Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE Trong vòng một vài năm gần đây, chúng ta thấy rằng công nghê ̣ di động sử dụng băng thông rộng ngày càng trở nên cầ n thiế t khi mà người dùng di đô ̣ng ngày càng trở nên quen thuộc với việc truy nhập băng thông rộng bất cứ nơi nào họ đến, không chỉ là ở nhà hoặc nơi làm việc. Để đáp ứng nhu cầu đó, 3GPP đã chuẩ n hóa mô ̣t công nghê ̣ di đô ̣ng thế hê ̣ mới có tên go ̣i LTE với mu ̣c tiêu kế thừa và thay thế cho ma ̣ng 2G và 3G hiê ̣n nay. LTE đươ ̣c hy vo ̣ng sẽ cung cấ p mô ̣t chấ t lươ ̣ng dich ̣ vu ̣ tố t hơn so với các ma ̣ng từ trước đế n nay. Mục đích khi 3GPP chuẩ n hóa mạng LTE đó là cung cấ p mô ̣t nề n tảng cho sự phát triể n công nghê ̣ truy nhâ ̣p vô tuyế n hướng đến tốc độ truyền nhận dữ liệu mức cao , giảm trễ, tăng hiê ̣u suấ t phổ tầ n , sử du ̣ng băng thông linh hoa ̣t, tố i ưu hóa hiê ̣u suấ t hê ̣ thố ng khi người dùng di chuyể n,… LTE được xem như một giải pháp để sử dụng tốt hơn các ứng dịch và dịch vụ tiêu tốn rất nhiều băng thông trên thiết bị di động của người dùng hiện nay.
Sau đây chúng ta sẽ điểm qua một số đặc trưng trong hệ thống LTE bao gồm các thông số hiệu suất của hệ thống, phương thức đa truy nhập OFDMA trên đường downlink cũng như mô hình truyền đa anten MIMO được sử dụng cho mạng di đô ̣ng LTE. Một số đặc trƣng của mạng LTE 1. Tốc độ dữ liệu đỉnh LTE hỗ trợ việc tốc độ dữ liệu đỉnh tăng đáng kể một cách nhanh chóng. Tốc độ đỉnh được hỗ trợ sẽ tỷ lệ vào độ rộng băng tần.
Chú ý rằng tốc độ này cũng có thể phụ thuộc vào số lượng anten truyền và nhận tại UE. Với cấu hình cơ bản như sau: - Downlink: 2 antenna thu trên UE - Uplink: 1 antenna phát trên UE Mạng LTE có thể hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời là 100Mb/s trên băng thông 20Mhz (5bps/Hz) cho đường downlink và 50 Mb/s trên băng thông 20Mhz (2.5bps/Hz) cho đường uplink. Độ trễ Trễ đường truyền kênh người dùng phải ít hơn 5 ms một chiều và thời gian chuyển tiếp kênh điều khiển phải ít hơn 50ms từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt động và ít hơn 100ms từ trạng thái chờ sang trạng thái hoạt động. Đối với mạng LTE, độ trễ thời gian thực của tín hiệu thấp hơn nhiều so với mạng 2G, 3G.
Điều này cực kỳ quan trọng bởi vì hầu hết các ứng dụng có liên quan đến hình ảnh và thoại đều dựa trên việc truyền dữ liệu dạng gói giữa mạng di động và thiết bị di động đầu cuối với nhau. Ví dụ khi gọi quốc tế từ điện thoại di động (có thể thông qua Skype hay thẻ gọi quốc tế - dạng Voice IP), nếu thời gian trễ của tín hiệu nhỏ thì ta nghe đầu bên kia nói sớm và ngược lại, hoặc như với dịch vụ Streaming Video thì thời gian hiển thị hình ảnh cũng nhanh hơn. Thông lượng người dùng Thông lượng người dùng cũng như hiệu suất phổ tần trong mạng LTE cao hơn so với các thế hệ mạng di động trước đấy. Cụ thể,thông lượng trên đường downlink cao gấp 3 - 4 lần so với tiêu chuẩn của HSDPA.
