CHƯƠNG I - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G (LTE/LTE ADVANCED) 1.1 Tổng quan mạng 4G LTE/LTE Advanced 1.1 Tổng quan mạng 4G LTE LTE là một chuẩn cho công nghệ truyền thông dữ liệu không dây và là một sự tiến hóa của các chuẩn GSM/UMTS. Mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21 này. Một mục tiêu cao hơn là thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP với độ trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc mạng 3G. Giao diện không dây LTE không tương thích với các mạng 2G và 3G, do đó nó phải hoạt động trên một phổ vô tuyến riêng biệt.
Đặc tả kỹ thuật LTE chỉ ra tốc độ tải xuống đỉnh đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên đỉnh đạt 75 Mbit/s và QoS quy định cho phép trễ truyền dẫn tổng thể nhỏ hơn 5 ms trong mạng truy nhập vô tuyến. LTE có khả năng quản lý các thiết bị di động chuyển động nhanh và hỗ trợ các luồng dữ liệu quảng bá và đa điểm. LTE hỗ trợ băng thông linh hoạt, từ 1,25 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ cả song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD). Kiến trúc mạng dựa trên IP, được gọi là mạng lõi EPC và được thiết kế để thay thay thế mạng lõi GPRS, hỗ trợ chuyển giao liên tục cho cả thoại và dữ liệu tới trạm eNodeB với công nghệ mạng cũ hơn như GSM, UMTS và CDMA 2000, các kiến trúc đơn giản và chi phí vận hành thấp hơn.
Phần lớn tiêu chuẩn LTE hướng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng có thể thực sự trở thành công nghệ truyền thông di động 4G. Một lượng lớn công việc là nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, vì nó chuyển từ mạng UMTS sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh + chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn IP. E- UTRA là giao diện vô tuyến của LTE. Nó có các tính năng chính sau: • Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị người dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông là 20 MHz).
5 kiểu thiết bị đầu cuối khác nhau đã được xác định từ một kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh. Tất cả các thiết bị đầu cuối đều có thể xử lý băng thông rộng 20 MHz. • Trễ truyền dẫn dữ liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về dưới 5 ms cho các gói IP nhỏ trong điều kiện tối ưu), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối nhỏ hơn so với các công nghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ. • Cải thiện hỗ trợ cho tính di động, thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc lên tới 350 km/h hoặc 500 km/h vẫn có thể được hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần.
• OFDMA được dùng cho đường xuống, SC-FDMA dùng cho đường lên để tiết kiệm công suất. • Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD và TDD cũng như FDD bán song công với cùng công nghệ truy nhập vô tuyến. • Hỗ trợ cho tất cả các băng tần hiện đang được các hệ thống IMT sử dụng của ITU-R. • Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz được chuẩn hóa (W-CDMA yêu cầu độ rộng băng thông là 5 MHz, dẫn tới một số vấn đề với việc đưa vào sử dụng công nghệ mới tại các quốc gia mà băng thông 5 MHz thương được ấn định cho nhiều mạng, và thường xuyên được sử dụng bởi các mạng như 2G GSM và cdmaOne).
• Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống là 16. Hiệu suất sử dụng phổ tần đường lên là 4.32 b/s (giả sử sử dụng SISO) • Hỗ trợ kích thước tế bào từ bán kính hàng chục m (femto và picocell) lên tới các macrocell bán kính 100 km. Trong dải tần thấp hơn dùng cho các khu vực nông thôn, kích thước tế bào tối ưu là 5 km, hiệu quả hoạt động hợp lý vẫn đạt được ở 30 km, và khi lên tới 100 km thì hiệu suất hoạt động của tế bào vẫn có thể chấp nhận được. Trong khu vực thành phố và đô thị, băng tần cao hơn (như 2,6 GHz ở châu Âu) được dùng để hỗ trợ băng thông di động tốc độ cao.
Trong trường hợp này, kích thước tê bào có thể chỉ còn 1 km hoặc thậm chí ít hơn. • Hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối dữ liệu hoạt động trong mỗi tế bào có băng thông 5 MHz. • Đơn giản hóa kiến trúc: phía mạng E-UTRAN chỉ gồm các eNode B • Hỗ trợ hoạt động với các chuẩn cũ (ví dụ như GSM/EDGE, UMTS và CDMA2000). Người dùng có thể bắt đầu một cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu trong một khu vực sử dụng chuẩn LTE, nếu tại một địa điểm không có mạng LTE thì người dùng vẫn có thể tiếp tục hoạt động nhờ các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dùng WCDMA hay thậm chí là mạng của 3GPP2 như cdmaOne hoặc CDMA2000).
• Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói. • Hỗ trợ cho MBSFN (Mạng quảng bá đơn tần). Tính năng này có thể cung cấp các dịch vụ như Mobile TV dùng cơ sở hạ tầng LTE, và là một đối thủ cạnh tranh cho truyền hình dựa trên DVB-H. Tiêu chuẩn LTE chỉ hỗ trợ chuyển mạch gói với mạng toàn IP của nó.
