Giải pháp tối ưu dung lượng trong hệ thống thông tin di động LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

DƯƠNG NGUYỄN HIỂN HOÀNG

GIẢI PHÁP TỐI ƯU DUNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

Bình Định – Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

DƯƠNG NGUYỄN HIỂN HOÀNG

GIẢI PHÁP TỐI ƯU DUNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN
DI ĐỘNG LTE

Chun ngành

: Kỹ thuật viễn thơng

Mã số

: 8520208

Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Phi

Bình Định – Năm 2021


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan các lý thuyết và kết quả mơ phỏng, đo đạc là chính xác
trung thực, rõ ràng. Luận văn được tác giả tìm hiểu, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của
TS. Hồ Văn Phi.
Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo được trích dẫn theo danh mục
tài liệu tham khảo của luận văn.

Bình Định, ngày 01 tháng 06 năm 2021
Người thực hiện

Dương Nguyễn Hiển Hoàng


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô khoa Kỹ thuật và Công
nghệ, đặc biệt là TS. Hồ Văn Phi đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt q trình
hồn thành luận văn tốt nghiệp.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sự động viên, giúp đỡ của gia đình, bạn bè
trong q trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn này.
Bình Định, ngày 01 tháng 06 năm 2021
Người thực hiện

Dương Nguyễn Hiển Hoàng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………..1
1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1
2. Tình hình nghiên cứu ................................................................................... 2
3. Mục tiêu của đề tài ....................................................................................... 3
4. Nội dung chính đề tài ................................................................................... 4
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 4
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài ......................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG LTE ......................................... 5
1.1. Giới thiệu mạng thông tin (NGN) ........................................................... 5
1.2. Đặc điểm mạng NGN................................................................................ 5
1.3. Khái niệm mạng LTE ............................................................................... 8
1.4. Kỹ thuật đa truy nhập của mạng LTE .................................................... 9
1.4.1. Kỹ thuật OFDM ................................................................................... 9
1.4.2. Kỹ thuật OFDMA .............................................................................. 10
1.4.3. Kỹ thuật SC-FDMA ........................................................................... 11
1.5. Cấu trúc mạng LTE ............................................................................... 13
1.5.1. Thiết bị người dùng (UE) .................................................................. 14
1.5.2. E-UTRAN và Evolved Packet Core (EPC) E-UTRAN ...................... 14


1.6. Cấu trúc giao thức E-UTRAN ............................................................... 15
1.6.1. Điều khiển vô tuyến (RLC)................................................................ 18
1.6.2. Điều khiển truy nhập trung gian (MAC) .......................................... 19

1.6.3 Các kênh logic và kênh truyền tải ...................................................... 19
1.7. Tóm tắt chương 1 ................................................................................... 20
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LẬP KẾ HOẠCH MẠNG ............................................... 21
2.1. Những vấn đề cơ bản trong thiết kế tế bào ........................................... 21
2.1.1. Phân loại tế bào ............................................................................... 21
2.1.1.1. Sử dụng lại tần số ....................................................................... 23
2.1.1.2. Tính tốn lưu lượng ................................................................... 25
2.1.1.3. Chuyển giao ................................................................................ 27
2.1.1.4. Chia tế bào .................................................................................. 28
2.1.2. Q trình tính tốn hệ thống tế bào ................................................ 29
2.2 Các mơ hình tính tốn……………………………………………………30
2.3. Mơ hình Macrocell ................................................................................. 32
2.4. Mơ hình Microcell .................................................................................. 33
2.4.1. Mơ hình Microcell hai chiều ........................................................... 34
2.4.2. Mơ hình 3 chiều ............................................................................... 36
2.5. Mơ hình truyền sóng trong nhà ............................................................. 36
2.6. Tính tốn vùng phủ sóng ........................................................................ 37
2.7. Tính tốn lưu lượng................................................................................ 39
2.8. Số kênh u cầu ...................................................................................... 40
2.9. Tính tốn can nhiễu ................................................................................ 41
2.10. Tóm tắt chương 2 ................................................................................... 43
CHƯƠNG 3. TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG LTE ................................................. 44