Còn trên đường uplink, thông lượng trung bình cũng cao gấp 2 đến 3 lần so với Realease 6 EUL. Chú ý rằng giá trị này cũng tỷ lệ với độ rộng băng thông phổ tần. Khả năng di động Mạng LTE được tối ưu hóa đối với người dùng di chuyển tốc độ thấp từ 0 đến 15 km/h. Tuy nhiên kết nối vẫn có thể được duy trì đối với UE di chuyển tốc độ cao lên tới 350 km/h thậm chí là 500km/h.
Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số LTE có thể hoạt động ở một số dải tần như 1,25Mhz; 1,6Mhz; 2,5MHz; 5 Mhz; 10Mhz; 15Mhz; 20Mhz trên cả đường downlink lẫn uplink. Việc tăng tính linh hoạt phổ tần như vậy sẽ giúp cho việc triển khai trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Ví dụ như đối với WCDMA yêu cầu độ rộng băng thông cố đinh ̣ là 5Mhz, dẫn tới một số vấn đề về việc đưa vào áp dụng tại một số quốc gia nếu như băng thông này đã được sử dụng bởi các mạng 2G GSM hoặc CDMA One. Đương nhiên băng thông càng rộng thì tốc độ dữ liệu đỉnh càng cao.
LTE hỗ trợ cả mô hình truyền z 14 song công phân chia theo tần số FDD và truyề n song công phân chia theo khe thời gian TDD. Thêm vào đó, kết nối có thể diễn ra ở cả dải tần số đơn và kép. FDD sử dụng dải tần kép bởi vì truyền dẫn 2 đường uplink và downlink phải sử dụng 2 tần số khác nhau giữa 2 phía nếu không tín hiệu thu và phát sẽ nhiễu lẫn nhau trong khi đó TDD có thể sử dụng dải tần đơn bởi vì đường uplink và downlink có thể chia sẻ chung dải tần số. Vùng bao phủ Vùng bao phủ của cell phụ thuộc nhiều vào yếu tố địa lý và dải tần sử dụng, có thể hỗ trợ kích thước tế bào thay đổi từ bán kính hàng chục mét (femtocell và picocell) lên tới các macrocell bán kính hàng chục km.
Tại các khu ngoại thành và dùng dải tần số thấp, phạm vi cell tối ưu thường là 5km, tuy nhiên có thể hỗ trợ lên tới 30km thậm chí 100km thì hiệu suất hoạt động của hệ thống vẫn có thể chấp nhận được. Trong khu vực thành thị, dải tần số cao và mật độ user dày đặc, vùng bao phủ của cell có thể chỉ là 1km hoặc thấp hơn. Tổng quan về đƣờng downlink LTE Sự truyền dẫn diễn ra từ trạm gốc đến thiết bị người dùng gọi là đường downlink và ngược lại được gọi là đường uplink. Trong mạng LTE, trạm gốc BS được gọi là eNodeB và trạm người dùng MS được gọi là UE.
OFDMA được chọn làm phương thức đa truy nhập trên đường downlink cho mạng LTE. Truyền nhận trên đường uplink sử dụng giao thức SC FDMA. Tuy nhiên trong phạm vi luận văn này chúng ta chỉ đề cập đến đường downlink trong mạng LTE. Phương thức đa truy nhập OFDMA OFDMA là một phương thức truy nhập dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được sử dụng rộng rãi trong mạng không dây nhưng khá mới mẻ đối với thông tin di động.
Kỹ thuật OFDM chia chuỗi bit tín hiệu truyền đi thành các luồng nhỏ và đồng thời truyền qua nhiều kênh sóng mang con song song khác nhau. Đối với LTE, những sóng mang con OFDM thông thường chiếm một khoảng 15 kHz và được điều chế bằng những bộ điều chế khác nhau như QPSK, 16QAM, 64QAM. Ưu điểm của việc sử z 15 dụng phương thức truy nhập OFDMA trên đường downlink LTE đó chính là khả năng cấp phát dung lượng trên cả miền thời gian(symbols) và không gian(subcarriers), cho phép nhiều người dùng có thể được lập lịch trong cùng 1 khoảng thời gian.OFDM và OFDMA 1. Kiến trúc khung gói tin Phần này sẽ làm rõ việc dữ liệu trong mạng LTE được tổ chức như thế nào.
