CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ 3GPP LTE Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 3G hay 3,5G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE (Long Term Evolution) do 3GPP phát triển. Công nghệ LTE còn được gọi là truy UTRA phát triển (E-UTRA). Chương này sẽ giới thiệu về LTE và những yêu cầu cho LTE như: Đặc điểm, yêu cầu LTE, tính năng quan trọng LTE và kiến trúc LTE, cũng như ta tìm hiểu về tham số của kỹ thuật SC-FDMA được sử dụng trong hệ thống LTE của 3GPP.1 Giới thiệu LTE viết tắt của Long Term Evolution là công nghệ được nhắc đến rất nhiều trên con đường phát triển của ngành viễn thông nói chung hay thông tin di động nói riêng.
Được xem là công nghệ của thế hệ di động thứ 4 tồn tại trong giai đoạn đầu 4G, LTE tiếp nối dòng công nghệ GSM/GPRS/UMTS/HSPA, chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, được phát triển để nâng cao tốc độ truy cập dữ liệu vô tuyến khi mà các hệ thống thông tin di động băng rộng đang phát triển rộng rãi và 3G sẽ dần không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng đường truyền tốc độ cao. Đảm trách trong các công tác chuẩn hóa WCDMA/HSPA với những thành công đáng kể, 3GPP đã và tiếp tục nghiên cứu phát triển hệ thống lên 4G, tiến tới xây dựng một chuẩn chung cho công nghệ 4G. Có thể tổng kết hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến năm 2008 theo thời gian đưa ra các phát hành như sau. SVTH: Nguyễn Thành Duy Trang 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS.
Lê Anh Uyên Vũ Hình 1.1 Lộ trình đưa ra các phát hành 3GPP Các nghiên cứu của LTE được xây dựng trên việc phát triển hiệu năng của hệ thống R6 RAN cải thiện đáng kể độ trễ, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số, là một bước tiến dài so với chuẩn HSPA của mạng W-CDMA, công nghệ nguyên thủy của truyền dữ liệu gói 3G. Tầm phát triển LTE được đánh giá đã đạt đến 3,9G, tiến đến rất gần trên con đường phát triển mạng băng thông rộng di động tốc độ cao tiên tiến thế hệ thứ tư 4G. LTE cho phép chuyển đổi từ từ 3G-UMTS sang giai đoạn đầu 4G sau đó sẽ là IMT Advance. Ngoài LTE của 3GPP thì 3GPP2 cũng đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đưa ra là UMB.
Ngoài ra WiMAX cũng có kế hoạch lên 4G.2 Tiến trình phát triển của 3G lên 4G SVTH: Nguyễn Thành Duy Trang 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Anh Uyên Vũ 1.2 Đặc điểm, yêu cầu thiết kế của LTE 1.1 Khả năng của LTE - Tốc độ số liệu đỉnh: Băng thông được cấp phát linh hoạt từ 1,4MHz lên đến 20MHz (gấp bốn lần băng thông 3G-UMTS) do đó LTE đảm bảo tốc độ số liệu đỉnh đường xuống và đường lên tương ứng đạt đến 100Mbps và 50Mbps khi băng thông được cấp phát cực đại là 20MHz (5bps/Hz cho đường xuống và 2,5bps/Hz ở đường lên). Tuy nhiên tốc độ đỉnh có thể phụ thuộc vào số anten phát và anten thu tại UE. Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm: Khả năng đường xuống với hai anten tại UE, Khả năng đường lên với một anten tại UE.
- Trễ mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng: Thời gian chuyển đổi các trạng thái trong LTE nhỏ hơn 100ms (như từ chế độ rỗi) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell_DCH). Nó cũng cần đảm bảo thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ (như trong R6 Cell_PCH) sang trạng thái tích cực (như trong R6_DCH).3 Chuyển đổi trạng thái trong LTE Với mặt phẳng người sử dụng (mặt phẳng U), đảm bảo trễ một chiều không vượt quá 5ms trong điều kiện mạng không tải (không có các đầu cuối khác trong ô). Trễ mặt phẳng U được định nghĩa là trễ một chiều khi phát một gói tại lớp IP ở UE đến lớp IP trong node biên của UTRAN hoặc ngược lại. Node biên của UTRAN là giao diện UTRAN với mạng lõi.4 Yêu cầu mặt phẳng đối với người sử dụng SVTH: Nguyễn Thành Duy Trang 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS.
Lê Anh Uyên Vũ 1.2 Hiệu năng hệ thống Hiệu năng hệ thống của LTE đề cập tới thông lượng của người sử dụng, hiệu suất phổ tần, hỗ trợ di động, vùng phủ và MBMS tăng cường hơn. - Thông lượng và hiệu suất phổ tần: Yêu cầu thông lượng của người sử dụng LTE được đặc tả ở hai điểm: Vùng phủ và phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt hơn). Hiệu suất phổ tần được định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/Hz. Mục tiêu của thông lượng và hiệu suất phổ tần được đặc tả như sau: Bảng 1.1: So sánh các thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần trên đường xuống và đường lên giữa LTE với HSDPA và HSUPA.