3.1. Bài toán tối ưu............................................................................................44
3.2. Phương pháp Gradient .......................................................................... 45
3.3. Quy hoạch tuyến tính ............................................................................. 46
3.4. Quy hoạch phi tuyến .............................................................................. 47
3.4.1. Quy hoạch dạng toàn phương ........................................................... 47
3.4.1.1. Dạng chính tắc ........................................................................... 48

3.4.1.2. Dạng chuẩn ................................................................................ 48
3.4.1.3. Dạng hỗn hợp ............................................................................. 48
3.4.2. Phương pháp Hildreth-D’Esopo ....................................................... 49
3.5. Các giải thuật cho bài toán tối ưu cấu trúc mạng di động thế hệ mới . 49
3.5.1. Thuật toán di truyền cơ bản .............................................................. 50
3.5.2. Thuật toán di truyền đa mục tiêu……………………………………53
3.5.3. Thuật tốn Tabu Search……………………………………………..54
3.6. Mơ phỏng, tính tốn và đánh giá………………………………………..56
3.6.1. Mơ phỏng, tính tốn và đánh giá……………………………………56
3.6.2. Mơ phỏng cường độ Erlang theo kênh……………………………...59
3.6.3. Mơ phỏng, tính tốn xác suất vùng phủ ........................................... 61
3.6.3.1. Tính tốn xác suất vùng phủ ...................................................... 61
3.6.3.2. Mô phỏng kết quả xác suất của vùng phủ……………………...64
3.7. Tóm tắt chương 3…………………………………………………………69
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ..................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 72


DANH MỤC VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt

Tiếng Anh
Third Generation Patnership

Tiếng Việt
Dự án hợp tác thế hệ 3

1

3GPP

2

ARQ

Automatic Repeat Request

3

CSFB

Circuit Switched Fall Back

Tính năng chuyển về mạch kênh

4

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dành riêng

5

DL-SCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

6

DSL

Digital Subcriber Line

Kênh thuê bao số

7

E- UTRAN Evolved UMTS Terrestrial
EPC
Radio Access

8

eNodeB

9

EPC

Evolved Packet Core

Phần mạng lõi của hệ thống
LTE

10

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép kênh phân chia theo tần số

