Phần 1
TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG
TIN DI ĐỘNG TỪ 1G -> 4G
I. Hệ thống 1G ( hệ thống tương tự ) :
1. Lịch sử phát triển :Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự (analog), là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979. Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là : NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga.
Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia.
2. Đặc điểm của hệ thống này là :
Hầu hết các hệ thống ñều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ yếu là âm thanh. Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba. Một số chuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac.Những điểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng .
II. Hệ thống 2G ( Digital ) :
Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT – European Conference of Postal and Telecommunications ad minstrations) thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu âu. Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991.
Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI – European Telecommunication Standards Institute) được thành lập, có trách nhiệm biến đổi nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European.
Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA -1G, 2G - là kết hợp FDMA và TDMA.
Tất cả các chuẩn của thế hệ này đều là chuẩn kỹ thuật số và được định hướng thương mại, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS, HSCSD, WiDEN và CDMA2000 (1xRTT/IS-2000). Trong đó khoảng 60% số mạng hiện tại là theo chuẩn của châu Âu.
1. Đặc điểm của hệ thống :
Hệ thống GSM làm việc trong một băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960MHz). Băng tần được chia làm 2 phần:
- Uplink band từ (890 – 915) MHz - Downlink ban từ (935 – 960)MHz
khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là một kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM. Tốc độ mã từ (6.5- 13)Kbps. 125 kênh tần số được đánh số từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt đối ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number).
Ful(n) = 890 MHz + (0,2MHz) * n Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz
Với 1 <= n <= 124
- sử dụng các phương pháp đa truy nhập chính là :
+ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access ).
+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access).
+ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access).
2. các hệ thống điển hình:
Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Trong thời kỳ của thế hệ thứ hai, nền công nghệ thông tin di động đã tăng trưởng vượt trội cả về số lượng thuê bao và các dịch vụ giá trị gia tăng. Các mạng thế thứ hai cho phép
truyền dữ liệu hạn chế trong khoảng từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps. Các mạng này được sử dụng chủ yếu cho mục đích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh.
Tương tự như trong 1G, không tồn tại một chuẩn chung toàn cầu nào cho 2G, hiện nay các hệ thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:
-D- AMPS (Digital AMPS): Được sử dụng tại Bắc Mỹ. D-AMPS đang dần được
thay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000.
-GSM (Global System for Mobile Communications): Các hệ thống triển khai GSM
được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ, Nhật). Hệ thống GSM dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu cuối di động truyền thông trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số khác cao hơn (chênh lệch 80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM). Trong cả hai hệ thống, phương pháp dồn kênh phân chia thời gian lại được áp dụng cho một cặp tần số, làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của hệ thống. Tuy nhiên, các kênh GSM rộng hơn các kênh AMPS (200kHz so với 30kHz) qua đó GSM cung cấp độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS
- CDMA (code Division Multiple Access):
CDMA sử dụng công nghệ đa truy cập thông qua mã . Nhờ công nghệ này mà CDMA có thể nâng cao dung lượng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cell cao hơn hẳn so với hai công nghệ trên.
tại Nhật Bản. Giống như D-AMPS và GSM, PDC sử dụng TDMA.
3.Những ưu nhược điểm của 2G so với 1G và tình hình phát triển :
- Những cuộc gọi di động được mã hóa kĩ thuật số - Cho phép tăng hiệu quả kết nối các thiết bị
- Bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động – khởi đầu là tin nhắn SMS.
Những công nghệ 2G được chia làm hai dòng chuẩn : TDMA (Time – Divison Mutiple Access : Đa truy cập phân chia theo thời gian), và CDMA ( Code Divison Multple Access : Đa truy cập phân chia theo mã), tùy thuộc vào hình thức ghép kênh được sử dụng.
3. GSM Phát triển lên 2.75G :
Trong đó :
-HSCSD = High Speed Circuit Switched Data:
số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao:
-GPRS = General Packet Radio Service:
dịch vụ vô tuyến gói chung:Hệ thống GPRS - bước đầu tiên hướng tới 3G. Mở rộng kiến trúc mạng GSM. Truy cập tốc độ cao và hiệu quả tới những mạng chuyển mạch gói khác (tăng tới 115kbps)
-EDGE = Enhanced Data Rates for GSM Evolution:
tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM:EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ. Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn. ITU đã định nghĩa 384kbps là giới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môi trường không lý tưởng. 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian, giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian.
2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ chuyển mạch gói), và có thể dùng cơ sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM và CDMA. GPAS là công nghệ được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM sử dụng. Và giao thức, như EDGE cho GSM, và CDMA 2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt chất lượng như các dịch vụ 3G (vì dùng tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s), nhưng vẫn được xem như dịch vụ 2,5G bởi vẫn chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thật sự.
III . Mạng thông tin di động 3G :
các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước. Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-200 (International
Mobile Telecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:
- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao
- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, ...)
- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc,...) - Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, ...)
- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống.
Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có những người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps.
Theo đặc tả của ITU một công nghệ toàn cầu sẽ được sử dụng trong mọi hệ thống IMT-2000, điều này dẫn đến khả năng tương thích giữa các mạng 3G trên toàn thế giới. Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới tồn tại hai công nghệ 3G chủ đạo: UMTS(W-CDMA) và CDMA2000.
-UMTS (W-CDMA):
UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G. UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP (third Generation Partnership Project), tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS. UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có.
-CDMA2000:
Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2. CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS. CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps. Hệ thống CDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D-AMPS của thế hệ thứ 2.
-TD-SCDMA:
Chuẩn được it biết đến hơn là TD-SCDMA đang được phát triển tại Trung Quốc bởi các công ty Datang và Siemens
1 . Đặc Điểm và các kỹ thuật chính:
Đặc điểm nổi bật nhất của mạng 3G là khả năng hỗ trợ một lượng lớn các khách hàng trong việc truyền tải âm thanh và dữ liệu – đặc biệt là ở các vùng đô thị - với tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn mạng 2G.
3G sử dụng kênh truyền dẫn 5 MHz để chuyển dữ liệu. Nó cũng cho phép việc truyền dữ liệu ở tốc độ 384 Kbps trong mạng di động và 2 Mbps trong hệ thống tĩnh. Người dùng hy vọng mạng 3G sẽ được phát triển hiệu quả hơn nữa, để các khách hàng của các mạng 3G khác nhau trên toàn cầu có thể kết nối với nhau.
