anten ....................................................................................26
2.3.3. Truyền dẫn đa điểm phối hợp...................................................................26
2.3.4. Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp .............................................................28
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN ..................................................................30
3.1. Tìm hiểu cơng nghệ chuyển tiếp (relaying) ....................................................30
3.1.1. Giới thiệu ..................................................................................................30
3


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

3.1.2. Phân loại relay ..........................................................................................30
3.1.3. Relay trong mạng LTE-Advanced ...........................................................36
3.2. Tìm hiểu về phần mềm Matlab và viết code mô phỏng trên matlab ..............45
3.2.1. Tổng quan về phần mềm mô phỏng Matlab .............................................45

3.2.2. Thực hiện cài đặt, mô phỏng ....................................................................50
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ........................................................................................56
4.1 Kết quả đạt được của đề tài..............................................................................56
4.2 Hạn chế của đề tài ............................................................................................56
4.3 Hướng phát triển của đề tài..............................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................57
PHỤ LỤC ..................................................................................................................58

4


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2-1: Kiến trúc cơ bản của mạng LTE ...............................................................18
Hình 2-2: ENodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính...............21
Hình 2-3: Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính ...........22
Hình 2-4: P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính ...............23
Hình 2-5: Ví dụ về khối kết tập sóng mang ..............................................................26
Hình 2-6: Truyền dẫn đa điểm phối hợp ...................................................................27
Hình 2-7: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced ...........................................................28
Hình 3-1: AF relay ....................................................................................................30
Hình 3-2: DF relay ....................................................................................................31
Hình 3-4: L1 relay .....................................................................................................33
Hình 3-5: L2 relay (PUD-Protocol Data Unit, TRX-Transciever) ...........................34
Hình 3-6: Cơng nghệ chuyển tiếp khơng dây ...........................................................35
Hình 3-7: Inband và Outband relay...........................................................................36
Hình 3-8: Kiến trúc mạng vô tuyến cho trạm chuyển tiếp L3 ..................................40
Hình 3-9: Trạm relay cố định ....................................................................................41
Hình 3-10: Trạm relay tạm thời ................................................................................42

Hình 3-11: Trạm relay di động..................................................................................42
Hình 3-12: Sử dụng trạm relay cho vùng nơng thơn.................................................43
Hình 3-13: Sử dụng trạm relay cho khu vực thành thị ..............................................44
Hình 3-14: Sử dụng trạm relay cho các dead spot ....................................................44
Hình 3-15: Sử dụng trạm relay cho các tịa nhà ........................................................45
Hình 3-16: Vị trí của RS trong truyền dẫn chuyển tiếp ............................................51
Hình 3-17: Lưu đồ giải thuật tính cơng suất tiêu thụ khi MS cố định ......................52
Hình 3-18: Lưu đồ giải thuật tính cơng suất tiêu thụ khi MS di chuyển ..................53

5


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hình 3-19: Sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng trạm relay trong trường hợp
khoảng cách giữa BS và MS cố định ........................................................................54
Hình 3-20: Sự cải thiện công suất tiêu thụ khi sử dụng trạm relay trong trường hợp
MS di chuyển ............................................................................................................54

6


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3-1: Các tham số mô phỏng công suất tiêu thụ khi MS đứng yên...................50
Bảng 3-2: Các tham số mô phỏng công suất tiêu thụ khi MS di chuyển ..................50