11

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động tồn cầu

12

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

13

HSS

Home Subscriber Server

Quản lý thuê bao

14

KPI

Key Performance Indicator

Chỉ số đánh giá hiệu năng

Project

Evolved Packet Core
Enhance NodeB

Tham số tự động yêu cầu truyền
lại khi gói tin kém

Mạng truy nhập vơ tuyến cải
tiến
Mạng lõi gói NodeB cải tiến


15

KQI

Key Quality Indicator

Chỉ số đánh giá chất lượng

16

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

17

MAC

Medium Access Control

18

MBMS

Multimedia Broadcast
Multicast Services

Các dịch vụ quảng bá đa
phương tiện băng rộng

19

MCCH

Multicast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

20

MCH

Multicast Chanel

Kênh quảng bá

21

MIMO

Multi Input Multi Output

Đa đầu vào đa đầu ra

22

OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiple

trực giao

23

PBCH

Physical Broadcast Channel

Kênh vật lý quảng bá

24

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tin nhắn

25

PCH

Paging Channel

Kênh tin nhắn

26

PDCCH

Physical Downlink Control
Channel

Kênh vật lý điều khiển đường
xuống

27

PDN-SGW

Packet Data Network Serving
Cổng dịch vụ mạng dữ liệu gói
Gateway

28

PUCCH

29
30

Điều khiển trung nhập trung
bình

Physical Uplink Control

Kênh vật lý điều khiển đường

Channel

lên

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RLC

Radio Link Control

Điều khiển kết nối vô tuyến


31

RNC

Radio Network Control

Điều khiển mạng vô tuyến

32

RSRP

Reference Signal Receiver
Power

Công suất tín hiệu thu tham
khảo

33

RSRQ

Reference Signal Receiver

Chất lượng tín hiệu thu tham

Quality

khảo

34

SAE

System Architecture Enhance Cấu trúc hệ thống tăng cường

35

SGW

Serving Gateway

Cổng dịch vụ

36

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

37

UL-SCH

Uplink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường lên

38

UTRAN

UTMS Terrestrial Radio

Mạng truy nhập vô tuyến mặt

Access Networks

đất

39

WCDMA

Wideband Code Division
Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã
băng rộng


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các kênh truyền tải MAC ............................................................. 19
Bảng 1.2: Các kênh logic MAC ................................................................... 20
Bảng 2.1: Một số đặc trưng của tế bào ......................................................... 22
Bảng 3.1: Mô phỏng tính xác suất chặn ........................................................ 57
Bảng 3.2: Các tham số mô phỏng xác suất vùng phủ .................................... 64


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kiến trúc mạng NGN ...................................................................... 7
Hình 1.2: Cấu trúc mạng LTE .............................................................................. 8
Hình 1.3: Tín hiệu OFDM trong miền tần số và miền thời gian .................... 10
Hình 1.4: Lập lịch phụ thuộc kênh giữa hai người dùng .............................. 11
Hình 1.5: So sánh 2 kỹ thuật OFDM và SC-FDMA ..................................... 12
Hình 1.6: Cấu trúc LTE E-UTRAN .............................................................. 13
Hình 1.7: Khối giao thức mặt phẳng người dùng …………………………...16
Hình 1.8: Cấu trúc giao thức tuyến xuống của LTE ...................................... 17
Hình 2.1: Hình mẫu sử dụng lại tần số ......................................................... 23
Hình 2.2: Đường cong Erlang B ................................................................... 27
Hình 2.3: Chia tế bào.................................................................................... 28
Hình 2.4: Lưu đồ tính tốn hệ thống tế bào ................................................. 30
Hình 2.5: Can nhiễu lẫn nhau giữa hai tế bào ............................................... 42
Hình 3.1: Diễn biến phương pháp Gradient với độ dốc ấm ........................... 46
Hình 3.2: Các thủ tục chính của thuật tốn di truyền .................................... 50

Hình 3.3: Mô phỏng cường độ lưu lượng Erlang B ...................................... 59
Hình 3.4: Mơ phỏng cường độ (Erlang) theo kênh ....................................... 60
Hình 3.5: Kết quả mơ phỏng xác suất vùng phủ ........................................... 66
Hình 3.6: Kết quả mơ phỏng xác suất vùng phủ với ảnh hưởng fading ......... 68


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Thông tin di động hiện đang là một trong những ngành công nghiệp viễn thơng
phát triển nhanh nhất trên tồn cầu, doanh thu của các nhà cung cấp đã đạt hơn
1.000 tỉ USD và dự kiến sẽ còn tiếp tục tăng trưởng mạnh trong giai đoạn từ 2015 2020. Cùng với sự phát triển của số lượng kết nối và thuê bao là sự phát triển của
các loại hình dịch vụ địi hỏi tốc độ cao, băng thông lớn, yêu cầu thời gian thực với
độ trễ nhỏ ngày càng trở nên phổ biến, đòi hỏi việc phát triển mạng và dịch vụ viễn
thông là vô cùng cần thiết và là tất yếu cho tất cả các nhà cung cấp dịch vụ hiện nay.
Mạng thông tin di động 4G hiện nay đã được triển khai ở một số các quốc gia
trên thế giới. Mỗi một loại hình cơng nghệ 4G có những ưu nhược điểm, mức độ
hồn thiện, chuẩn hóa khác nhau. Nhiều quốc gia trên thế giới đã triển khai công
nghệ LTE để tiếp cận mạng thông tin di động 4G. Tuy nhiên, theo như khuyến nghị
tổ chức 3GPP và nhiều tổ chức uy tín trên thế giới, LTE-Advanced là tiêu chuẩn sẽ
cải thiện, nâng cao và thay thế tiêu chuẩn LTE.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các giải pháp công nghệ, hàng loạt các
yêu cầu mới được đặt ra đối với các vấn đề khai thác và tối ưu mạng thông tin di
động. Bài tốn tối ưu ln là mối quan tâm hàng đầu và là một trong những vấn đề
quan trọng nhất cần giải quyết của các nhà khai thác mạng viễn thông. Hướng tới
công tác tối ưu chất lượng mạng và dịch vụ trên nền tảng mạng 4G (LTE/LTE_A)
đề tài đã tập trung nghiên cứu một số khía cạnh trong bài toán lập quy hoạch mạng
di động.