Kết cấu phân tầng: Hệ thống UMTS dựa trên các dịch vụ được phân tầng, không giống như mạng GSM. Ở trên cùng là tầng dịch vụ, đem lại những ưu điểm như triển khai nhanh các dịch vụ, hay các địa điểm được tập trung hóa. Tầng giữa là tầng điều khiển, giúp cho việc nâng cấp các quy trình và cho phép mạng lưới có thể được phân chia linh hoạt. Cuối cùng là tầng kết nối, bất kỳ công nghệ truyền dữ liệu nào cũng có thể được sử dụng và dữ liệu âm thanh sẽ được chuyển qua ATM/AAL2 hoặc IP/RTP. CDMA được dùng trong mạng IMT-2000 3G là WCDMA (Wideband CDMA) và cdma2000.
- WCDMA là đối thủ của cdma2000 và là một trong 2 chuẩn 3G, trải phổ rộng hơn đối với CDMA do đó có thể phát và nhận thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn. - Ở Châu Âu, mạng 3G WCDMA được biết như là UMTS (Universal Mobile Telephony System) là một cái tên khác cho W-CDMA/dịch vụ 3G.
UMTS sử dụng WCDMA, WCDMA như chuẩn phát vô tuyến. Nó có băng thông kênh là 5 MHz, có thể mang 100 cuộc gọi cùng một lúc, hoặc nó có thể mang dữ liệu tới
2Mbps. Tuy nhiên, với sự tăng cường HSDPA và HSUPA chính là trong những release sau này (R99/R4/R5/R6) của chuẩn, tốc độ phát dữ liệu tăng tới 14,4 Mbps.
UMTS cho phép cả 2 chế độ FDD và TDD. Chế độ đầu tiên là FDD là uplink và downlink trên các tần số khác nhau. Không gian giữa chúng là 190MHz cho mạng band1. Ở TDD uplink và downlink được chia theo thời gian với những trạm cơ sở (base station) và sau đó di động phát lần lượt trên cùng tần số, đặc biệt phù hợp tới nhiều loại ứng dụng khác nhau. Nó cũng thực hiện ở những cell nhỏ. Thời gian bảo vệ được yêu cầu giữa phát và thu. Hệ thống TDD có thể hiệu quả khi sử dụng trong picocell để mang dữ liệu internet.
Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS tần số cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 – 2025)MHz và Downlink (2110 – 2200) MHz.
UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến. Điều chế trên đường uplink và downlink là khác nhau. Downlink sử dụng dịch khóa pha cầu phương (QPSK) cho tất cả những kênh vận chuyển. Tuy nhiên, Uplink sử dụng 2 kênh riêng biệt để thực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng thái on và off để không gây ra nhiễu trên đường audio, những kênh đôi ( dual channel phase chifl keying) dùng để mã hóa dữ liệu người dùng tới I hoặc đầu vào In-phase tới bộ điều chế DQPSK, và điều khiển dữ liệu đã được mã hóa bằng việc sử dụng mã khác nhau tới đầu vào Q hoặc quadrature tới bộ điều chế.
- cdma2000, chuẩn 3G khác. Nó là một sự nâng cấp cdmaOne. Nó sử dụng trải phổ rộng do đó có thể phát và thu thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn, phát dữ liệu internet nhanh, video, và phát nhạc chất lượng CD. Tuy nhiên, có nhiều phần tử cdma2000 được gọi là cdma20001X, 1X-EV-DV, 1X EV-DO, và cdma2000 3X. Chúng phát dịch vụ 3G khi chiếm dữ một phổ tần nhỏ (1,25 MHz mỗi sóng mang) Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM:
- Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến. - Có khả năng truyền tải đa phương tiện.
- Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là 2Mbps. - Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn.
- Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN.
- Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần so với GSM. - CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin.
- Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so với GSM.
Thế hệ 3.5G :
3,5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G. Công nghệ của 3,5G chính là HSDPA (High Speed Downlink Package Access). Đây là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA.
HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tương đương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nối của một điện thoại thông thường.
HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ và khả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS. HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụ Streaming
IV- Công Nghệ 4G :
Việc triển khai tại một số nước đã chỉ ra một vài vấn đề mà 3G chưa giải quyết được hoặc mới chỉ giải quyết được một phần đó là :
- Sự khó khăn trong việc tăng liên tục băng thông và tốc độ dữ liệu để thoả mãn nhu cầu ngày càng đa dạng các dịch vụ đa phương tiện, và các dịch vụ khác với nhu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) và băng thông khác nhau.
- Sự giới hạn của giải phổ sử dụng.
- Mặc dù được hứa hẹn khả năng chuyển vùng toàn cầu, nhưng do tồn tại những chuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trong việc chuyển vùng (roamming) giữa các môi trường dịch vụ khác biệt trong các băng tần số khác nhau.
- Thiếu cơ chế chuyển tải “seamless” (liền mạch) giữa đầu cuối với đầu cuối khi mở rộng mạng con di động với mạng cố định.
Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G, để hướng tới mục tiêu tạo ra một mạng di động có khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại, truyền dữ liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia tại mọi nơi (anywhere), mọi lúc (anytime), mạng di động thế hệ thứ tư - 4G (Fourth Generation) đã được đề xuất nghiên cứu và hứa hẹn những bước triển khai đầu tiên trong vòng một thập kỷ nữa.
1 . các đặc điểm công nghệ :
Hiện nay, 4G mới đang ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển với nhiều cách tiếp cận tương đối khác nhau . ta sẽ xem xét 5 đặc điểm cơ bản, là động lực cho sự phát
triển hệ thống di động 4G.
- Hỗ trợ tính di động tốt:
-Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau:
- Không cần liên kết điều khiển:
-Hỗ trợ bảo mật đầu cuối-đầu cuối:
2 . mạng 4G tổng quát :
Dựa trên xu thế phát triển của thông tin di động, mạng 4G sẽ có băng thông rộng hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, chuyển giao nhanh hơn và không gián đoạn, và đặc biệt cung cấp các dịch vụ liên tục giữa các hệ thống và các mạng.
