Chương 1 LỊCH SỬ VÀ QUÁ TRÌNH TIẾN HÓA THÀNH MỘT LTE-A 1.1 Sự tiến triển trong 3GPP từ 2G lên 4G Để hiểu các công nghệ di động tiên tiến 4G, cũng cần thiết để xem lại lịch sử phát triển của công nghệ di động, đặc biệt trong con đường tiến hóa của 3GPP. Thế hệ đầu tiên 1G (1-General) của điện thoại di động đã được thương mại từ năm 1980 ở các nước khác nhau với các loại công nghệ khác nhau. Những công nghệ không được chuẩn mực quốc tế và kết quả là không thể làm việc cùng nhau. Tất cả các mạng 1G sử dụng công nghệ tương tự với chất lượng cuộc gọi kém, lưu lượng thấp và thiết bị đầu cuối cồng kềnh.
Số lượng thuê bao trong mạng 1G do đó nhỏ, và các dịch vụ hạn chế chỉ có thoại. Mười năm sau, thế hệ thứ hai (2G) đã được giới thiệu đầu tiên với công nghệ GSM được chuẩn hóa bởi ETSI (European Telecommunications Standards Institute) vào năm 1991. Đó là một sự tiến hóa quan trọng vì nó sử dụng công nghệ kỹ thuật số trong đó có thể cung cấp chất lượng cuộc gọi tốt hơn, sử dụng tần số hiệu quả và thiết bị đầu cuối nhỏ hơn. GSM là công nghệ kỹ thuật số thành công nhất được triển khai trong lịch sử loài người kể từ khi nó được dùng bởi hàng tỷ người trên khắp thế giới.
Từ một công nghệ được phát triển cho các dịch vụ thoại, GSM đã được nâng cấp lên một mạng GPRS/EDGE (2,5G) với một số các phần tử mạng mới như PCU (packet Control Unit), SGSN (Serving GPRS Support Node) và GGSN(Gateway GPRS Support Node) để hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu với tốc độ dữ liệu chậm (khoảng 14-171 kbps). Những công nghệ (GSM, GPRS và EDGE) dựa trên phương pháp truy cập vô tuyến TDMA/FDMA với ý tưởng cơ bản là thuê bao điện thoại di động được phân bổ tài nguyên vô tuyến cách nhau bởi khe thời gian và kênh tần số. 9 Thế hệ thứ ba (hoặc 3G), cũng được phát triển bởi ETSI, đã được cải thiện hơn nữa về hiệu suất mạng điện thoại di động về tốc độ dữ liệu gói tin cũng như dung lượng của hệ thống. 3G sử dụng phương pháp truy cập vô tuyến công nghệ mới CDMA trong đó mỗi thuê bao được phân biệt bởi một mã duy nhất.
Giao diện vô tuyến mới này hoạt động đồng thời với GSM hiện có trong các băng tần khác. Nó được hỗ trợ bởi các phần tử mạng mới gọi là RNC (Radio Network Controller) và NodeB (Hình 1-2), nó làm cho các mạng UTRAN khác với mạng RAN trong GSM là kết hợp BSC và BTS mặc dù chức năng chính của chúng là tương tự. Công nghệ trong giai đoạn sớm nhất của 3G là UMTS hoặc W-CDMA, phát hành rel-99, ra mắt vào tháng 1 năm 1998. Hình: 1-1 Quá trình chuyển đổi từ 2G lên 4G trong gia đình 3GPP Chuyển thể từ tháng 12 năm 1998, 3GPP (3rd Generation Partnership Project) đã được hình thành bởi nhiều tổ chức đối tác trên toàn thế giới (không hạn chế các nhà nghiên cứu trong châu Âu) để phối hợp nghiên cứu và phát triển hệ thống GSM.
