CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG 4G 1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE, LTE Advanced LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này, tháng 11 năm 2014 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
Đặc tả kỹ thuật cho LTE đang được hoàn tất và các sản phẩm LTE đã được các hãng tung ra thị trường. Các mục tiêu của công nghệ này là: Tăng tốc độ truyền dữ liệu: trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mbit/s. Dải tần co giãn được: có khả năng mở rộng từ 1,4MHz; 3MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quảbăng thông.
Mức công suất cao hơn. Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần. Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng: giảm thời gian để một thiết bị chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền. Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms.
Sẽ không còn chuyển mạch kênh: tất cả sẽ dựa trên IP. Chúng cho phép cung cấp cácdịch vụ linh hoạt hơn và đơn giản với các mạng di động. Độ phủ sóng từ 5-100km: trong vòng bán kính 5-100km LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng. Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời.
Tuy nhiên mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại.Điều này hết 3 sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có. Giảm chi phí: là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng. Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: LTE phải cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác. Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE.
Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO.2 Mục tiêu thiết kế mạng di động 4G Những hoạt động của 3GPP trong việc phát triển mạng 4G đã xác định đối tượng, những yêu cầu và mục tiêu cho LTE. Những mục tiêu và yêu cầu này được dẫn chứng bằng tài liệu trong văn bản 3GPP. Những yêu cầu cho LTE được chia thành 5 phần khác nhau như sau: - Tiềm năng hệ thống - Hiệu suất hệ thống - Các vấn đề liên quan đến việc triển khai - Kiến trúc và sự di chuyển - Quản lý tài nguyên vô tuyến 1.1 Tiềpm năng mạng lưới Yêu cầu được đặt ra là việc đạt tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống 100Mbit/s và đường lên 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20MHz. Khi phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo.
Do đó, điều kiện đặt ra là có thể đạt được 5 bit/s/Hz cho đường xuống và 2,5 bit/s/Hz cho đường lên. LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD. Rõ ràng, đối với trường hợp TDD, truyền dẫn đường lên và đường xuống theo định nghĩa không thể xuất hiện đồng thời. Do đó mà yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời.
4 Yêu cầu về độ trễ được chia thành: yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển và yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng. Yêu cầu độ trễ mặt phẳng điều khiển xác định độ trễ của việc chuyển từ trạng thái thiết bị đầu cuối không tích cực khác nhau sang trạng thái tích cực, khi đó thiết bị đầu cuối di động có thể gửi và nhận dữ liệu. Có hai cách xác định: cách xác định thứ nhất được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái tạm trú (camped state) chẳng hạn như trạng thái Release 6 Idle mode, khi đó thì thủ tục chiếm 100ms; các xác định thứ hai được thể hiện qua thời gian chuyển tiếp từ trạng thái ngủ, chẳng hạn như trạng thái Release 6 Cell-PCH. Khi đó thì thủ tục chiếm 50ms.
Trong cả hai thủ tục này thì độ trễ chế độ ngủ và việc báo hiệu non-RAN đều được loại trừ. (Chế độ Release 6 Idle là trạng thái mà khi kết thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến, nghĩa là mạng truy nhập vô tuyến không có bất cứ thuộc tính nào của thiết bị đầu cuối và thiết bị đầu cuối cũng không được chỉ định một tài nguyên vô tuyến nào. Thiết bị đầu cuối có thể ở trong chế độ ngủ và chỉ lắng nghe hệ thống mạng tại những khoảng thời gian cụ thể. Trạng thái Release 6 Cell-PCH là trạng thái mà khi thiết bị đầu cuối không được nhận biết đối với mạng truy nhập vô tuyến.
Tuy mạng truy nhập vô tuyến biết thiết bị đầu cuối đang ở trong tế bào nào nhưng thiết bị đầu cuối lại không được cấp phát bất cứ tài nguyên vô tuyến nào. Thiết bị đầu cuối lúc này có thể đang trong chế độ ngủ). Yêu cầu độ trễ mặt phẳng người dùng được thể hiện qua thời gian để truyền một gói IP từ thiết bị đầu cuối tới biên RAN hoặc ngược lại được đo từ lớp IP. Thời gian truyền theo một hướng sẽ không vượt quá 5ms trong mạng không tải (unloaded network), nghĩa là không có một thiết bị đầu cuối nào khác xuất hiện trong ô.