Mạng 4G sẽ bao gồm tất cả các hệ thống của các mạng khác nhau, từ mạng công cộng đến mạng riêng, từ mạng băng rộng có quản trị mạng đến mạng cá nhân và các mạng adhoc. Các hệ thống 4G sẽ hoạt động kết hợp với các hệ thống 2G và 3G cũng như các hệ thống phát quảng bá băng rộng khác. Thêm vào đó, mạng 4G sẽ là mạng Internet di động dựa trên IP hoàn toàn.
Hình ( dưới ) cho thấy một loạt các hệ thống mạng 4G sẽ tích hợp: vệ tinh băng rộng, mạng tổ ong 2G, mạng tổ ong 3G, mạch vòng nội hạt vô tuyến (WLL) và mạng cá nhân (PAN), dùng giao thức IP là giao thức tích hợp.
Kết nối liên tục giữa các mạng:
Phần 3
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT
KẾ LTE
1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE là thế hệ thứ tư tương lai 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 trong tương lai, tháng 11/2004 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 hiện có và 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 dự kiến sản phẩm LTE sẽ ra mắt thị trường trong 2 năm tới. Các mục tiêu của công nghệ này là:
- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps
- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel. 6:
Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần.
- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h. Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)
- Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km. Từ 30 – 100 km thì không hạn chế.
- Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống.
Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. 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 cập phân chia theo tần số trực giao), kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output - đa nhập đa xuất).
Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP network), và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD
1.3 Mục tiêu thiết kế 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
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
Chương 2
Phát triển kiến trúc hệ thống
3.1 Kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến
a.Các chức năng của mạng truy nhập vô tuyến;
-Mã hóa,đan xen,điều chế và các chức năng lớp vật lý điển hình khác. -ARQ,nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác.
-Các chức năng an ninh (mật mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn).
-Các chức năng quản lí tài nguyên ,chuyển giao và các chức năng điều khiển tài nguyên vô tuyến điển hình khác.
Hình 3.1 Mạng truy nhập vô tuyến :Các nút và các giao diện
Hình 3.1 cho thấy tổng quan mạng truy nhập vô tuyến LTE RAN với các nút và giao diện.Khác với WCDMA/HSPA RAN ,LTE Ran chỉ có 1 kiểu nút.Như vậy trong LTE không có nút tương đương với RNC .Lý do chủ yếu là không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên ,đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng và triết lý là giảm thiểu số lượng nút.
eNodeB chịu trách nhiệm cho một tập các ô.Tương tự như nút B trong kiến trúc WCDMA /HSPA không cần sử dụng cùng 1 trạm anten.eNodeB thừa hưởng các chức năng của RNC,eNodeB phức tạp hơn nút B.eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến của 1 ô,các quyết định chuyển giao,lập biểu cho cả đường lên và đường xuống trong các ô của mình.
*Giao diện giữa eNodeB với mạng lõi và với các eNodeB khác.
-eNodeB được nối tới mạng lõi thông qua giao diện S1.Giao diện S1 giống như giao diện Iu nối giữa mạng lõi và RNC trong WCDMA/HSPA.
-Giữa các eNodeB có giao diện X2 giống như giao diện Iur trong
WCDMA/HSPA.Giao diện X2 chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ di động chế độ tích cực.
*Vai trò và chức năng của eNodeB
eNodeB có cùng chức năng như NodeB và ngoài ra nó còn có hầu hết chức năng RNC của WCDMA/HSPA.Với những chức năng như:
-Thực hiện quyết định lập biểu cho cả đường lên và đường xuống. -Quyết định chuyển giao.
-Chịu trách nhiệm về tài nguyên vô tuyến trong các ô của mình.
-Thực hiện các chức năng lớp vật lý thông thường như mã hóa ,giải mã ,điều chế,giải điều chế,đan xen,giải đan xen…
-Thực hiện cơ chế phát lại HARQ.
3.Kiến trúc mạng lõi
Khi bắt đầu xây dựng tiêu chuản 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.
Hình 3.3 :Kiến trúc EPS cơ bản.
Hình 3.4:Kiến trúc EPS phục vụ nút gỗ trợ GPRS/EDGE
Hình 3.3: Cấu hình cho EPS hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS / HSPA -EPC 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.
Hình 3.3 Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE Chức năng các nút:
Mobility Management Entity (MME):
- Cung cấp tín hiệu cho phép truy nhập mạng và các khía cạnh an ninh.
- Chấm dứt sự truy cập của các thuê bao di động đối với truy nhập mạng 3GPP. - Chọn chế độ tích cực thấp cho thiết bị người sử dụng khi không làm việc. - Theo dõi quản lí danh sách các thuê bao trong khu vực .
- Chuyển vùng.
- GW lựa chọn (Phục vụ GW và PDN lựa chọn GW.
- Nút SGSN hỗ trợ các thuê bao 2G,3G truy nhập mạng LTE. -Trung tâm nhận thực .
Serving Gateway :là nút chấm dứt sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến
-Là nút 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.
-Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink. -Tính toán chi phí của người dùng.
Cho phép cấp quyền truy nhập.
-Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói. -Hỗ trợ việc tính cước.
PDN Gateway : là nút chấm dứt giao diện SGi về phía PDN.Nếu có 1UE truy cập vào
nhiều PDN,nó có thể cung cấp 1 hay nhiều hơn PDN phục vụ UE.PDN bao gồm những chức năng sau:
-Thực thi chính sách.
-Mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ khác nhau. -Tính phí hỗ trợ.
-Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink. -Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập. -Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP.
-Phân loại các gói .
-Có chức năng như DHCP trong 3G(Dynamic Host Confiquration Protocol:Giao thức cấu hình động máy chủ).
eNodeB :có cùng chức năng như NodeB và ngoài ra nó còn có hầu hết chức năng
RNC của WCDMA/HSPA.Với những chức năng như:
-Thực hiện quyết định lập biểu cho cả đường lên và đường xuống. -Quyết định chuyển giao.
-Thực hiện các chức năng lớp vật lý thông thường như mã hóa ,giải mã ,điều chế,giải điều chế,đan xen,giải đan xen…
-Thực hiện cơ chế phát lại HARQ
Hỗ trợ cho những mạng không thuộc 3GPP:
Để hỗ trợ chuyển vùng ;EPS có 3 dạng giao diện phục vụ cho những mạng không thuộc 3GPP là:S2a;S2b và S2c.