7

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ đầy đủ

Giải thích

1G

The first gerneration

Thế hệ thơng tin di động thứ nhất

2G

The second gerneration

Thế hệ thông tin di động thứ hai

3G

The third gerneration

Thế hệ thông tin di động thứ ba

4G

The fourth gerneration

Thế hệ thông tin di động thứ tư

3GPP

Third Generation
PartnershipProject

Dự án các đối tác thế hệ thứ ba

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

AMPS

Advanced Mobile Phone
System

Hệ thống điện thoại di động tiên
tiến

BS

Base Transceiver Station

Trạm gốc thu phát tín hiệu

CDMA

Code division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CRS

Cell Specific Reference
Signal

Tín hiệu tế bào chuẩn

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

EDGE

Enhanced Data Rates for
GSME volution

Tốc độ dữ liệu tăng cường cho
GSM phát triển

EPC

Evolved Packet Core

Mạng lõi gói phát triển

EPS

Evolved Packet System

Hệ thống gói dữ liệu phát triển

FDD

Frequency Division Duplex

Phân chia tần số song công

GPRS

General packet radio service

Dịch vụ vơ tuyến gói chung

GSM

Global System for Mobile
Communications

Hệ thống truyền thơng di động tồn
cầu

HARQ

Hybrid Automatic Repeat
Request

Chuẩn u cầu lặp tự động

HSCSD

High Speed Downlink
Packet Access

Truy nhập gói đường xuống tốc độ
cao

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

8


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

IP

Internet Protocol

Giao thức internet

ITU

International
Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

MIMO

Multiple Input Multiple
Output

Đa đầu vào, đa đầu ra

MME

Mobility Managerment
Entity

Phần tử quản lí tính di động

MS

Mobile Station

Trạm di động

OFDMA

Orthogonal Frequency
Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần số trực
giao

P-GW

Packet Data Network
Gateway

Cổng mạng dứ liệu gói

PDSCH

Physical Downlink Shared
Channel

Kênh chia sẻ vật lí đường xuống

PUSCH

Physical Uplink Shared
Channel

Kênh chia sẻ vật lí đường lên

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển kết nối vô tuyến

RN

Relay Node

Nút chuyển tiếp

RS

Relay Station

Trạm chuyển tiếp

S-GW

Serving Gateway

Cổng phục vụ

SC-FDMA

Single Carrier Frequency
Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần số đơn
song mang

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ lệ dữ liệu trên nhiễu

TD-SCDMA

Time Division Synchronous
Code Division Multiple
Access

Phân chia theo thời gian – Đa truy
nhập phân chia theo mã đồng bộ

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia thời gian

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

UMTS

Universal Mobile
Hệ thống thông tin di động toàn
Telecommunications System cầu
9


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

UTRAN

Universal Terrestrial Radio
Access Network

Mạng truy cập vơ tuyến mặt đất
tồn cầu

VoIP

Voice over IP

Thoại qua IP

WCDMA

Wideband Code Division
Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã
bang rộng

10


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lí do chọn đề tài
Trước sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của các dịch vụ số liệu, trước xu hướng
tích hợp và IP hóa đã đặt ra yêu cầu mới đối với công nghiệp Viễn thông di động.
Trong bối cảnh đó người ta đã chuyển hướng sang nghiên cứu và triển khai hệ thống
thông tin di động mới có tên gọi 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 dung 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. Đến nay, Bộ Thông tin và Truyền thông đã cấp phép thử nghiệm 4G/LTE trong
một năm cho năm đơn vị, gồm: VNPT, Viettel, FPT, tập đồn Cơng nghệ CMC vf
tổng công ty VTC. Trong giai đoạn 1, dự án thử nghiệm cung cấp dịch vụ vô tuyến

băng rộng 4G/LTE sẽ phủ song tại khu vực Hà Nội có tốc độ truy cập Internet lên
đến 60 Mbps. Trạm BTS dung công nghệ 4G/LTE đã được lắp xong vào ngày
10/10/2010, đặt tại Cầu Giấy, Hà Nội.
Công nghệ LTE ngày càng được cải tiến, sử dụng các công nghệ được đổi mới
từ đó cơng nghệ LTE đang là một trong những lựa chọn hàng đầu cho các nhà cung
cấp dịch vụ di động trên toàn cầu.
Xuất phát từ thực trạng trên, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ
chuyển tiếp (relaying) trong mạng LTE-Advanced” nhằm mục đích tiếp cận và tìm
hiểu về cơng nghệ mạng di động thế hệ mới LTE.
1.2 Mục tiêu của đề tài
-

Tìm hiểu kiến thức về mạng LTE và phiên bản mới nhất là LTE-Advanced.

-

Tìm hiểu kĩ thuật chuyển tiếp trong mạng di đơng LTE.

-

Tìm hiểu về phần mềm Matlab và sử dụng phần mềm này để mô phỏng kĩ
thuật chuyển tiếp trong mạng LTE.

11


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

1.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
-

Nội dung đề tài nghiên cứu một cách tổng quan về công nghệ mạng LTE
cũng như kĩ thuật chuyển tiếp trong công nghệ LTE.

-

Nội dung mô phỏng của đề tài dừng lại ở việc phân tích đánh giá ưu điểm
khi sử dụng trạm relay để giảm công suất tiêu thụ, không đi sâu vào cáo
vấn đề khác.

1.4 Kết quả dự kiến đạt được
-

Có kiến thức tổng quan về cơng nghệ LTE.