2

2. Tình hình nghiên cứu
Trong một xã hội phát triển thì thơng tin số liệu kết nối các phương tiện thông
tin di động ngày càng chiếm thị phần lớn trong khối lượng tin tức cần truyền đi, nó
cần địi hỏi chất lượng mạng, chất lượng dịch vụ theo yêu cầu. Số liệu phân tích từ
Viettel Networks cho thấy trong 3 - 5 năm tới, nhu cầu dùng dữ liệu và dịch chuyển
thuê bao từ công nghệ cũ 2G và 3G lên 4G tiếp tục diễn ra mạnh mẽ. Dự kiến năm
2020, Viettel có thêm 10 triệu khách hàng 4G. Đến năm 2023, mạng 4G của Viettel
sẽ đạt 45 triệu người dùng, hành vi thuê bao tăng khoảng 2,5 lần, từ 7 - 8 GB/tháng
lên 18 - 20 GB/tháng. Do đó, việc thiết kế các mạng di động thỏa mãn các nhu cầu
đó là một bài tốn tối cần thiết.
Luận văn giới thiệu tổng quan mạng LTE với đặc điểm chủ yếu phục vụ truyền
số liệu tốc độ tương đối cao. Các phương pháp đa truy nhập OFDMA, SC-FDMA.
Tiếp đó là cấu trúc mạng E-UTRAN, lõi gói EPC; cấu trúc giao thức E-TRAN. Ta
sẽ sử dụng một số tham số và tính tốn của mạng di động LTE dùng để mơ phỏng
xác suất vùng phủ của một tế bào.
Các kỹ thuật cơ bản trong bài toán lập kế hoạch mạng di động. Mục tiêu của
bài tốn và q trình thiết kế tối ưu được đưa ra trong các mục cụ thể dựa trên các
tham số cần thiết về quy hoạch mạng, các mơ hình truyền sóng vơ tuyến trong mơi
trường di động. Tiếp đó luận văn đưa ra các bước tính tốn: Tính vùng phủ sóng
của tế bào, mơ hình tính lưu lượng, các thuật tốn để tính các kênh lưu lượng. Tính
can nhiễu giữa hai tế bào. Dựa vào kết quả tính can nhiễu để giải quyết bài tốn ấn
định kênh, giới thiệu những kiến thức cơ bản trong bài toán lập kế hoạch mạng di
động tế bào.
Trước hết xét các phần tử cơ bản của thiết kế hệ thống tế bào, bao gồm: Khái
niệm sử dụng lại tần số, tính tốn lưu lượng, chuyển giao, phân chia tế bào.