-S2a cung cấp cho người dùng liên quan tới điều khiển và hỗ trợ di động giữa những mạng không phải 3GPP và Gateway.
-S2b cung cấp cho người dùng liên quan tới điều khiển và hỗ trợ tính năng di động giữa ePDG và Gateway.
-S2c cung cấp cho người dùng liên quan tới điều khiển và hỗ trợ di động giữa UE và những mạng thuộc 3GPP và không thuộc 3GPP.
ePDG: Chức năng của ePDG bao gồm:điều khiển sự phân bổ địa chỉ IP trong ePDG
được sử dụng như là CoA khi mà S2c được sử dụng.
- Chức năng để vận chuyển một địa chỉ IP từ xa như là một địa chỉ IP cụ thể để PDN một khi S2b được sử dụng.
- Định tuyến các gói dữ liệu từ / đến PDN.
- Can thiệp hợp pháp.
- Thực thi các chính sách QoS dựa trên thông tin nhận được thông qua cơ sở hạ tầng AAA.
Hỗ trợ truy nhập từ các mạng không thuộc 3GPP:Để hỗ trợ cho việc chuyển giao
,kiến trúc mạng lõi EPC có 3 giao diện hỗ trợ truy nhập:
-S2a:là giao diện giữa mạng không thuộc 3GPP với PDN Gateway. -S2b :là giao diện giữa ePDG và PDN Gateway.
Chương 3
Các kỹ thuật cho truy nhập vô tuyến trong LTE
I -
Hệ thống truyền dẫn: đường xuống OFDMA và đường lên
SC-FDMA:
Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều các công nghệ đa truy nhập , cụ thể : đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho đường xuống ( OFDMA) , và đa truy nhập phân chia tần số - đơn sóng mang ( SC-FDMA ) cho đường lên . trước tiên ta xét cho đường xuống .
1 – Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDM và OFDMA :
Truyền dẫn OFDM là một kiểu truyền dẫn đa sóng mang . một số đặc điểm của OFDM :
- sử dụng nhiều sóng mang . chẳng hạn nếu một hệ thống MC-WCDMA ( WCDMA đa sóng mang ) băng thông 20MHz sử dụng 4 sóng mang với mỗi sóng mang có băng tần là 5MHz , thì với băng thông như vậy OFDM có thể sử dụng 2048 sóng mang với băng thông sóng mang con 15MHz .
- các sóng mang con trực giao với nhau và khoảng cách giữa 2 sóng mang con liền kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang con . vì thế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDMA .
1.1 đặc điểm chung :
OFDMA là một biến thể của ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM . một số hệ thống điều chế đa sóng mang đã được đưa vào sử dụng rộng dãi trong các hệ thống không dây nhưng tương đối mới cho di động. OFDM sử dụng một số lượng lớn các sóng mang phụ dải hẹp hoặc âm thanh cho việc truyền dẫn nhiều sóng mang.Các tài nguyên vật lý của đường downlink LTE cơ bản có thể được giải thích là một lưới tần số-thời gian, như minh họa trong hình dưới. Trong vùng tần số, khoảng cách giữa các sóng mang phụ(Δf)là 15kHz. Ngoài ra,chu kỳ của OFDM là 1/Δf cộng với chu trình đầu tiên.Các chu trình đầu được sử dụng để duy trì trực giao giữa các sóng mang phụ,cho cả thời gian phân tán các kênh vô tuyến.
Một phần tài nguyên mang QPSK,16QAM hay 64QAM,ví dụ với 64QAM,mỗi phần mang 6 bit. Các OFDM được phân nhóm thành các khối tài nguyên,các khối tài nguyên có tổng kích thước là 180 kHz trong miền tần số và 0.5 ms trong miền thời gian. Mỗi người dùng được phân bổ một số khối tài nguyên trong lưới thời gian-tần số.Các khối tài nguyên người dùng nhận được càng nhiều và điều chế sử dụng trong một phần tài nguyên càng cao thì tốc độ bit càng cao.
Các khối tài nguyên nào và có bao nhiêu người dùng nhận được tại một điểm nhất định phụ thuộc vào cơ cấu lập danh mục cải tiến trong chiều thời gian và tần số.Danh mục các tài nguyên có thể được cập nhật hàng ms,có nghĩa là 2 khối tài nguyên,rộng 180 kHz và có tổng chiều dài là 1 ms,gọi là khối danh mục.Cơ cấu lập danh mục trong LTE tương tự như cơ cấu được sử dụng trong HSPA và cho phép tối ưu hiệu suất cho các dịch vụ khác nhau trong các môi trường vô tuyến khác nhau.
Trên hình minh họa các tính năng chính của một tín hiệu OFDM ở miền tần số và thời gian. Trong miền tần số ,đa truy nhập các âm liền kề hoặc các sóng mang con một cách độc lập với các dữ liệu điều biến . sau đó , trong miền thời gian , khoảng bảo vệ được chèn vào giữa mỗi ký hiệu để ngăn chặn nhiễu liên ký hiệu ở máy thu gây ra bởi nhiều con đường trễ lan truyền trong kênh vô tuyến .
Khi so sánh với công nghệ CDMA mà đại diện là UMTS , OFDM có một số ưu điểm khác biệt :
- OFDM có nhiều khả năng chống pha đinh .
- các bộ bù kênh của OFDM thực hiện đơn giản hơn các bộ bù của CDMA , như là tín hiệu OFDM được biểu diễn trong miền tần số hơn là miền thời gian .
- OFDM có thể hoàn toàn có khả năng chống được nhiễu đa đường . điều này là có thể bởi vì các ký hiệu dài được sử dụng cho OFDM có thể được ngăn cách bởi một
hiệu được chèn vào lúc bắt đầu. bởi lấy mẫu tín hiệu nhận được tại thời điểm tối ưu ,máy thu có thể loại bỏ các nhiễu miền thời gian giữa các biểu tượng liền kề gây ra bởi lan truyền trễ đa đường trong kênh vô tuyến .
- OFDM là phù hợp hơn để sử dụng MIMO . biểu diễn miền tần số của tín hiệu cho phép dễ dàng mã hóa để phù hợp với tín hiệu tần số và đặc điểm của kênh truyền đa đường .