-

Có kiến thức tổng quan về kic thuật chuyển tiếp trong công nghệ mạng
LTE.

-

Cài đặt và sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng sự cải thiện mức công
suất tiêu thụ khi sử dụng các nút chuyển tiếp trong mạng LTE.

12


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động
2.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu
tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật
vào năm 1979. Những cơng nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất nào có thể kể đến là :
-

NMT (Nordic Mobile Telephone – Điện thoại di động Bắc Âu) được sử
dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga.

-

AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – Hệ thống điện thoại di đông tiên
tiến) được sử dụng ở Mĩ và Úc.

-

TACS (Total Access Communication Sytem – Hệ thống truyền thông truy
nhập toàn phần ) được sử dụng ở Anh.

Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống tương tự và dịch truyền chủ yếu là thoại.
Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Những điểm yếu của
hệ thống 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi
khơng tin cậy, chất lượng âm thanh kém, khơng có chế độ bảo mật… do vậy hệ thống
1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng.
2.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
Hệ thống thông tin thế hệ thứ 2 sử dụng truyền vô tuyến số cho việc truyền tải.
Những hệ thống mạng 2G thì có dung lượng lớn hơn những hệ thống mạng thế hệ
thứ nhất. Một kênh tần số thì đồng thời dược chia ra cho nhiều người dung (bởi việc

chia theo mã hoặc chia theo thời gian). Sự sắp xếp có trật tự các tế bào, mỗi khu vực
phục vụ thì được bao bọc bởi một tế bào lớn, những tế bào lớn và một phần của những
tế bào đã làm tăng dung lượng của hệ thống xa hơn nữa. Có 4 chuẩn chính đối với
hệ thống 2G: Hệ Thống Thơng Tin Di Động Tồn Cầu (GSM) và những dẫn xuất của
nó; AMPS số (D-AMPS); Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã IS-95; và Mạng tế bào
Số Cá Nhân (PDC) . GSM đạt được thành công nhất và được sử dụng rộng rãi trong
hệ thống 2G.
-

GSM: GSM cơ bản sử dụng bằng tần số 900MHz. Sử dụng kỹ thuật đa truy
cập theo thời gian TDMA. Tuy nhiên, GSM mới chỉ cung cấp được các
13


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

dịch vụ thoại và tin nhắn, trong khi nhu cầu truy cập Internet và cá dịch vụ
từ người sử dụng là rất lớn nên GSM phát triển lên 2.5G.

Trong đó :
-

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) - Số liệu chuyển mạch kênh
tốc độ cao.

-

GPRS (General Packet Radio Service) – Dịch vụ vơ tuyến gói chung.

-

EDGE (Ennhanced Data Rates for GSM Evolution): Tốc độ số liệu tang
cường để phát triển GSM: EDGE có thể phát triển nhiều bit gấp 3 lần trong
GPRS trong một chu kì.

Mặc dù hệ thống thông tin di động 2G được coi là những tiến bộ đáng kể
nhưng vẫn gặp phải các hạn chế sau: Tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp. Vì thế cần
thiết phải chuyển đổi trên mạng thơng tin di động thế hệ tiếp theo để cải thiện dịch
vụ truyền số liệu, nâng cao tốc độ bit và tài nguyên được chia sẻ… Mặt khác, khi các
hệ thông thông tin di đông ngày càng phát triển, không chỉ số lượng người sử dụng
điện thoại di động tăng lên, mở rộng thị trường mà người sử dụng còn đòi hỏi cá dịch
vụ tân tiến hơn không chỉ là các dịch vụ cuộc gọi truyền thống vè dịch vụ số liệu tốc
độ thấp hiện có trong mạng hiện tại. Nhu cầu thị trường có thể phân loại thành các
lĩnh vực như: Dịch vụ dữ liệu trên máy tính, dịch vụ viến thơng, dịch vụ nội dung số
như âm thanh hình ảnh. Những lý do trên thúc đẩy cá tổ chức nghiên cứu phát triển
hệ thống thông tin di động trên thế giới tiến hành nghiên cứu và đã áp dụng trong
thực tế chuẩn mới cho hệ thống thông tin di động: Thông tin di động 3G
2.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-2000 (International Mobile
telecommunication -2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi
đem lại bởi hệ thống 3G là :
-

Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao.

-

Các dịch vụ tin nhắn (E-mail, fax, SMS, chat ...).