Các nhiệm vụ phát triển GSM/UMTS được chuyển từ ETSI 3GPP. 10 Sau khi thay đổi nhỏ trong Phiên bản lần 4, Phiên bản lần 5, đóng băng vào tháng 6 năm 2002 với tên HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), đã tăng lên đáng kể thông lượng hệ thống từ 7.4 Mbps, nhờ vào việc áp dụng kiểu điều chế 16QAM, có nghĩa là một ký tự chứa 4 bit thông tin, hoặc tốc độ dữ liệu tăng từ 2 đến 4 lần. Phiên bản này cũng giới thiệu ý tưởng " đánh số IP lên mọi đầu cuối" tầm nhìn IMS (IP Multimedia Subsystem) trong mạng lõi để kiểm soát mọi dịch vụ đa phương tiện trên nền tảng IP. Hình: 1-2 Tiêu chuẩn 3PPP và đặt trưng tiên triển và thích ứng Phiên bản-6, cũng tên là HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), được phát hành vào tháng 3 năm 2005 và được thiết kế để tăng tốc độ uplink dữ liệu đến 5.8 Mbps từ 2 Mbps trong Phiên bản-5.
Các tính năng chính trong phiên bản này là MBMS (Multimedia Broadcast / Multicast Services) và HARQ (Hybrid Automatic Retransmission Request). Các phiên bản tiếp theo Rel-7, được đặt tên là Evolved HSPA hoặc HSPA +, được hoàn thành vào Tháng 12 năm 2007. Nó hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 42 Mbps trong downlink, nhờ thực hiện các MIMO (Multiple Input Multiple Output) và Homs (Higher Order Modulations ) lên đến 64QAM (6 bit/ 11 symbol). Các công nghệ truy cập vô tuyến từ Rel-99 đến rel-7 đều dựa trên các biến thể của công nghệ CDMA và hoạt động trên dải tần số như nhau, tương tự như các công nghệ trước GSM, GPRS và EDGE làm việc trên cùng dải tần số và cùng với các phương pháp truy cập của TDMA/FDMA.
Tại Rel-7, CDMA dường như đạt đến công suất tối đa của nó và con đường phát triển công nghệ điện thoại di động đang rất cần một công nghệ mới để hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn và hiệu suất tốt hơn. Điều này dự kiến sẽ được cung cấp bởi OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), một phương pháp truy cập vô tuyến mới với nhiều ưu điểm so với CDMA và TDMA / FDMA. 3GPP đã hoàn thành các thông số kỹ thuật Rel-8 Tháng 3 năm 2009, trong đó xác định một công nghệ truy cập vô tuyến dựa trên OFDMA mới gọi là LTE (Long Term Evolution). Giao diện vô tuyến dựa trên OFDMA mới này, cũng thường được gọi là E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access), một lần nữa hoạt động trên băng tần mới.
E-UTRA không có Base Station Controller (BSC hoặc RNC), và thay vì NodeB các trạm gốc trong LTE được biết đến như eNodeB. Mạng lõi cũng là một phần trong tổng cấu trúc mới nó là mạng phẳng tất cả các gói tin mạng dựa trên IP (SAE/EPC). Một lần nữa, một giao diện vô tuyến hoàn toàn mới đã được thêm vào gia đình 3GPP để hỗ trợ sự phát triển mới trong mạng không dây, ngoài TDMA/FDMA trong 2G, CDMA trong 3G. Các thiết bị 3GPP, đến giai đoạn này, sẽ chạy trên ba chế độ với ba phổ tần số và ba giao diện vô tuyến (TDMA/FDMA,CDMA và OFDMA).
12 Hình: 1-3 Các phổ tần ba giao diện vô tuyến với công nghệ của nó, từ [12] Rel-9 đã được hoàn thành tháng 3 năm 2010 và nó đã được thêm vào các tính năng mới và các chức năng nâng cao hiệu suất cho cả HSPA + và LTE. Đối với HSPA, thêm đa sóng mang và MIMO tùy chọn. Đối với LTE, tính năng bổ sung và cải tiến để hỗ trợ các dịch vụ khẩn cấp, dịch vụ định vị và các dịch vụ phát sóng là trọng tâm. Trong khi công việc Rel-9 đã hoàn thành, tiến triển đáng kể đã được thực hiện bởi 3GPP liên quan đến Rel-10.