3

Để tạo điều kiện cho bài toán tối ưu mạng, ở đây luận văn nghiên cứu các mơ
hình truyền sóng: Mơ hình thực nghiệm, mơ hình bán thực nghiệm.
Cuối cùng, giới thiệu các phương pháp tính tốn vùng phủ sóng, tính tốn lưu
lượng cho mỗi cụm, tính số kênh cần thiết và xác suất vùng phủ, làm cơ sở cho bài
toán tối ưu mạng.
Giới thiệu các khái niệm về nghiệm tối ưu, miền xác định, các phương pháp
tính tốn xác định nghiệm tối ưu. Tiếp đó nêu một số giải thuật tối ưu, các lược đồ
giải bài toán tối ưu. Cuối cùng tính tốn mơ phỏng bài tốn ấn định kênh tối thiểu
trong các miền thời gian và xác định xác suất vùng phủ cho một hệ thống di động.
Đó là hai phương pháp tính tốn xác suất vùng phủ khác nhau từ đó có thể so sánh
lựa chọn cách tính tối ưu. Đó là bài tốn quan trọng để tính chất lượng dịch vụ, lưu
lượng đường truyền, cấu hình trạm gốc. Điều đó giải quyết được cả hai vấn đề chi
phí và chất lượng dịch vụ.
Trong phạm vi nghiên cứu bài tốn tối ưu mạng thơng tin di động đã có một
số cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố: [3], [4], [6] đưa ra các thuật toán ấn định
kênh để cực tiểu chi phí phổ. Nhưng hạn chế ở đây là chưa xét đến tối ưu vị trí và
cỡ tế bào. Các tác giả [8], [9], [10] sử dụng thuật toán di truyền để chọn số cell cực
tiểu, tuy vậy vẫn chưa quan tâm đến cực tiểu chi phí xây dựng mạng. [11] dựa vào
mơ phỏng để giải quyết bài toán tối ưu về kinh tế, nhưng ở đây vẫn bỏ ngỏ bài toán
hiệu quả phổ.
3. Mục tiêu của đề tài
Đảm bảo yêu cầu vùng phủ sóng, dung lượng, phạm vi chuyển vùng mẫu, chi
phí thực hiện, vị trí, cấu hình trạm, tham số anten của mạng di động LTE. Trong
phạm vi luận văn, học viên sẽ nghiên cứu chọn giải pháp phù hợp để giải quyết bài
toán tối ưu mạng di động thế hệ mới có tính đến chất lượng và chi phí.


4

4. Nội dung chính đề tài
Nội dung của luận văn bao gồm:
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan mạng di động LTE.
Chương 2: Cơ sở lập kế hoạch mạng di động.
Chương 3: Tối ưu mạng di động LTE.
Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
5. Phương pháp nghiên cứu
Ở đây học viên sử dụng kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết tổng quan kết hợp
với tính tốn, mơ phỏng đưa ra kết quả tối ưu theo lý thuyết.
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Luận văn đã nghiên cứu một bài tốn tối ưu trong lập quy hoạch mạng thơng
tin di động 4G. Lập quy hoạch mạng là bài toán rất quan trọng, nó quyết định đến
hiệu quả xây dựng mạng.
Luận văn tổng quan về cấu trúc mạng di động LTE, các đặc điểm của nó. Qua
nó vận dụng những tham số, u cầu mạng LTE để tính tốn tối ưu mạng.
Để làm cơ sở cho việc tính tốn tối ưu mạng, luận văn đã đưa ra những nét cơ
bản trong lập quy hoạch mạng: mơ hình truyền sóng của các loại tế bào, vùng phủ
sóng, dung lượng mạng và vấn đề tối ưu mạng LTE.
Với nội dung cần thiết của bài toán quy hoạch mạng, bài toán đặt ra cần tối ưu
các tham số đó. Luận văn đã giới thiệu những bài tốn tối ưu và vận dụng nó để mơ
phỏng, tính tốn tối ưu mạng bằng phương pháp mới phù hợp với mạng di động
LTE.