Downlink Uplink HSDPA LTE Đích LTE/ HSUPA LTE Đích LTE/ đã đạt đã đạt Tốc độ đỉnh 14,4 144 100/ đã đạt 5,7 57 50/ đã đạt (Mbps) Hiệu suất phổ 0,75 1,84 3-4 lần 0,26 0,67 2-3 lần tần (bit/hz/s) HSDPA/ đạt HSUPA/ đạt 2,5 2,6 Thông lượng 0,006 0,0148 2-3 lần 0,006 0,015 2-3 lần người sử dụng HSDPA/ đạt HSUPA/ đạt biên ô 2,5 2,5 - Hỗ trợ di động: LTE đạt được hiệu năng cực đại với tốc độ đầu cuối di động khoảng 0-15km/h, hiệu năng của hệ thống sẽ giảm khi tốc độ đầu cuối cao hơn. Đối với tốc độ trên 120km/h, LTE đảm bảo hiệu năng cao để duy trì kết nối trên toàn mạng tế bào. Hệ thống LTE có thể quản lí tốc độ lên tới 350km/h thậm chí là 500km/h phụ thuộc vào băng tần. - Vùng phủ: Các yêu cầu về thông lượng người sử dụng, hiệu suất phổ tần và di động được đảm bảo tối ưu cho các ô bán kính lên đến 5km (khoảng cách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô).
Với các ô bán kính tới 30km cho phép giảm SVTH: Nguyễn Thành Duy Trang 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Anh Uyên Vũ nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần tuy nhiên vẫn phải đáp ứng tính di động. - MBMS tăng cường: MBMS là mạng quảng bá dịch vụ đa phương tiện đã được đưa vào trong R6. Tài nguyên vô tuyến được thiết lập trong từng ô nằm trong vùng quảng bá MBMS và tất cả các đầu cuối khi đăng kí dịch vụ đều thu được cùng môt tín hiệu được phát này.
Mạng không cần theo dõi chuyển động của đầu cuối và đầu cuối khi đăng kí có thể thu nội dung mà không cần thông báo cho mạng. Như vậy, một trong các lợi ích của dịch vụ MBMS là tiết kiệm tài nguyên mạng vì một luồng dữ liệu có thể cung cấp cho nhiều người. MBMS tăng cường trong LTE đảm bảo các dịch vụ tốt hơn các dịch vụ mà R6 cung cấp gồm chế độ quảng bá và chế độ phát đơn phương. Với trường hợp phát quảng bá hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương ứng với 16 kênh TV trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz.
Tất nhiên LTE đảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời được trộn lẫn với nhau.3 Kiến trúc và quá trình chuyển đổi Kiến trúc LTE thể hiện các đặc điểm sau: - Dựa trên nền gói tuy nhiên lưu lượng thời gian thực, hội thoại được hỗ trợ. - Đơn giản hóa so với mạng 3G và giảm thiểu số giao diện được đưa ra. - Khả năng tương tác giữa lớp mạng vô tuyến (RNL) và lớp mạng truyền tải (TNL), đáp ứng cải thiện hiệu năng hệ thống khi được yêu cầu. - Hỗ trợ QoS đầu cuối - đầu cuối.
TNL đảm bảo QoS do RNL yêu cầu. - Giảm thiểu thay đổi trễ đáng kể do dựa vào TCP/IP. - Các cơ chế QoS phải xét đến các kiểu lưu lượng khác nhau để đảm bảo sử dụng băng thông hiệu quả: Lưu lượng mặt phẳng điều khiển, lưu lượng mặt phẳng người sử dụng, lưu lượng khai thác và bảo dưỡng.4 Khía cạnh liên quan đến triển khai LTE có thể đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm với GERAN, UTRAN trên các kênh lân cận. E-UTRA có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mang khác).
LTE hỗ trợ cả ghép song công, bán song công phân SVTH: Nguyễn Thành Duy Trang 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Lê Anh Uyên Vũ chia theo tần số FDD và ghép song công phân chia theo thời gian TDD. Các hệ thống FDD được triển khai trong các ấn định băng kép với một băng cho tryền dẫn đường xuống và một băng khác của truyền dẫn đường lên. Các hệ thống TDD được triển khai trong các ấn định băn tần đơn.
LTE còn có khả năng định lại kích cỡ trong miền tần số và hoạt động trong các băng tần khác nhau, linh hoạt trong các dải tần hoạt động (1,4MHz; 3Mhz; 5MHz; 10MHz; 15MHz và 20MHz).5 Băng tần hoạt động của LTE 1.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến LTE có khả năng hỗ trợ tăng cường cho QoS đầu cuối đầu cuối đảm bảo các yêu cầu về giao thức (bao hàm cả lớp báo hiệu cao hơn) cho các tài nguyên vô tuyến RAN và các đặc tính RAN. Hỗ trợ chia sẻ tải và quản lí tài nguyên chính sách trên các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau. Hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn các lớp cao hơn: LTE RAN có thể cung cấp các cơ chế hỗ trợ truyền dẫn và khai thác hiệu quả các giao thức lớp cao hơn trên giao diện vô tuyến, chẳng hạn như nén tiêu đề IP.6 Mức độ phức tạp LTE được thiết kế giảm thiểu mức độ phức tạp của toàn bộ hệ thống cũng như độ phức tạp của máy di động đầu cuối.Theo đó, thiết kế LTE giảm thiểu số lượng các tùy chọn và đảm bảo loại bỏ các tính năng bắt buộc thừa, giảm thiểu số lượng các trường hợp kiểm tra cần thiết chẳng hạn giảm số lượng các trạng thái của các giao thức, thủ tục, các thông số và tính hạt. Đối với UE, giảm thiểu mức độ phức SVTH: Nguyễn Thành Duy Trang 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS.