CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LTE 1.1 Thế hệ di động 3G và động lực phát triển công nghệ LTE Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP đã đặt ra các yêu mới đối với công nghệ viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng được dịch vụ mới này. Nếu 1G (the first gerneration) của điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ có khả năng truyền thoại. 2G (the second generation) bao gồm cả hai công năng truyền thoại và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số.
Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT – 2000. IMT – 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện thông tin. Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. 3G mang lại cho người dùng các dịch vụ giá trị gia tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail và tin nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao.
Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video và MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao… Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, dung lượng của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G tất cả đều dựa trên CDMA bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD), CDMA 2000 và TD-CDMA. Đến nay thì dung lượng các mạng 3G và 3.5G vẫn đủ cho yêu cầu về băng thông của các ứng dụng và số lượng người dùng hiện có. Nhưng trong tương lai không xa một số xu hướng sẽ làm tăng yêu cầu về băng thông: • Mức độ sử dụng mạng không dây ngày càng tăng: do giá thành ngày càng hạ, ngày càng có nhiều người sử dụng các ứng dụng không dây cần truy nhập mạng 10 Mạng di động thế hệ 4G • Nội dung đa phương tiện: tuy những nỗ lực đầu tiên di động hóa Web chỉ đạt được các trang Web chủ yếu là văn bản nhưng nội dung đồ họa ngày càng trở nên phổ biến hơn.
Việc tải xuống âm nhạc và phim ảnh cũng đang trở nên phổ biến hơn làm tăng hơn nữa về băng thông. • Các mạng xã hội di động: Ngày nay thì các blog, các trang mạng xã hội như facebook, twitter… chia sẻ hình ảnh ngày càng được cộng đồng mạng sử dụng nhiều chỉa sẻ mọi lúc mọi nơi. Công tác nghiên cứu Long Term Evolution (LTE) được bắt đầu vào năm 2004 với việc định ra các mục tiêu cho sự phát triển LTE.Phải mất hơn 5 năm để chuyển từ việc thiết lập các mục tiêu hệ thống thành việc triển khai các hệ thống thương mại bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn tương thích. Vì thế, việc chuẩn hóa các hệ thống cần phải được bắt đầu sớm đủ để sẵn sàng vào thời gian cần là có ngay.
Một vài động lực có thể được xác định cho việc cần thiết phải phát triển LTE: sự cải tiến về dung lượng của các mạng cố định, sự cần thiết phải gia tăng khả năng của mạng di động, sự cần thiết phải phân phối chi phí thấp hơn cho các dịch vụ dữ liệu di động và sự cạnh tranh của các công nghệ không dây khác. Vì các mạng cố định duy trì sự phát triển các công nghệ mới nên một sự phát triển tương tự cũng phải được yêu cầu trong lĩnh vực mạng di động để đảm bảo rằng các ứng dụng sẽ hoạt động trôi chảy trong lĩnh vực mạng di động.Các công nghệ của 3GPP (3 rd Generation Partnership Project) phải đạt được ít nhất là bằng và tiến bộ hơn các đối thủ cạnh tranh. Việc tăng thêm dung lượng là một yêu cầu rõ ràng cho việc sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần số sẵn có hiện nay. Các lý do này được tổng kết trong hình 1.1 LTE phải có khả năng mang lại hiệu năng vượt trội so với các mạng hiện có của 3GPP dựa trên công nghệ High Speed Packet Access (HSPA).Thông lượng người sử dụng cao nhất đạt tối thiểu 100 Mbps cho đường xuống và 50 Mbps cho đường lên như vậy là gấp 10 lần so với HSPA Release 6.Độ trễ cũng phải được giảm xuống để nâng cao hiệu năng của người sử dụng.
Sự tiêu hao công suất ở thiết bị đầu cuối cũng phải giảm đến mức tối thiểu để cho phép người dùng có khả năng sử dụng thêm các ứng dụng đa phương tiện mà không phải xạc lại pin.Các mục tiêu chính được thể hiện trong hình 1.2 và được liệt kê dưới đây: 11 Mạng di động thế hệ 4G Hiệu suất phổ tần gấp 2-4 lần so với HSPA Release 6 Tốc độ đỉnh vượt quá 100 Mbps đường xuống và 50 Mbps đường lên Thời gian trễ nhỏ hơn 10ms Tối ưu hóa miền chuyển mạch gói Nâng cao khả năng bảo mật và di động Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng công suất ở thiết bị đầu cuối Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống Hình1. 1 Động lực cho phát triển LTE Hình1. 2 Các mục tiêu chính của LTE 1.2 Tổng quan về LTE LTE sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho đường xuống và công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SCFDMA-Single Carrier Frequency Division Multiple Access) cho đường lên. Các công nghệ đa truy nhập này cung cấp sự trực giao giữa các người sử dụng nhằm giảm bớt nhiễu và tăng dung lượng của mạng.Việc ấn định tài nguyên trong miền tần số diễn ra với độ phân giải là 180 kHz cho một khối tài nguyên ở cả đường lên và đường xuống.Việc 12 Mạng di động thế hệ 4G cấp phát tài nguyên vô tuyến cho một thuê bao ở đường lên là liên tục điều này cho phép truyền dẫn đơn sóng mang trong khi ở đường xuống việc sử dụng các khối tài nguyên một cách tự do các phần khác nhau của phổ tần số.