5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG LTE

1.1. Giới thiệu mạng thông tin (NGN) [2]
Mạng thông tin (NGN) ra đời là mạng có cơ sở hạ tầng thơng tin duy nhất
dựa trên cơng nghệ chuyển mạch gói, triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và
nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số liệu, giữa cố định và di động.
Như vậy, có thể xem mạng thơng tin thế hệ mới là sự tích hợp mạng thoại
PSTN, chủ yếu dựa trên kỹ thuật TDM (Time Division Multiplexing), với mạng
chuyển mạch gói, dựa trên kỹ thuật IP/ATM. Nó có thể truyền tải tất cả các dịch
vụ vốn có của PSTN đồng thời cũng có thể nhập một lượng dữ liệu rất lớn vào
mạng IP, nhờ đó có thể giảm nhẹ gánh nặng của PSTN.
Tuy nhiên, NGN không chỉ đơn thuần là sự hội tụ giữa thoại và dữ liệu mà
còn là sự hội tụ giữa truyền dẫn quang và cơng nghệ gói, giữa mạng cố định và di
động. Vấn đề chủ đạo ở đây là làm sao có thể tận dụng hết lợi thế đem đến từ quá
trình hội tụ này. Một vấn đề quan trọng khác là sự bùng nổ nhu cầu của người sử
dụng cho một khối lượng lớn dịch vụ và ứng dụng phức tạp bao gồm cả đa phương
tiện, phần lớn trong đó là khơng được trù liệu khi xây dựng các hệ thống mạng
hiện nay. Vì vậy, việc tính tốn, lập kế hoạch mạng hợp lý, chính xác là yếu tố quyết
định để nâng cao chất lượng, hiệu quả khai thác mạng sau này.
1.2. Đặc điểm mạng NGN [2]
Mạng di động NGN có 4 đặc điểm chính:
- Nền tảng là hệ thống mạng mở.
- Mạng NGN là do mạng dịch vụ thúc đẩy, những dịch vụ phải thực hiện độc
lập với mạng lưới.


6

- Mạng NGN là mạng chuyển mạch gói, dựa trên một giao thức thống nhất.
- Là mạng có dung lượng ngày càng tăng, có tính thích ứng cũng ngày càng
tăng, có đủ dung lượng để đáp ứng nhu cầu.
Trước hết, do áp dụng cơ cấu mở mà:

- Các khối chức năng của tổng đài truyền thống chia thành các phần tử mạng
độc lập, các phần tử được phân theo chức năng tương ứng, và phát triển một cách
độc lập.
- Giao diện và giao thức giữa các bộ phận phải dựa trên các tiêu chuẩn tương
ứng.
Tiếp đến, mạng NGN là mạng dịch vụ thúc đẩy, với đặc điểm của:
- Chia tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi.
- Chia tách cuộc gọi với truyền tải.
Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với mạng,
thực hiện một cách linh hoạt và có hiệu quả việc cung cấp dịch vụ. Th bao có
thể tự bố trí và xác định đặc trưng dịch vụ của mình, khơng quan tâm đến mạng
truyền tải dịch vụ và loại hình đầu cuối. Điều đó làm cho việc cung cấp dịch vụ và
ứng dụng có tính linh hoạt cao.
Thứ ba, NGN là mạng chuyển mạch gói, giao thức thống nhất.
Mạng thơng tin hiện nay, dù là mạng viễn thông, mạng máy tính hay mạng
truyền hình cáp, đều khơng thể lấy một trong các mạng đó làm nền tảng để xây
dựng cơ sở hạ tầng thông tin.
Cuối cùng là với sự phát triển của công nghệ IP, người ta mới nhận thấy rõ
ràng là mạng viễn thơng, mạng máy tính và mạng truyền hình cáp cuối cùng rồi
cũng tích hợp trong một mạng IP thống nhất, đó là xu thế lớn mà ta thường gọi là
“dung hợp ba mạng”. Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ sở đều có thể


7

thực hiện nối thơng các mạng khác nhau; đó là lần đầu tiên có được giao thức thống
nhất mà ba mạng lớn đều có thể chấp nhận được. Hình 1.1 biểu thị kiến trúc mạng
NGN.

Hình 1.1: Kiến trúc mạng NGN [2].