Trên cả đường downlink lẫn uplink, dữ liệu được tổ chức theo da ̣ng lưới .Trong miền thời gian, dữ liệu được nhóm thành các frame có độ dài 10 milliseconds (ms). 1 frame lại được chia thành 10 subframe có độ dài 1ms, 1 subframe lại tiếp tục được chia thành 2 timeslots (0. Miền tần số thì được chia thành các subcarrier chiếm 15kHz. Cấu trúc của khung dữ liệu trong mạng LTE được minh họa như hình 1.
Đơn vị dữ liệu nhỏ nhất trong mạng LTE đó là 1 symbol (time) x 1 subcarrier (frequency) và được định nghĩa là 1 đơn vị tài nguyên Resource Element (RE). Một số RE tập trung thành 1 khối tài nguyên Resource Block (RB) có độ lớn là 1 timeslot x 12 subcarriers. Số ký hiệu OFDM được điều chế trên 1 sóng mang con phụ thuộc vào tiền tố lặp được sử dụng. Nếu sử dụng tiền tố lặp normal, 1 sóng mang con chứa được 7 ký hiệu OFDM trong khi đó nếu chèn tiền tố lặp extended vào các ký hiệu OFDM, 1 sóng mang con mang được 6 ký hiệu (xem hình 1.Cấu trúc frame LTE [6] Do sự linh hoạt phổ tần nên có tới 2 loại frame được định nghĩa trong LTE, với loại 1 được sử dụng trong truyền song công phân chia theo tần số FDD trong khi đó loại 2 được sử dụng trong truyền song công phân chia theo thời gian TDD.
Frame loại 1 chứa 20 timeslots với độ dài 1 slot là 0.5ms như đã nhắc tới ở phần trước. Trong khi đó, frame loại 2 chứa 2 nửa frame, ít nhất 1 trong 2 sẽ chứa 3 trường của thông tin chuyển mạch bao gồm Downlink Pilot Time Slot (DwPTS), Guard Period (GP) và Uplink Pilot Time Slot (UpPTS). Nếu như thời gian chuyển mạch là 10ms, những thông tin này chỉ diễn ra trên 1 subframe duy nhất. Nếu thời gian chuyển mạch là 5ms, thông tin chuyển mạch diễn ra trên cả 2 nửa frames, đầu tiên trên subframe 1 sau đó lặp lại trên subframe 6.
Subframe 0 và 5 và DwPTS luôn luôn được dành cho đường downlink còn UpPTS và subframe liền ngay sau được dành cho đường uplink. Các subframe khác có thể tùy thuộc được dành cho uplink và downlink. Frame loại 2 được mô tả giống như trong hình 1.Frame loại 2 z 17 Số lượng tài nguyên vô tuyến RBs sẽ thay đổi tỷ lệ với độ rộng của băng thông. Theo logic, khi băng thông hê ̣ thố ng tăng, tài nguyên vô tuyến tức số lượng RBs cũng tăng (xem bảng 1.
Tỷ lệ băng thông và RBs Chú ý rằng ở đây, độ rộng sóng mang con subcarrier giữ như nhau trong tất cả các cấu hình là 15kHz. Kết quả tốt nhất liên quan đến thông lượng có thể thu được bởi băng thông có số lượng RBs là lớn nhất. Kênh vật lý downlink LTE Cũng giống như trong các mạng khác trong UMTS, tất cả các tín hiệu lớp cao và lưu lượng dữ liệu người dùng đều được truyề n thông qua các kênh thích hợp. Trong mạng LTE, các kênh đường xuống được định nghĩa như trên hình 1.Kênh đường xuống LTE z 18 Chúng ta sẽ đi vào chi tiết vai trò và mô tả của các kênh lớp vật lý trên đường downlink được sử dụng trong LTE.