Các cuộc gọi thoại trong GSM, UMTS và CDMA2000 là chuyển mạch kênh, do đó với việc thông qua LTE, các nhà khai thác mạng sẽ phải tái bố trí lại mạng chuyển mạch kênh của họ. Có 3 cách tiếp cận khác nhau hiện nay để tái bố trí lại mạng chuyển mạch kênh cho các nhà mạng: • VoLTE (Voice Over LTE – Thoại trên nền LTE): Hướng này dựa trên mạng IMS. Khi sử dụng giải pháp này, các nhà mạng chỉ cần nâng cấp các MSC (trung tâm chuyển mạch di động) thay vì phải triển khai IMS, do đó có thể cung cấp các dịch vụ một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, nhược điểm là trễ thiết lập cuộc gọi dài hơn.
• SVLTE (Simultaneous Thoại và LTE đồng thời): Trong hướng này, điện thoại làm việc đồng thời trong chế độ LTE và CS, với chế độ LTE cung cấp các dịch vụ dữ liệu và chế độ CS cung cấp dịch vụ thoại. Đây là một giải pháp hoàn toàn dựa vào máy di động, nó không có yêu cầu đặc biệt về mạng và không yêu cầu phải triển khai IMS. Nhược điểm của giải pháp này là điện thoại có thể đắt hơn do tiêu thụ công suất nhiều hơn.2 Tổng quan mạng 4G LTE - Advanced Hiện nay, tại nhiều nước trên thế giới, khi phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE đang hoàn thành thì tâm điểm của sự chú ý đang chuyển sang sự tiến hóa tiếp theo của công nghệ này, đó là LTE-Advanced. Một trong những mục tiêu của quá trình tiến hóa này là để đạt tới và thậm chí vượt xa những yêu cầu của IMT-Advanced của ITU-R nhằm cải thiện một cách đáng kể về mặt hiệu năng so với các hệ thống hiện tại bao gồm cả hệ thống LTE phiên bản đầu tiên.
Các chuyên gia công nghệ cũng nhận định rằng LTE cần phải cải tiến và LTE-Advanced sẽ là chuẩn thống trị trong tương lai gần. Họ cũng coi công nghệ này mới thật sự là 4G do đáp ứng đầy đủ các tiêu chí kỹ thuật mà Liên minh Viễn thông Quốc tế (International Telecommunication Union) đặt ra cho hệ thống mạng không dây thế hệ thứ 4.Các yêu cầu chủ yếu 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 (ví dụ như 100 MHz). • Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 bit/Hz/s (giả sử sử dụng MIMO 4x4).
• Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh đường lên tối thiểu là 6. • Tốc độ thống lượng lý thuyết là 1. LTE – Advanced là bản nâng cấp của LTE và hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu này: • LTE-Advanced là phiên bản nâng cấp của LTE và 2 chuẩn này hoàn toàn tương thích với nhau. Các đầu cuối sử dụng LTE-Advanced mới vẫn hoạt động tốt với các mạng LTE thông thường và ngược lại.
Điều này có lợi cho cả người dùng và nhà mạng. • Về mặt lý thuyết, LTE-Advanced có tốc độ tải xuống đạt tới 3Gbps, tốc độ tải lên 1,5Gbps. Đây là một sự vượt trội tuyệt đối khi so sánh với thông số tải xuống/tải lên của LTE thường là 300Mb/s và 75Mb/s. Không chỉ có tốc độ nhanh hơn, LTE- Advanced cũng bao gồm những giao thức truyền tải mới, hỗ trợ đa an-ten cho phép số lượng bit/s truyền tải qua tần phổ mượt mà hơn và kết quả là kết nối ổn định hơn và chi phí dữ liệu sẽ rẻ hơn.
• Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến 100 MHz. Với một kỹ thuật mới có tên là tổng hợp sóng mang (Carrier Aggregation) LTE – Advanced có thể làm tăng số lượng băng thông khả dụng dành cho thiết bị di động bằng cách ghép nối các kênh tần số, hay còn gọi là sóng mang nằm ở các phần khác nhau nằm rải rác trong phổ vô tuyến. LTE thông thường có thể cung cấp dữ liệu bằng cách sử dụng các block dữ liệu liền kề của tần số lên đến 20MHz. Nhưng khi ngày càng nhiều các công ty cung cấp dịch vụ và cùng với nó là số lượng các thiết bị tranh giành tần số viễn thông ngày càng nhiều, những dải rộng lên tới 20Mhz như vậy đang ngày càng khan hiếm.
Hầu hết các nhà khai thác đành phải mua các bit và mảnh tần phổ rời rạc, hình thành một sưu tập phân mảnh để phục vụ cho hoạt động của mình. Phương thức cung cấp dịch vụ kết hợp đã giải quyết vấn đề này. Nó cho phép các nhà khai thác kết hợp các kênh rời rạc, nhỏ bé, phân tán thành "một đường ống rất lớn". Ví dụ, có thể kết hợp hai kênh có độ rộng 10MHz ở các tần số 800MHz và 1,8GHz riêng biệt thành một kênh 20MHz toàn duy nhất, cơ bản tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi người dùng.
Đó chính là một trong các ưu điểm của công nghệ mới LTE-Advanced. Hiện tại công nghệ này cho phép các nhà mạng có thể kết hợp tới 5 kênh có độ rộng 20Mhz thành 1 kênh có độ rộng 100Mhz, nhanh hơn 5 lần so với LTE thông thường.