1.1.1 khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM :
Tồn tại 2 tiêu chí cần cân nhắc trong việc chọn sóng mang con :
- khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt ( TFFT càng lớn càng tốt ) để
giảm thiểu tỉ lệ chi phí cho CP : TCP / ( TFFT + TCP )
- khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của truyền dẫn OFDM với trải Doppler .
Khi truyền qua kênh phadinh vô tuyến , do trải Doppler lớn , kênh có thể thay đổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến trực giao hóa giữa các sóng mang bị
mất và nhiễu giữa các sóng mang .
Trong thực tế , đại lượng nhiễu giữa các sóng mang có thể chấp nhận rất lớn tùy thuộc vào dịch vụ cần cung cấp và mức độ tín hiệu thu chịu được tạp âm và các nhân tố gây giảm cấp khác . chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu có thể khá thấp khi tốc độ số liệu thấp. vì thế một lượng nhỏ nhiễu bổ xung giữa các sóng mang con do trải Doppler có thể bỏ qua . tuy nhiên trong trường hợp tỷ lệ số tạp âm cộng nhiễu cao (chẳng hạn trong các ô nhỏ hay tại vị trí gần BS ) , khi cần cung cấp tốc độ số liệu cao , cùng một lượng nhiễu giữa các sóng mang con như trên cũng có thể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều .
1.1.2 số lượng các sóng mang con :
Số lượng các sóng mang con được xác định dựa trên băng thông khả dụng và phát xạ ngoài băng .
Độ rộng băng tần cơ sở của tín hiệu OFDM bằng P∙∆f , nghĩa là số sóng mang con nhân với khoảng cách giữa các sóng mang con . tuy nhiên phổ của tín hiệu OFDM cơ sở giảm rất chậm bên ngoài độ rộng băng tần OFDM cơ sở . lý do gây ra phát xạ ngoài băng lớn là do việc sử dụng tạo dạng xung chữ nhật dẫn đến các búp sóng bên giảm tương đối chậm . tuy nhiên trong thực tế lọc hoặc tạo cửa sổ miền thời gian được sử dụng để loại bỏ phần lớn các phát xạ ngoài băng của OFDM .trong thực tế cần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đới với tín hiệu OFDM . chẳng hạn nếu băng thông khả dụng là 5MHz thì độ rộng băng tần OFDM (P∙∆f) chỉ có thể vào khoảng 4,5MHz . giả sử LTE sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz , thì điều này tương đương với vào khoảng 300 sóng mang con trong 5MHz .
1.1.3 sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập:
Trên đường xuống , OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh cho những người sử dụng . trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM , toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho những người sử dụng khác nhau để truyền đến các đầu cuối khác nhau .
Trên đường lên cũng tương tự , OFDM được sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập . trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia
thành các tập con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau để truyền từ các đầu cuối khác nhau đến trạm gốc .
Trong trường hợp OFDMA được sử dụng cho đường lên , tín hiệu OFDM được phát đi từ các máy đầu cuối khác nhau được ghép kênh theo tần số , điều quan trọng là khi truyền dẫn từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với trạm gốc phải đến trạm gốc một cách đồng bộ theo thời gian .đặc biệt là sự mất đồng bộ giữa các truyền dẫn từ các đầu cuối di động khác nhau tại trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thu được từ các đầu cuối di động khác nhau để tránh nhiễu giữa những người sử dụng .
Do khác nhau về khoảng cách từ các máy đầu cuối di động đến trạm gốc và vì thế dẫn đến khác nhau về thời gian truyền lan , nên phải điều khiển định thời phát của từng đầu cuối . điều khiển định thời phát nhằm điều chỉnh định thời phát của từng đầu cuối di động để đảm bảo rằng các truyền dẫn đường lên được đòng bộ tại tram gốc . do thời gian truyền lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong ô , điều khiển định thời phát phải là một quá trình tích cực liên tục điều chỉnh định thời phát cho từng đầu cuối di động .
Ngay cả khi điều khiển định thời phát hoàn hảo , vẫn luôn có một lượng nhiễu giữa các sóng mang con do sai số tần số . trong trường hợp sai số tần số hợp lý và trải Doppler nhỏ thì nhiễu này thường tương đối nhỏ . tuy nhiên điều này chỉ sảy ra khi coi rằng các sóng mang con khác nhau được thu tại trạm gốc với công suất gần như nhau trên đường lên do khoảng cách từ các máy đầu cuối đến trạm gốc là khác nhau , vì thế suy hao đường truyền của các đường truyền này cũng có thể rất khác nhau . nếu 2 đầu cuối phát cùng một công suất thì do khoảng cách khác nhau nên công suất tín hiệu thu tại tram gốc từ 2 đầu cuối này có thể rất khác nhau và vì thế tín hiệu thu từ trạm đầu cuối mạnh hơn sẽ gây nhiễu đối với tín hiệu thu yếu hơn cho dù vẫn duy trì được trực giao hoàn hảo giữa các sóng mang con .để tránh điều này cần phải thực hiện điều khiển công suất phát của các dầu cuối ở một mức độ nhất định . đối với OFDMA đường lên bằng cách giảm công suất của đầu cuối ở gần trạm gốc để đảm bảo công suất của các tín hiệu thu gần như nhau .
Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn
các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự . Hình dưới là sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu .Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền , ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ .Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo (inverse
Discrecte Fourier Transform).Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast Fourier
Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDTF , ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế .Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được phách lên tần số cần thiết .Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát .Khi dịch tính hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý ,sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số .Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được chọn ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu số . Biến đổi nhanh Fourier đảo (IFFT) và biến đổi Fourier nhanh(FFT) là hàm bổ sung và thuật ngữ thích hợp nhất được dùng phụ thuộc vào liệu tín hiệu đang được thu hoặc đang được phát .Trong nhiều trường hợp tín hiệu là độc lập với sự phân biệt này nên thuật ngữ FFT và IFFT có thể được sử dụng thay thế cho nhau .
Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp .Trong OFDM ,mỗi symbol thường truyền 40-4000 bit và do vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng, bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi symbol OFDM .Dữ liệu được phân phối cho mỗi symbol phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và trên mỗi tải phụ có thể thay đổi và như vậy số bit tảii phụ cũng thay đổi .Kết quả là giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song bao hàm việc làm đầy payload dữ liệu của mỗi tải phụ .Tại máy thu quá trình là ngược lại ,với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc.