Xét về mặt yêu cầu đối với độ trễ mặt phẳng điều khiển, LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trong trạng thái tích cực khi hoạt động ở khoảng tần số 5MHz. Trong mỗi phân bố rộng hơn 5MHz, ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ. Số lượng thiết bị đầu cuối không tích cực trong ô không rõ là bao nhiêu nhưng có thể cao hơn một cách đáng kể.2 Hiệu suất mạng lưới Các mục tiêu thiết kế công năng hệ thống LTE sẽ xác định lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ, độ linh động, vùng phủ sóng và MBMS nâng cao. Nhìn chung, các yêu cầu đặc tính LTE có liên quan đến hệ thống chuẩn sử dụng phiên bản 6 HSPA.
Đối với trạm gốc, giả định có một anten phát và hai anten thu, trong khi đó thì thiết bị đầu cuối có tối đa là một anten phát và hai anten thu.Tuy nhiên, một điều quan trọng cần lưu ý là những đặc tính nâng cao như là một phần của việc cải tiến HSPA thì không được bao gồm trong tham chiếu chuẩn. Vì thế, mặc dù thiết bị đầu cuối trong hệ thống chuẩn được giả định là có hai anten thu thì một bộ thu RAKE đơn giản vẫn được áp dụng. Tương tự, ghép kênh không gian cũng không được áp dụng trong hệ thống chuẩn. Yêu cầu lưu lượng người dùng được định rõ theo hai điểm: tại sự phân bố người dùng trung bình và tại sự phân bố người dùng phân vị thứ năm (khi mà 95% người dùng có được chất lượng tốt hơn).
Mục tiêu hiệu suất phổ cũng được chỉ rõ, và trong thuộc tính này thì hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo tế bào tính theo bit/s/MHz/ô. Những mục tiêu thiết kế này được tổng hợp trong bảng 1.1 Các yêu cầu về hiệu suất phổ và người dùng Phương pháp đo hiệu suất Mục tiêu đường xuống Mục tiêu đường so với cơ bản lên so với cơ bản Lưu lượng người dùng trung bình 3 lần – 4 lần 2 lần – 3 lần (trên 1 MHz) Lưu lượng người dùng tại biên tế 2 lần – 3 lần 2 lần – 3 lần bào (trên 1MHz phân vị thứ 5) Hiệu suất phổ bit/s/Hz/ô 3 lần – 4 lần 2 lần – 3 lần Yêu cầu về độ linh động chủ yếu tập trung vào tốc độ di chuyển của các thiết bị đầu cuối di động. Tại tốc độ thấp, 0-15km/h thì hiệu suất đạt được tối đa, và cho phép giảm đi một ít đối với tốc độ cao hơn. Tại vận tốc lên đến 120km/h, LTE vẫn cung cấp hiệu suất cao và đối với vận tốc trên 120km/h thì hệ thống phải duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào.
Tốc độ tối đa có thể quản lý đối với một hệ thống LTE có thể được thiết lập lên đến 350km/h (hoặc thậm chí đến 500km/h tùy 6 thuộc băng tần). Một yếu tố quan trọng đặc biệt là dịch vụ thoại cung cấp bởi LTE sẽ ngang bằng với chất lượng mà WCDMA/HSPA hỗ trợ.1 cho thấy hệ thống 4G có thể : Hỗ trợ dịch vụ hoàn toàn trong miền PS (All IP), Hỗ trợ throughput cao (tốc độ cao, dung lượng lớn), Giảm độ trễ (Control Plan và User Plan), Hỗ trợ Inter-working với mạng truy nhập 3GPP và các mạng truy nhập vô tuyến khác, Giảm giá thành sử dụng trên Mbyte Hình 1.1 : Ưu điểm hệ thống 4G Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi ô (bán kính), nghĩa là khoảng cách tối đa từ tâm ô đến thiết bị đầu cuối di động trong ô. Đối với phạm vi ô lên đến 5km thì những yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Đối với những ô có phạm vi lên đến 30km thì có sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng và hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được.
Tuy nhiên, yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng. Khi mà phạm vi tế bào lên đến 100km thì không thấy có đặc tính kỹ thuật về yêu cầu hiệu suất nào được nói trong quá rõ trong trường hợp này. 7 Năng lực phục vụ của hệ thống 4G được thể hiện chi tiết trong hình 1.2, với những tính năng như : Năng lực phục vụ user : Ít nhất 200 users/cell (5MHz), Lên tới 400 users/cell; Tính di động cao : Tối ưu 0-15 km/hr, Vẫn đảm bảo hiệu suất 15- 120 km/hr, Đáp ứng lên tới 120-350 km/hr.