Trong thực tế, 3GPP đã đệ trình đề xuất cho việc đánh giá và chứng nhận quá trình IMT-Advanced do ITU. Một đề tài nghiên cứu trong 3GPP, gọi là LTE-Advanced, đánh giá và cải tiến công nghệ LTE đã lựa chọn đáp ứng các yêu cầu của IMT-Advanced (4G) và đã được trình lên ITU xem xét, phê duyệt trong tháng 10 2009 [13]. Sau đó, như đã đề cập ở phần trước, LTE-Advanced đã được phê duyệt bởi ITU là đúng 4G vào Tháng 10 năm 2010. Sự tiến hóa của 3GPP sẽ tiếp tục trong những năm tới với những cải tiến hơn nữa để LTE-Advanced, SAE trong Rel-11 (dự kiến sẽ bị đóng băng trong 9/2012) v.
LTE-Advanced LTE-Advanced là một phiên bản nâng cấp của LTE Rel-8 và tương thích ngược với LTE Rel-8 ,nghĩa là một thiết bị đầu cuối LTE có thể làm việc trong một mạng LTE- 13 Advanced và thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể làm việc trong một mạng LTE [11]. Theo báo cáo gần đây [7] từ 3GPP, LTE-Advanced đã được đánh giá và so sánh với LTE Rel-8 và yêu cầu IMT-Advanced. Các kết quả trong bảng dưới đây đã khẳng định rằng LTE-Advanced đáp ứng và vượt quá tất cả các yêu cầu của IMT-Advanced. Bảng: 1-1 Hiệu suất của LTE-A LTE Rel-8 LTE-Advanced IMT-Advanced Requirement Peak data rate DL 300 Mbps 1Gbps 1 Gbps UL 75 Mbps 500 Mbps Peak spectrum DL 15 30 15 Efficiency [bps/Hz] UL 3.4 Cell-edge user DL(4x2) 0.06 Spectrum efficiency UL(2x4) - 0.03 [bps/Hz/user] Ví dụ, với hiệu suất phổ đỉnh của 30 bps / Hz, tốc độ dữ liệu đỉnh LTE-Advance trong một băng thông 100 MHz có thể đạt cao như 3 Gbps.
Điều này vượt xa yêu cầu của IMT-Advanced. Để có được thành tích này, LTE-Advanced đã áp dụng một số tính năng mới như hỗ trợ cho băng thông rộng hơn, kỹ thuật MIMO tiên tiến, phối hợp đa điểm truyền nhận (COMP) và chuyển tiếp. Tất cả các tính năng này sẽ được thảo luận chi tiết trong các chương tiếp theo. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE-A 2.1 Tổng quan công nghệ LTE LTE-Advanced là một phiên bản nâng cao của LTE , nghĩa là nó sử dụng giao diện cấu trúc mạng và nền tảng đài phát vô tuyến của LTE, và thêm nhiều tính năng hơn để tăng hiệu suất hệ thống.
Vì vậy, cần thiết để hiểu các công nghệ LTE trước khi thảo luận về LTE-Advanced. Từ quan điểm kiến trúc, LTE Rel-8 là một bước phát triển quan trọng trong mạng truy cập vô tuyến RAN của gia đình 3GPP. Trong các công nghệ trước đây, RNC điều khiển trạm gốc và đóng một vai trò trung gian trong việc kết nối các trạm cơ sở (NodeB) với mạng lõi. Nhưng trong LTE Rel-8, phần tử mạng này không tồn tại; nó được thay thế là eNodeB (evolved NodeB) được kết nối trực tiếp với mạng lõi (MME / UPE), như thể hiện trong hình 2-1.
Các chức năng đã gỡ bỏ của RNC được phân chia giữa hai phần còn lại là eNodeB và mạng lõi. Hầu hết các chức năng này đã được dồn vào eNodeB. Các eNodeB sẽ có nhiều việc phải làm hơn nhưng kiến trúc của LTE lại gọn gàng hơn, khi số lượng các nút được giảm thiểu. Hình: 2-1 Sự tiến hóa trong các mạng truy nhập vô tuyến từ 3G lên LTE 15 Trong giao diện vô tuyến, LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) trong downlink và SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access), hoặc DFTS-OFDM ở đường lên (Hình 2-2).
Hình: 2-2 Giao diện vô tuyến trong downlink và uplink của LTE [18] Khái niệm cơ bản của OFDMA là hệ thống băng thông được chia thành nhiều sub- carriers băng hẹp trực giao với khoảng cách tần số bằng nhau, vì vậy tại một điểm lấy mẫu của một sub-carriers, tất cả các sub-carriers khác có tương quan chéo bẳng không.