-

Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc…).
14


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

-

Truy cập Internet (duyệt Web, tải tài liệu…).

Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích tồn cầu
giữa các hệ thống. Để thỏa mãn cá dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả
năng truy cập internet bang thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông
2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất
khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông
kết nối này, cịn khi đi bộ băng thơng sẽ là 384 Kbs, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là
144Kbs.
Các hệ thống 3G điển hình là:
 UMTS (W-CDMA)
UMTS (Universal Mobile Telephone System) dựa vào công nghệ W-CDMA,
là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang phát triển khai thác hệ thống GSM
muốn chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi
3GPP tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM,GPRS. UMTS hoạt động ở
băng thông 5MHz, cho phép cá cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hồn hảo giữa
các hệ thống UMTS và GSM đã có. Những đặc điểm cỉa WCDMA như sau:
-

WCDMA sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho
phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps

trong hệ thống tĩnh.

-

Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng,
không giống như mạn GSM, Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những
ưu điểm như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung
hóa. Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và
cho phép mạng lưới có thể được phân chia linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết
nối, bất kì cơng nghệ truyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ
liệu âm thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP.

-

Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào
UMTS tầng số cấp phát trong 2 băng đường lên (1885 MHz-2025 MHz)
và đường xuống (2110 Mhz – 2200 MHz). Sự phát triển của WCDMA lên
3.5G là HsxPA.

 CDMA2000
15


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối
với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2. CDMA2000 được
quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS.
CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps.
 TD-SCDMA

Chuẩn được ít biết đến hơn là TD-SCDMA đang được phát triển tại Trung
Quốc bởi các công ty Datang và Siemens. Hiện tại có nhiều chuẩn cơng nghệ cho 2G
nên sẽ có nhiều chuẩn cơng nghe 3G đi theo, tuy nhiên trên thwucj tế chỉ có 2 tiêu
chuẩn quan trọng nhất đã có sản phẩm thương mại và có khả năng được triển khai
rộng rãi trên toàn thế giới là WCDMA(FDD) và CDMA2000 . WCDMA được phát
triển trên cơ sở tương thích với giao thức mạng lõi GSM (GSM MAP), một hệ thống
chiếm tới 65% thị trường thế giới. Còn CDMA2000 nhằm tương thích với mạng lõi
IS-41, hiện chiếm 15% thị trường.
2.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)
Hệ thống thông tin di động 4G đã được đưa vào khai thác và sử dụng tại một
số quốc gia phát triển trên thế giới từ năm 2012. Với sự đột phá về dung lượng, hệ
thống thông tin di động 4G cung cấp những dịch vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt
thường nhật, công việc cũng như có sự tác động lớn đến lối sống của chứng ta trong
tương lai gần. Cụ thể trong các khía cạnh của cuộc sống được trình bày dưới đây:
 Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học
Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bị đầu cuối, học sinh,
sinh viên, nhà nghiên cứu khoa học có thể trao đổi thơng tin, hình ảnh cần thiết cho
việc học tập, nghiên cứu mà khơng có rào cản nào về mặt khoảng cách cũng như ngôn
ngữ. Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống 4G (điện thoại, đồng hơ…) có tích hợp
camera có chức năng thơng dịch ngơn ngữ tự động giúp trao đổi thông tin trực tiếp.
 Giải trí
Hệ thống di động 4G cho phép sử dụng hệ thống trò chơi, âm nhạc, video và
các nội dung liên quan. Những trị chơi, hình ảnh có thể được truy cập ở bất kì nơi
nào với những nội dung cực kì phong phú, đa dạng.
 Truyền thơng hình ảnh
16