Giao thức IP đang trở thành giao thức ứng dụng linh hoạt và bắt đầu được sử
dụng làm cơ sở cho các mạng đa dịch vụ, mặc dù hiện tại vẫn còn ở thế bất lợi so
với các chuyển mạch kênh về mặt khả năng hỗ trợ lưu lượng thoại và cung cấp chất
lượng dịch vụ đảm bảo cho số liệu. Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới
Internet, mà nó được tạo điều kiện bởi sự phát triển của các tiêu chuẩn mở sẽ sớm
khắc phục những thiếu sót này. Tiếp theo chúng ta tìm hiểu một trong những mạng
di động LTE.


8

1.3. Khái niệm mạng LTE [1]
Mạng di động thế hệ mới dựa trên nền tảng công nghệ LTE (Long Term
Evolution) được bắt đầu nghiên cứu vào tháng 3 năm 2005. Mục tiêu chủ yếu của
nghiên cứu này là để quyết định cấu trúc mới của hệ thống và lựa chọn sử dụng kỹ
thuật đa truy nhập. Qua nghiên cứu đó, người ta chỉ ra cấu trúc cơ bản của mạng
LTE như hình 1.2.

Hình 1.2: Cấu trúc mạng LTE.

Mục tiêu chính của LTE:
- Cấu trúc mạng chủ yếu để chuyển gói.
- Tốc độ số liệu là 100 Mbps ở hướng xuống và 50 Mbps ở hướng lên.
- Nếu sử dụng thêm kỹ thuật MIMO thì tốc độ số liệu có thể đạt cao hơn


9

- Sử dụng phổ tần từ 1.25 MHz đến 20 MHz.

- Kỹ thuật đa truy nhập đối với tuyến xuống và tuyến lên sử dụng kỹ thuật
OFDMA và SC-FDMA tương ứng.
1.4. Kỹ thuật đa truy nhập của mạng LTE [1], [8]
Kỹ thuật đa truy nhập của LTE chủ yếu dựa trên cơ sở ghép theo tần số (FDM)
và sử dụng hai loại khác nhau: Đa truy nhập cho tần số trực giao (OFDMA) cho
tuyến xuống và đa truy nhập theo tần số đơn sóng (SC-FDMA) cho tuyến lên.
OFDMA là một kỹ thuật truyền dẫn rất hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong
nhiều hệ thống truyền dẫn số như: Truyền hình số, WiMax, mạng WLAN. Sở dĩ
nó được sử dụng rộng rãi vì khả năng chống được fading lựa chọn theo tần số trong
kênh. Ngồi ra, OFDMA có khả năng sử dụng băng tần rất linh hoạt ở tuyến xuống.
Ở tuyến lên của LTE sử dụng kỹ thuật SC-FDMH vì nó có tỉ số cơng suất
đỉnh trên cơng suất trung bình thấp. Đó là một đặc điểm rất hấp dẫn vì tuyến lên
cần sử dụng bộ khuếch đại cơng suất một cách hiệu quả để tăng tuổi thọ làm việc
cho pin của máy di động.
1.4.1. Kỹ thuật OFDM
Nguyên lý cơ bản của các hệ thống đa sóng mang là chia băng tần tổng thành
nhiều băng tần con có độ rộng băng tần nhỏ hơn. Do độ rộng băng tần con hẹp cho
nên trong đó chỉ tồn tại fading phẳng, vậy chỉ cần sử dụng thiết bị đơn giản để bù
biến đổi độ lợi của kênh, không cần dùng đến các giải pháp cân bằng phức tạp.
Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau. Hình 1.3 biểu
thị nguyên lý OFDM. Biểu diễn kênh con OFDM trong miền tần số là một hàm
Sinc1, việc lấy mẫu nếu được thực hiện với những khoảng cách chính xác chỉ ở
những sóng mang phụ của kênh con và bằng 0 tại những tần số của sóng mang
phụ khác. Điều này có nghĩa là các kênh con là trực giao với nhau.


10

Hình 1.3: Tín hiệu OFDM trong miền tần số và miền thời gian.

