Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu nhược điểm và sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2 và 3 đồng thời đã sơ lượt tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ 4. Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo các thông số này càng được cải thiện. Để tìm hiểu thêm về 4G ta qua chương tiếp theo. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 21 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ MẠNG LTE CHO MẠNG 4G Hệ thống 4G được xây dựng nhằm chuẩn bị một cơ sở hạ tầng di động chung có khả năng phục vụ các dịch vụ hiện tại và tương lai.
Cơ sở hạ tầng 4G được thiết kế với điều kiện những thay đổi, phát triển về kỹ thuật có khả năng phù hợp với mạng hiện tại mà không làm ảnh hưởng đến các dịch vụ đang sử dụng. Để thực hiện điều đó, cần tách biệt giữa kỹ thuật truy cập, kỹ thuật truyền dẫn, kỹ thuật dịch vụ (điều khiển kết nối) và các ứng dụng của người sử dụng. Chương này sẽ trình bày hệ thống di động 4G LTE: các đặc điểm kỹ thuật của LTE, cấu trúc mạng 4G LTE sẽ như thế nào, nó liên kết với các mạng khác ra sao, các kênh sử dụng trong E-UTRAN, các kỹ thuật sử dụng cho đường lên, đường xuống trong LTE, đồng thời khái quát về các thủ tục liên quan đến giao diện vô tuyến bao gồm chuyển giao và điều khiển công suất. Giới thiệu về công nghệ LTE Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G.
Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA. Kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với dịch vụ chất lượng, độ trễ tối thiểu.
Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC- FDMA. Truy cập tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division multiple Access SC-FDMA) cho phép tăng vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) so với OFDMA. Thêm vào đó, để cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh, hệ thống LTE sử dụng hai đến bốn lần hệ số phổ cell so với hệ thống HSPA Release 6. Mục tiêu của LTE Những hoạt động của 3GPP trong việc cải tiến mạng 3G vào mùa xuân năm 2005 đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE.
Những mục tiêu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 22 và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP TR 25. Những yêu cầu cho LTE được chia thành 07 phần khác nhau như sau: Tiềm năng, dung lượng. Hiệu suất hệ thống Các vấn đề liên quan đến việc triển khai Kiến trúc và sự dịch chuyển (migration) Quản lý tài nguyên vô tuyến Độ phức tạp Những vấn đề chung Tốc độ dữ liệu cao Độ trễ thấp Công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu tối ưu 2. Các đặc tính cơ bản của LTE - Hoạt động ở băng tần: 700MHz - 2,6Ghz.
- Tốc độ: + DL: 100Mbps (ở BW 20MHz) + UL: 50 Mbps với 2 anten thu một anten phát. - Độ trễ: nhỏ hơn 5ms - Độ rộng BW linh hoạt: 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz; 20MHz. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. - Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần.
- Phổ tần số: + Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD + Độ phủ sóng từ 5-100 km + Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5MHz. - Chất lượng dịch vụ: + Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS. - VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS. - Liên kết mạng: + Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 23 thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
+ Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms cho các dịch vụ còn lại. - Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm. Băng thông linh hoạt trong vùng từ 1.4MHz đến 20MHz, điều này có nghĩa là nó có thể hoạt động trong các dải băng tần của 3GPP. Mạng LTE có thể hoạt động trong bất cứ dải tần được sử dụng nào của 3GPP.
Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2GHz) và dải mở rộng (2.5GHz), cũng như tại 850- 900MHz, 1800MHz, phổ AWS (1.1GHz)…Băng tần chỉ định dưới 5MHz được định nghĩa bởi ITU thì phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng tần lớn hơn 5MHz thì sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tính linh hoạt về băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng tần đã tồn tại của họ. Các thông số lớp vật lý của LTE Bảng 2. Các thông số lớp vật lý LTE Kỹ thuật truy UL DTFS-OFDM(SC-FDMA) nhập DL OFDMA Băng thông 1.4MHz, 3MHz , 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz TTI tối thiểu 1ms Khoảng cách sóng mang 15KHz con Ngắn 4.7µs Chiều dài CP Dài 16.7 µs Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM 1 lớp cho UL/UE Ghép kênh không gian Lên đến 4 lớp cho DL/UE Sử dụng MU-MIMO cho UL và DL TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.
Tốc độ đỉnh của LTE theo lớp Lớp 1 2 3 4 5 Tốc độ đỉnh DL 10 50 100 150 300 Mbps Dung lượng cho các chức năng vật lý Băng thông RF 20MHz DL QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, Điều chế QPSK, 16QAM UL 16QAM, 64QAM 2. Cấu trúc của LTE - Cấu trúc cơ bản SAE của LTE Hình 2. So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE Hình 2.1 cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE. Song song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc tầng SAE.
Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả chi phí và thuận tiện thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP. Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua những TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 25 kênh gói được chia sẻ. Phương pháp này sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn. Một kết quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định và không dây.
Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng, mạng có thể được chia thành hai phần: mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi. Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập. Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần của mạng lõi.
Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là EPC. Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node. Vì vậy, người phát triển đã chọn một cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node B).
Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến. Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và X2. Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia làm hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME.
X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau. Cấu trúc cơ bản của LTE TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 26 Kiến trúc mạng lõi LTE: Khi bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn LTE RAN, công tác chuẩn hóa mạng lõi cũng được bắt đầu. Công tác này được gọi là phát triển kiến trúc hệ thống (SAE: System Architecturre Evolution). Mạng lõi được định nghĩa trong công tác SAE là sự phát triển triệt để từ mạng lõi GSM/GPRS và vì thế có tên gọi mới lõi gói phát triển (EPC: Elvolved Packet Core).
Phạm vi SAE chỉ bao gồm chuyển mạch gói không có miền chuyển mạch kênh. Kiến trúc EPS cơ bản. Cấu hình cho EPS hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 27 - EPS nối đến LTE RAN qua giao diện S1 và đến Internet qua giao diện SGi. - Ngoài ra EPC nối đến HSS (tương ứng với HLR trong mạng lõi GSM/WCDMA) qua giao diện S6a.
- Giữa UE và mạng truy nhập vô tuyến có giao diện Uu. Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE Chức năng các node trong mạng lõi LTE: Mobility Management Entity (MME): MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên. Serving Gateway: là node chấm dứt sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến EUTRAN. Serving Gateway có những chức năng bao gồm: - Là node hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong quá trình thiết bị di động di chuyển.
- Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP (chấm dứt sự truy nhập vô tuyến bởi giao diện S4 và tiếp nhận kênh truyền tải từ mạng 2G, 3G và PDN Gateway). - Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu dịch vụ.