Khi sự truyền OFDM xảy ra trong môi trường radio truyền lan đa đường (multipath) ,fading chọn lọc tần số có thể làm cho những nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng ,có thể gây ra các lỗi bit .Các Null này trong đáp tuyến tần số của kênh có thể làm cho thông tin trong những sóng mang kế cận dễ bị phá hủy, tạo thành cụm mỗi bit trong mỗi symbol. Phần lớn các sơ đồ của lỗi tiến (FEC) làm việc có hiệu quả hơn nếu các lỗi được trải rộng ra ,hơn là tạo thành bó ,và vì vậy để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống dung xáo trộn dữ liệu (scrambing) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song .Điều này được thực hiện bởi sự ngẫu nhiên hoá vị trí tải phụ của mỗi bit dữ liệu liên tiếp .Tại máy thu quá trình xáo trộn được sử dụng để giải mã tín hiệu .Điều này khôi phục dãy bit dữ liệu gốc nhưng trải rộng các cụm lỗi bit làm cho chúng được phân bố gần đều theo thời gian .Sự ngẫu nhiên hóa vị trí của các lỗi bit như vậy cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật sửa lỗi tiến (FEC) và nhìn chung của cả hệ thống .
1.4.2 điều chế RF :
Đầu ra của bộ điều chế OFDM là tín hiệu dải gốc ( baseband ),tín hiệu này phải được dịch (hoặc phách –UpConverte) lên tần số cao để phát đi .Điều này có thể được thực hiện khi dùng kỹ thuật tương tự hoặc dùng dịch tần số .Cả hai kỹ thuật trên đều thực hiện cùng một thuật toán ,tuy nhiên kỹ thuật điều chế số có khuynh hướng trở nên chính xác hơn do sự phối hợp đuợc cải thiện giữa xử lý kênh I , Q và độ chính xác pha của bộ điều chế IQ số .
1.4.3 khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD)
Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thì thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn .Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ ,tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn .Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt với can nhiễu giữa can nhiễu ISI (inter- Symbol interference ) gây ra bởi truyền lan
nhiều đường. Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới tín hiệu OFDM bằng các thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol .Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ ,làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol .Mỗi tải phụ trong phần dữ liệu của mỗi symbol ,có nghĩa là symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ ,có chiều dài bằng kích thước IFFT( được sử dụng để tạo tín hiệu ) có một số nguyên lần các chu kỳ .Do vậy việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục ,không có sự gián đoạn ở chỗ nối .Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó đế đầu vào đã tạo ra một khoảng thời gian symbol dài hơn .
1.5 kỹ thuật OFDMA
Với tín hiệu OFDM tiêu chuẩn rất hẹp , thiết bị đầu cuối truyền dẫn có thể bị hiện
tượng phadinh băng hẹp và can nhiễu . đó là lý do tại sao 3GPP đã chọn OFDMA cho đường xuống , trong đó có kết hợp yếu tố của đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA) . OFDMA cho phép các nhóm nhỏ của sóng mang con được cấp phát giao động giữa những người dùng khác nhau trên băng tần này , như trong hình :
Kết quả là một hệ thống mạnh mẽ hơn với công suất tăng lên . điều này là do hiệu quả sử dụng ghép kênh người dùng cấp độ thấp ,và khả năng lập lịch trình cho người sử dụng bởi tần số , đồng thời làm giảm ảnh hưởng của phadinh đa đường.
Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); tuy nhiên nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau.
Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS-CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào.
2. công nghệ đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA :
Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương thức điều chế hơi khác một chút. Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR (Peak to Average Power
quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE; đó là, khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng bắt được (pick up). Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên có hiệu quả công suất cao càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy. Tính hiệu quả của bộ khuếch đại công suất phụ thuộc vào hai yếu tố :
Bộ khuếch đại đó phải có khả năng khuếch đại giá trị đỉnh cao nhất của sóng. Do những ràng buộc trong chất bán dẫn, giá trị đỉnh này quyết định mức tiêu thụ năng lượng của bộ khuếch đại.
Tuy nhiên, các giá trị đỉnh của sóng không mang nhiều thông tin hơn chút nào so với công suất trung bình của tín hiệu trong thời gian truyền nhận. Vì thế, tốc độ truyền không phụ thuộc vào mức công suất ngõ ra cần thiết cho các giá trị đỉnh mà phụ thuộc vào mức công suất trung bình của sóng.
Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối với các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt. Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càng thấp thì thời gian hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định càng dài.
Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một PAPR tốt (thấp) hơn, là SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access _ Đa Truy cập Phân Tần Một Kênh truyền duy nhất). Do PAPR của nó tốt hơn, nó được 3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng lên. Tuy mang cái tên như vậy song SC-FDMA cũng truyền dữ liệu qua giao tiếp vô tuyến trong nhiều kênh con, nhưng bổ sung thêm một bước xử lý nữa, như được minh họa trong Hình . Thay vì đặt 2, 4 hoặc 6 bit với nhau như trong ví dụ OFDM để tạo thành tín hiệu cho một kênh con, khối xử lý bổ sung trong SC-FDMA trải thông tin của mỗi bit ra trên tất cả các kênh con. Điều này được thực hiện như sau: Cũng một số bit (ví dụ như 4 đối với điều chế 16-QAM) được nhóm lại với nhau, nhưng trong OFDM, các nhóm bit này là dữ liệu nhập cho hàm IFFT, còn trong SC-FDMA, các bit này được đưa vào một hàm FFT (Fast Fourier Transformation) trước đã. Dữ liệu xuất của quá trình này là cơ sở cho việc tạo ra các kênh truyền con cho hàm IFFT theo sau. Bởi vì không phải tất cả các kênh con đều được dùng bởi UE, nên nhiều kênh được đặt ở mức không (0) trong đồ thị. Những kênh này có thể được dùng bởi các UE khác hoặc không.
Ở phía máy thu, tín hiệu được giải điều chế, được khuếch đại và được xử lý bởi hàm FFT theo cách giống như trong OFDMA. Nhưng biểu đồ biên độ kết quả không được phân tích thẳng ra để có được dòng dữ liệu ban đầu, mà được nạp vào một hàm IFFT để gỡ bỏ tác dụng của quá trình
xử lý tín hiệu bổ sung đã được thực hiện ở phía máy phát. Ra khỏi hàm IFFT này, tín hiệu lại trở thành tín hiệu miền thời gian. Tiếp đến, tín hiệu miền thời gian này được cung cấp cho một khối phát hiện (detector), khối này tái tạo lại các bit dữ liệu ban đầu. Như vậy, thay vì phát hiện các bit trên nhiều kênh con khác nhau, người ta chỉ dùng một hàm phát hiện duy nhất trên một kênh truyền duy nhất.
Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên.
Những khác biệt giữa OFDM và SC-FDMA có thể được tổng kết như sau: OFDM tạo ra các nhóm bit nhập (các con số 0 và 1) để lắp ráp vào các kênh con; sau đó các kênh con này được xử lý bởi hàm IFFT để có được một tín hiệu miền thời gian. Ngược lại, SC-FDMA trước hết chạy một hàm FFT trên các nhóm bit dữ liệu nhập rồi đưa kết quả vào hàm IFFT để hàm này tạo ra tín hiệu miền thời gian. Đây là lý do khiến đôi khi SC-FDMA còn được gọi là phương thức OFDM trải FFT (FFT spread OFDM).
3.3 Điều phối nhiễu liên tế bào (Inter-cell interference coordination)
LTE cung cấp sự trực giao giữa những người dùng trong một tế bào trong cả đường lên và đường xuống. Vì vậy, hiệu năng của LTE về mặt hiệu suất phổ và tốc độ dữ liệu
khả dụng nói một cách tương đối thì có nhiều giới hạn bởi nhiễu từ những tế bào khác (inter-cell interference) hơn so với WCDMA/HSPA. Do đó, các phương pháp để làm giảm và điều khiển nhiễu liên tế bào có khả năng mang lại những lợi ích thật sự cho hiệu suất của hệ thống LTE, đặc biệt về mặt các dịch vụ (tốc độ dữ liệu, v.v…) có thể được cung cấp cho người dùng tại biên tế bào (cell edge).
Điều phối nhiễu liên tế bào là một chiến lược hoạch định mà trong đó tốc độ dữ liệu tại biên tế bào được tăng lên bằng cách giám sát nhiễu liên tế bào. Về cơ bản, việc điều phối nhiễu liên tế bào sẽ đưa đến những giới hạn chính xác đối với scheduler đường lên và đường xuống trong tế bào để kiểm soát nhiễu liên tế bào. Bằng việc hạn chế công suất phát của các thành phần phổ (parts of the spectrum) trong tế bào, mà nhiễu xuất hiện trong những tế bào lân cận thuộc thành phần phổ này sẽ được giảm bớt. Thành phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn cho những người dùng thuộc tế bào lân cận. Thực ra th. hệ số tái sử dụng tần số là khác nhau đối với những phần khác nhau của tế bào.
việc điều phối nhiễu liên tế bào là một chiến lược hoạch định quan trọng mà trong đó cần quan tâm đến vị trí của những tế bào lân cận. Do đó, việc điều phối nhiễu liên tế bào là một vấn đề triển khai với phạm vi lớn và khó có thể nhìn thấy được trong các chi tiết kỹ thuật. Điều này cũng có nghĩa là việc điều phối nhiễu chỉ có thể được áp dụng với một nhóm các tế bào đ. được lựa chọn, dựa trên những yêu cầu triển khai riêng biệt được đặt ra.
4 . các băng tần hỗ trợ :
Các đặc điểm kỹ thuật của LTE thừa hưởng tất cả các bang tần được xác định cho UMTS , và là một danh sách tiếp tục phát triển . hiện có 13 băng tần FDD và 8 băng tần TDD .quan trọng là sự chồng chéo của một số các băng tần đã tồn tại , nhưng điều này không nhất thiết phải thu gọn các băng tần mà từ đó có thể được thực hiện cụ thể dựa trên nhu cầu thực tế của từng khu vực .
II – công nghệ đa ăng ten MIMO:
2.1 đặc điểm chung :
Các hế thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng , dung lượng của hệ thống cũng như khả năng chống lại hiện tượng đa đường . đối với các hệ thống thông tin chất lượng của tín hiệu có thể được cải thiện bằng cách tăng công suất , dung lượng của hệ thống có thể tăng khi tăng băng thông . tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức gới hạn nào đó, vì công suất phát càng tăng thì hế thống càng gây nhiễu cho các hệ thống xung quanh, băng thông của hệ thống cũng không thể tăng lên mãi vì việc phân bố băng thông đã được định chuẩn sẵn .
Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền , sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian( V-BLAST ), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể
suất phát cũng như tăng băng thông của hế thống . kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống phadinh chọn lọc tần số , bằng cách chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao . kênh truyền chịu phadinh chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn , khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu phadinh phẳng . OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn . ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép tín hiệu cân bằng trong miền tần số . từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM , việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai .
2.2 sử dụng hệ thống MIMO trong LTE :
Cho đến nay việc truyền dữ liệu thông thường thông qua một dòng tín hiệu duy nhất
trong không gian giữa bộ phát sóng và bộ thu sóng. Hầu hết các hệ thống không dây hiện nay đều hoạt động theo chế độ này, và một bộ phát sóng thứ hai trên cùng tần số được xem là nhiễu không mong muốn, làm giảm chất lượng kênh truyền. Tuy nhiên trong thực tế, có thể thấy rằng ngay cả một tín hiệu duy nhất cũng bị phản xạ và tán xạ bởi những đối tượng trong lộ trình truyền, và đầu kia nhận được vài bản sao của tín hiệu ban đầu từ những góc độ khác nhau vào những thời điểm hơi lệch nhau một chút. Đối với những công nghệ truyền không dây đơn giản, các bản sao này cũng là nhiễu không mong muốn. Nhưng LTE lại lợi dụng sự tán xạ và phản xạ trên lộ trình truyền bằng cách truyền vài dòng dữ liệu độc lập qua những ăng-ten riêng. Các ăng-ten này được đặt cách nhau ít nhất là một nửa bước sóng, điều này tự nó tạo ra những cuộc truyền riêng biệt, vốn phản ứng khác nhau khi chúng gặp những chướng ngại trong lộ trinh truyền. Ở phía máy thu, những dòng dữ liệu khác nhau được bắt (pick up) bởi các ăng-ten độc lập và các dây chuyền thiết bị thu độc lập. Việc truyền vài tín hiệu độc lập trên cùng băng tần này được gọi là MIMO (Multiple Input Multiple Output), và Hình dưới cho thấy một cách biểu diễn đồ họa đơn giản hóa của kỹ thuật này. Trong thực tế, điều này có nghĩa là vài lưới tài nguyên LTE được gửi đồng thời trên cùng tần số nhưng thông qua những ăng-ten khác nhau.