1.4.2. Kỹ thuật OFDMA
OFDMA là phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao.
Phương pháp truy nhập sử dụng nguyên lý OFDM để điều hòa phối hợp sự phân
bố các tài nguyên vô tuyến cho người dùng để thiết lập thông tin. Điều này được
thực hiện bằng cách sử dụng đa truy nhập theo miền thời gian (TDMA). Tại đó,
người dùng nhận được các tài nguyên động tại các thời điểm lập lịch khác nhau.
Bộ lập lịch sử dụng các điều kiện kênh của người dùng khác nhau để phân
phối các tài nguyên vô tuyến (các sóng mang phụ) cho những nơi phù hợp nhất
như tại đó điều kiện kênh tức thời có CI - Max.
Hình 1.4 mơ tả một thủ tục lập lịch phụ thuộc kênh giữa người dùng. Ở đây,
các sóng mang con của hệ thống được phân phối giữa hai người dùng trên cơ sở
người có kênh tốt nhất. Một hệ thống lập lịch phụ thuộc kênh như vậy thường linh
hoạt, đạt được dung lượng hệ thống tương đối tốt hơn và hiệu quả sử dụng phổ
cao hơn so với hệ thống OFDM một người dùng.


11

Hình 1.4: Lập lịch phụ thuộc kênh giữa hai người dùng

1.4.3. Kỹ thuật SC-FDMA
Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR thấp hơn OFDMA. Đây là một
trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho hướng lên của LTE. PAPR giúp
mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại cơng suất UE, và việc
xử lý tín hiệu của SC-FDMA vẫn có một số điểm tương đồng với OFDMA, do đó,
tham số hướng DL và UL có thể cân đối với nhau.
Với hạn chế của OFDMA về tỉ lệ PAR cao như đã trình bày ở trên, phải cần
có phương pháp sử dụng điều chế đơn sóng mang nhưng vẫn giữ lại được các ưu

12

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

Hình 1.5: So sánh 2 kỹ thuật OFDM và SC-FDMA

Như ví dụ của hình trên, đối với OFDMA, 4 symbol được điều chế trên 4 subcarrier, với độ rộng mỗi sub-carrier 15kHz trong khi đối với SC-FDMA, 4 symbol
được truyền chỉ trên một carrier có độ rộng 60 kHz. Để thực hiện được việc này,
thiết bị đầu cuối uplink phải bổ sung thêm thành phần DFT precoding với mục đích
tách bit đơn lẻ của một symbol và gán lần lượt lên các sóng mang con trước khi
tổng hợp dữ liệu truyền đi với mục đích đạt được việc truyền trên một carrier tại
đầu ra của tín hiệu cuối cùng.
Với các đặc tính như trên, SC-FDMA sẽ có ưu điểm và nhược điểm như sau:
- Ưu điểm: Khắc phục được nhược điểm tỉ lệ công suất peak/average (PAR)
cao của OFDMA mà giữ nguyên các ưu điểm của OFDMA.


13

- Nhược điểm: Tăng độ phức tạp về mặt thiết bị cho các thiết bị đầu cuối và
eNodeB.
1.5. Cấu trúc mạng LTE [1], [3]
Người ta thiết kế hệ thống LTE để cung cấp các dịch vụ chuyển mạng gói thực
hiện kết nối IP giữa mạng số liệu gói (PDN) và thiết bị người dùng (UE) mà không
bị gián đoạn dịch vụ trong lúc di chuyển. Hệ thống LTE được phân thành hai nhánh

chính: Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất (E-UTRAN) và biến đổi cấu trúc hệ thống
(SAE). E-UTRAN bao gồm mạng truy nhập vô tuyến UMTS. SAE trợ giúp mạng
lõi gói. Kết hợp cả hai E-UTRAN và SAE tạo nên hệ thống gói EPS. Hình 1.6 chỉ
ra cấu trúc mạng LTE.

Hình 1.6: Cấu trúc LTE E-UTRAN.