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hệ thống di động 4G cũng được ứng dụng trong việc trao đổi thông tin giữa
các điểm cách xa nhau. Một đoạn phim của một sự kiện thể thao có thể được gửi bởi
một máy quay gắn trên một máy thu phát càm tay và được gửi tức thời đến bất kì đâu
dù tỏng hay ngoài nước.
 Thương mại di động
Hệ thống di động 4G được ứng dụng trao đổi và thỏa thuận mua bán hàng hóa.
Chỉ bằng thiết bị di động cầm tay người sử dụng có thể thu được các thơng tin về sản
phẩm, đặt hàng, thanh toán bằng tài khoản di động thông qua thiết bị di động.
 Cuộc sống thường nhật
Công nghệ xác thực cá nhân tiên tiến cho phép người sử dụng mua những hàng
hóa đắt tiền một cách an tồn và thanh tốn bằng tài khoản thơng qua mạng di động.
Dữ liệu được tải từ cá thiết bị di động có thể sử dụng như các thẻ thanh tốn, thẻ ra
vào, thẻ thành viên. Các dịch vụ di động cũng được sử dụng trong cuộc sống như: tải
các chương trình tivi trên các máy chủ đặt tại gia đình lên thiết bị di động và xem
chúng khi đi ra ngoài hoặc sử dụng thiết bị cầm tay điều khiển robot từ xa.
 Điều trị và chăm sóc sức khỏe
Những dữ liệu về sức khỏe có thể tự động gửi đến bệnh viện theo thời gian
thực từ các thiết bị mang tên bệnh nhân, nhờ đó các bác sĩ có thể thực hiện việc kiểm
tra sức khỏe hoặc xử lý tức thì các tình trạng khẩn cấp.
 Điều trị trong các tình trạng khẩn cấp
Phương tiện truyền thống di động được sử dụng cho cấp cứu khẩn cấp ngay
sau khi tai nạn giai thơng xảy ra. Vị trí của tai nạn sẽ được thông báo tự động bằng
cách sử dụng thơng tin định vị, khi đó các bác sĩ tại trung tâm y tế đưa ra các chỉ dẫn
sơ cứu cho bệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhân qua màn hình. Các dữ liệu
y tế cũng được truyền ngay lập tức tới các xe cứu thương hoặc bệnh viện thông qua
mạng di động.
 Ứng dụng trong thảm họa thiên tai
Hệ thống thơng tin báo động đóng vai trị là thiết bị thông tin quan trọng trong
trường hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phép truyền tin đi hình ảnh thực trạng của
các khu vực xảy ra thảm họa. Do đó tại những nơi thảm họa khơng xảy ra tất cả các

17


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

lãnh đạo chính phủ, phương tiện truyền thơng đại chúng và người dân nói chung có
thể chia sẻ thơng tin.
2.2 Kiến trúc mạng LTE và tổng quan về mạng LTE-Advanced
2.2.1 Kiến trúc mạng LTE
Cấu trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch
gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu. Một
phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại
thông qua các kết nối gói. Kết quả là trong một cấu trúc phẳng hơn, rất đơn giản chỉ
với 2 loại nút cụ thể là nút B phát triển (eNB) và phần tử quản lý di động cổng (
MME/GW). Điều này hồn tốn trái ngược với nhiều nút mạng trong Cấu trúc mạng
phân cấp hiện hành của hệ thống 3G. Một thay đổi lớn nữa là phần điều khiển mạng
vô tuyến (RNC) được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó hiện nay được
thành lập ở eNB. Một số ích lợi của một nút duy nhất trong mạng truy nhập là giảm
độ trễ và phân phối của việc xử lý tải RNC vào nhiều eNB. Việc loại bỏ RNC ra khỏi
mạng truy nhập có thể một phần do hệ thống LTE khơng hỗ trợ chuyển giao mềm.

Hình 2-1: Kiến trúc cơ bản của mạng LTE
18


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối.
Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS). Chức năng

chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục
tiêu duy nhất. Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên IP, tất cả các nút chuyển
mạch và các giao diện được nhìn thấy trong Cấu trúc 3GPP trước đó khơng có mặt ở
E-UTRAN và EPC. Cơng nghệ IP chiếm ưu thế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được
thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP.
Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B phát triển (eNode
B). Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm kết thúc cho tất
cả các giao thức vơ tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của
các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2.
Mạng lõi: mạng lõi mới là sự mở rộng hồn tồn của mạng lõi trong hệ thống
3G, và nó chỉ bao phủ miền chuyển mạch gói. Vì vậy, nó có một cái tên mới: Evolved
Packet Core (EPC).
Cùng một mục đích như E-UTRAN, số node trong EPC đã được giảm. EPC
chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển.
Một node cụ thể được định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway chung kết
nối mạng LTE với internet và những hệ thống khác. EPC gồm có một vài thực thể
chức năng.
a) Thiết bị người dùng (UE)
UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc. Thơng thường nó
là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi
người vẫn đang sử dụng hiện tại trong mạng 2G và 3G. Hoặc nó có thể được nhúng
vào, ví dụ một máy tính xách tay. UE cũng có chứa các mođun nhận dạng th bao
tồn cầu (USIM). USIM được sử 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 thơng, mà có tín
hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thơng 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. Có lẽ quan trọng