Giải pháp đơn sóng mang ở đường lên cũng được thiết kế để cho phép thiết kế hiệu quả bộ khuếch đại công suất hiệu quả ở các thiết bị đầu cuối, điều này có liên quan đến tuổi thọ của pin của các thiết bị đầu cuối. LTE cho phép sử dụng băng thông linh hoạt, nơi băng thông truyền dẫn có thể được chọn trong khoảng từ 1,4 MHz đến 20 MHz phụ thuộc vào phổ tần số hiện có của các nhà mạng di động. Với băng thông 20 MHz có thể cung cấp tốc độ tải dữ liệu tới 150 Mbps đường xuống với 2x2 MIMO và 300 Mbps với 4x4 MIMO. Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên là 75 Mbps.
Các sơ đồ đa truy nhập được minh họa trong hình 1. 3 Các sơ đồ truy nhập trong LTE Dung lượng mạng lớn cũng đòi hỏi một kiến trúc mạng hiệu quả ngoài những tính năng nâng cao về vô tuyến.Các mục tiêu trong 3GPP Release 8 là để cải thiện khả năng mở rộng mạng cho việc tăng lưu lượng và để giảm thiểu độ trễ giữa các thiết bị đầu cuối bằng cách giảm các số lượng phần tử trong mạng. Tất cả các giao thức vô tuyến, quản lý di động, nén tiêu đề và sự truyền lại các gói dữ liệu đều được đặt tại trạm gốc và được gọi là eNodeB.eNodeB bao gồm tất cả các thuật toán được đặt tại bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC-Radio Network Controller) trong kiến trúc 3GPP Release 6. Mạng lõi cũng đươc sắp xếp tổ chức một cách hợp lý bằng cách phân chia thành mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển.Phần tử quản lý di động (MME-Mobility Management Entity) chỉ nằm trong mặt phẳng điều 13 Mạng di động thế hệ 4G khiển trong khi trong mặt phẳng người dùng dữ liệu không đi qua MME mà đi trực tiếp tới SAE-GW (System Architecture Evolution Gateway), điều này làm giảm thiểu độ trễ giữa các thiết bị đầu cuối.
Sự phát triển kiến trúc hệ thống được minh họa như trong hình 1. 4 Kiến trúc mạng LTE 1.3 Các dịch vụ trong LTE Thông qua sự kết hợp của tốc độ truyền dẫn đường xuống (và đường lên) cao, linh hoạt hơn trong sử dụng băng thông, hiệu quả sử dụng phổ tần, và độ trễ dữ liệu được giảm xuống, LTE hứa hẹn sẽ tăng cường cung cấp các dịch vụ di động băng rộng trong khi lại tăng thêm được sự thú vị trong các dịch vụ gia tăng mới. Với sự mong chờ thông lượng sẽ vượt quá 100 Mbps và độ trễ nhỏ hơn 10ms, LTE sẽ cung cấp cho các thuê bao những dịch vụ có chất lượng tương đương với các công nghệ xDSL và kết nối qua cáp.Ngoài ra, LTE còn phá vỡ ranh giới giữa “home và outside”, nghĩa là ứng dụng có thể được chia sẻ giữa các máy tính trong nhà và bên ngoài nhà Thêm vào đó bởi vì chí phí cho mỗi bit trong LTE là thấp nên một số ứng dụng tiêu tốn rất nhiều dữ liệu đôi khi lên đến hàng gigabyte nay có thể được sử dụng trong môi trường điện thoại di động 14 Mạng di động thế hệ 4G Các video có độ nét cao (HD-High Definition) có thể được ứng dụng trong LTE, nhờ tốc độ dữ liệu tăng lên tạo điều kiện cho người sử dụng có khả năng xem được các bộ phim bom tấn mới nhất ở máy tích xách tay của họ trên đường đi làm là một ví dụ điển hình.Tốc độ dữ liệu đường lên tăng lên công nghệ LTE cũng cho phép sử dụng dịch vụ “Video Blogging” hoặc có khả năng tải các nội dung video lên các trang web mạng xã hội Đối với các khách hàng là các doanh nghiệp, công nghệ LTE cho phép truyền tải các file có dung lượng lớn với tốc độ cao, ngoài ra nó còn có thể cung cập các cuộc hội nghị truyền hình chất lượng cao và sự truy nhập an toàn cho các thành viên trong doanh nghiệp Nhờ công nghệ LTE mà các đặc tính “Web 2.0” ngày nay lần đầu tiên được ứng dụng vào môi trường điện thoại di động.