19

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

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.
b) E-UTRAN NodeB (eNodeB)
Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB (eNodeB). Đơn giản đặt
eNB là một trạm gốc vơ tuyến kiểm sốt tất cả các chức năng vô tuyến liên quan trong
phần cố định của hệ thống. Các trạm gốc như eNB thường phân bố trên tồn khu vực
phủ sóng của mạng. Mỗi eNB thường cư trú gần các anten vô tuyến hiện tại của
chúng.
Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp là UE và EPC, nó
là điểm cuối của tất cả các giao thức vơ tuyến về phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa
các kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC. Trong vai trị
này các EPC thực hiện mã hóa giải mã các dữ liệu UP, và cũng có nén giải nén tiêu
đề IP, tránh việc gửi đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếp trong tiêu đề IP.eNB
cũng chịu trách nhiệm về nhiều các chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP). eNB
chịu trách nhiệm về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm sóat việc sử
dụng giao diện vơ tuyến, bao gồm: phân bổ tài nguyên dựa trên yêu cầu, ưu tiên và
lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, và liên tục giám sát tình hình sử dụng tài
ngun.
Ngồi ra eNodeB cịn có vai trị quan trọng trong quản lý tính di động (MM).
Điều khiển eNB và đo đạc phân tích mức độ của tín hiệu vơ tuyến được thực hiện bởi
UE. Điều này bao gồm trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa eNB khác và MME. Khi
một UE mới kích hoạt theo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNB cũng chịu
trách nhiệm về việc định tuyến khi này nó sẽ đề nghị các MME mà trước đây đã phục
vụ cho UE, hoặc lựa chọn một MME mới nếu một tuyến đường đến các MME trước
đó khơng có sẵn hoặc thơng tin định tuyến vắng mặt.

20


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hình 2-2: ENodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính
Hình trên cho thấy các kết nối với eNB đã đến xung quanh các nút logic, và
tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này. Trong tất cả các kết nối eNB có thể
là trong mối quan hệ một – nhiều hoặc nhiều – nhiều. Các eNB có thể phục vụ đồng
thời nhiều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kết nối tới một
eNB trong cùng một thời điểm. Các eNB sẽ cần kết nối tới các eNB lân cận với nó
trong khi chuyển giao có thể cần thực hiện.
Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại, có nghĩa là một tập hợp các nút
được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNB. Từ một viễn cảnh eNB đơn
này có nghĩa là nó có thể cần phải kết nối tới nhiều MME và S-GW. Tuy nhiên mỗi
UE sẽ được phục vụ bởi chỉ có một MME và S-GW tại một thời điểm và eNB phải
duy trì theo dõi các liên kết này. Sự kết hợp này sẽ không bao giờ thay đổi từ một
điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ có thể thay đổi khi kết hợp với
sự chuyển giao liên eNodeB.
c) Cổng phục vụ ( S-GW)
Trong cấu hình Cấu trúc cơ bản hệ thống, chức năng cao cấp của S-GW là
quản lý đường hầm UP và chuyển mạch. S-GW là một phần của hạ tầng mạng nó
được duy trì ở các phịng điều hành trung tâm của mạng.
21


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hình 2-3: Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính
Trong hình trên cho thấy S-GW được kết nối tới các nút logic khác và danh

sách các chức năng chính trong các giao diện này. Tất cả các giao diện được cấu hình
theo kiểu một – nhiều từ S-GW được thấy. Một S-GW có thể chỉ phục vụ một khu
vực địa lý nhất định với một tập giới hạn các eNodeB, và tương tự có thể có một tập
giới hạn của các MME điều khiển khu vực đó. S-GW có thể kết nối tới bất kỳ PGW
nào trong toàn bộ mạng lưới, bởi vì P-GW sẽ khơng thay đổi trong khi di chuyển,
trong khi S-GW có thể được định vị lại trong khi UE di chuyển. Với các kết nối có
liên quan tới một UE, S-GW sẽ ln báo hiệu với chỉ một MME và các điểm UP tới
một eNodeB tại một thời điểm. Nếu một UE được phép kết nối tới nhiều các PDN
thông qua các P-GW khác nhau, thì S-GW cần kết nối tới các thành phần riêng biệt.
Nếu giao diện S5/S8 là dựa trên PMIP thì S-GW sẽ kết nối tới một PCRF cho mỗi PGW riêng được UE sử dụng.
d) Cổng mạng dữ liệu gói( P-GW)
Cổng mạng dữ liệu gói ( P-GW, cũng thường được viết tắt là PDN-GW) là
tuyến biên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bên ngồi. Nó là nút cuối di động mức
cao nhất trong hệ thống, và nó thường hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho
UE. Nó thực hiện các chức năng chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi các dịch vụ
được đề cập. Tương tự như S-GW, các P-GW được duy trì tại các phịng điều hành
tại một vị trí trung tâm.

22


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hình 2-4: P-GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính
Điển hình là P-GW cấp phát các địa chỉ IP cho UE, và UE sử dụng nó để giao
tiếp với các máy chủ IP khác trong các mạng bên ngồi.( ví dụ như Internet ). Nó
cũng có thể là PDN bên ngoài mà UE đã được kết nối cấp phát các địa chỉ đó là để
sử dụng bởi các UE, các đường hầm P-GW cho tất cả lưu lượng vào mạng đó. Địa
chỉ IP ln được cấp phát khi UE u cầu một kết nối PDN, nó sẽ diễn ra ít nhất là
khi UE được gắn vào mạng, và nó có thể sảy ra sau khi có một kết nối PDN mới.

Các P-GW thực hiện chức năng giao thức cấu hình máy chủ động (DHCP) khi cần,
hoặc truy vấn một máy chủ DHCP bên ngoài.
2.2.2 Tổng quan về mạng LTE-Advanced
LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) là bước phát triển mới của
công nghệ LTE, cơng nghệ dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong
phiên bản (Release) 8 và 9. Dự án được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm
2009 với các đặc tả được hồn thành vào q 2 năm 2010 như là một phần của Release
10 nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến
di động thứ 4 (4G) IMT-Advance được thiết lập bởi ITU. LTE Advance sẽ tương
thích ngược và thuận với LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTEAdvanced mới và các mạng LTE cũ.

23


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT-Advance nhằm tạo ra định nghĩa
chính thức về 4G. Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên các mạng tuân theo các yêu cầu của
IMT-Advance xoay quanh báo cáo ITU-R M.2134. Một số yêu cầu then chốt bao
gồm:


Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 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).

Hiện tại chưa có cơng nghệ nào đáp ứng những u cầu này. Nó địi hỏi những
cơng nghệ mới như là LTE-Advanced và IEEE 802.16m. Một số người cố gắng dán
nhãn các phiên bản hiện tại của WiMAX và LTE là 4G nhưng điều này chỉ chính xác
đối với phiên bản tiến hóa của các cơng nghệ trên, chẳng hạn LTE-Advanced, cịn
LTE chỉ có thể gọi với cái tên khơng chính thức là 3,9G. LTE sử dụng kỹ thuật đa
truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ở đường xuống. Trong khi đó, ở
đường lên, LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng mang
SC-FDMA. Một số tính năng khác của LTE:


Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống lên đến 326Mb/s với độ rộng băng tần 20
MHz



Tốc độ số liệu đỉnh đường lên lên đến 86,4 Mb/s với độ rộng băng tần 20 MHz



Hoạt động ở cả chế độ TDD và FDD.



Độ rộng băng tần có thể lên đến 20 MHz bao gồm cả các độ rộng băng 1,4; 3;
5; 10; 15 và 20 MHz



Hiệu quả sử dụng phổ tăng so với HSPA ở Release 6 khoảng 2 đến 4 lần.



Độ trễ giảm với thời gian trễ vòng giữa thiết bị người sử dụng và trạm gốc là
10 ms và thời gian chuyển từ trạng thái khơng tích cực sang tích cực nhỏ hơn
100 ms.

24


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

2.3 Những cơng nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced
2.3.1. Truyền dẫn băng rộng và chia sẻ phổ tần.
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 2-5 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 không thể có thường xuyên. Do đó, LTEAdvanced 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.
Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn
không 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.

25


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hình 2-5: Ví dụ về khối kết tập sóng mang
2.3.2. Giải pháp đa anten
Các cơng 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 trị 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.
2.3.3. 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 q trình xử lí băng gốc ở một nút
đơn được mơ tả ở hình 2-6. 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 không 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) 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
26


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

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 2-6: 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 quá 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 khơng 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 cịn 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.
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.

27