Nguyên tắc của truyền MIMO.
Chuẩn LTE chỉ định hai và bốn cuộc truyền riêng biệt trên cùng một băng tần, tức đòi hỏi phải có hai hoặc bốn ăng-ten tương ứng ở cả máy phát lẫn máy thu. Hệ quả là, những cuộc truyền như vậy được gọi là 2x2 MIMO và 4x4 MIMO. Trong thực tế, 2x2 MIMO nhiều khả năng sẽ được dùng trước, do bởi những ràng buộc về kích cỡ của các UE và do sự kiện là các ăng-ten phải được đặt cách nhau ít nhất một nửa bước sóng. Hơn nữa, hầu hết các UE đều cho phép dùng vài băng tần, mỗi băng thường đòi hỏi bộ ăng-ten của riêng nó trong trường hợp hoạt động MIMO được hậu thuẫn trong băng đó. Ở phía mạng, có thể có được những cuộc truyền 2x2 MIMO bằng một ăng-ten phân cực chéo (cross polar antenna) “duy nhất”, kết hợp hai ăng-ten theo cách sao cho mỗi ăng-ten truyền đi một dòng dữ liệu riêng biệt với một dạng phân cực khác nhau (ngang và đứng).
Tuy trên hình mô tả khái niệm tổng quát của truyền MIMO, nhưng nó không chính xác ở phía máy thu, bởi vì mỗi ăng-ten nhận không phải chỉ một tín hiệu duy nhất mà là một sự kết hợp của tất cả các tín hiệu khi chúng chồng chéo lên nhau trong không gian. Vì thế, mỗi dây chuyền thiết bị thu cần phải tính toán một cách truyền kênh có xét đến mọi cuộc truyền để phân biệt các cuộc truyền với nhau. Các ký hiệu truyền pilot đã nói ở
trên được dùng cho mục đích này. Những thành tố cần thiết cho các tính toán này bao gồm độ lợi (gain), pha (phase) và các ảnh hưởng đa đường truyền (multipath effect) cho mỗi lộ trình truyền độc lập. Vì khuôn khổ có hạn, tài liệu này không đi sâu vào cách tính toán này.
Bởi vì các kênh MIMO phân biệt với nhau, nên 2x2 MIMO có thể làm tăng tốc độ truyền tổng thể lên hai lần, còn 4x4 MIMO thì tăng lên bốn lần. Tuy nhiên điều này chỉ có thể đạt được trong những điều kiện tín hiệu lý tưởng. Vì vậy, MIMO chỉ được dùng cho các cuộc truyền hướng xuống trong LTE, bởi vì bộ phát sóng của trạm cơ sở ít bị ràng buộc về công suất hơn bộ phát sóng ở hướng lên. Trong những điều kiện truyền ít thuận lợi hơn, hệ thống tự động quay trở lại kiểu truyền một dòng dữ liệu duy nhất và cũng giảm luôn cấp điều chế từ 64-QAM xuống 16- QAM hay thậm chí QPSK. Ngoài ra, như đã trình bày trong phần nói về HSPA+, còn có một sự quân bình (được này mất kia) giữa điều chế cấp cao hơn và sử dụng MIMO. Vì thế trong những điều kiện tín hiệu kém hơn lý tưởng, truyền MIMO chỉ được dùng với điều chế 16-QAM thôi, như vậy không thể gấp đôi tốc độ truyền so với truyền một dòng duy nhất sử dụng 64-QAM. Ở hướng lên, thật khó cho các UE sử dụng MIMO do bởi kích cỡ ăng-ten hạn chế và công suất ngõ ra của nó, cho nên chuẩn LTE hiện nay không có MIMO. Tuy nhiên bản thân kênh truyền hướng lên LTE vẫn thích hợp cho truyền MIMO hướng lên. Để tận dụng trọn vẹn kênh truyền này, một số công ty đang tính tới việc thực hiện MIMO cộng tác (collaborative MIMO), hay còn gọi là MIMO đa người dùng (multiuser MIMO), trong tương lai. Ở đây, hai UE sử dụng cùng một kênh hướng lên cho lưới tài nguyên của chúng. Về phía trạm cơ sở, hai dòng dữ liệu này được phân tách bởi bộ thu sóng MIMO và được xử lý như là hai cuộc truyền từ những thiết bị độc lập, chứ không phải như hai cuộc truyền từ một thiết bị duy nhất nên phải được kết hợp lại. Tuy điều này không làm cho tốc độ truyền của mỗi thiết bị cao hơn, nhưng dung lượng hướng lên tổng thể của cell được gia tăng đáng kể.
Mô hình trực quan của một hệ thống MIMO :
2.3 mô hình hệ thống MIMO-OFDM :
Cấu trúc máy thu và máy phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO NT
anten phát và NR anten thu , kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ được mô tả
như hình : STC Encoder OFDM Transmitter OFDM Transmitter OFDM Transmitter STC Decoder OFDM Receiver OFDM Receiver OFDM Receiver Signal Demapper Signal Mapper 1 Rx 1 Tx 2 Rx 2 Tx T N Tx RxNT Data Data a, sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM b, sơ đồ khối bộ phát OFDM :
c, sơ đồ khối bộ thu OFDM :
Mô hình hệ thống MIMO – OFDM :
Symbol thu được từ anten thứ I , tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể biểu diễn như sau :
với X j (k) là symbol phát trên sóng mang thứ K trong symbol OFDM .
Vi(k) là nhiễu Gauss tại anten thu thứ I trong miền tần số , tức là N-FFT của nhiễu
trong miền thời gian Vi(t) .
λ
ij (k) là độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i tại sóng mang phụ thứ n .λ
ij (k) chính là N-FFT của đáp ứng xung của kênh truyềnC
ij (t) từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i . nếu máy thu có thể ước lượng chính xác trạng thái kênh truyền thìλ
ij (k) sẽ được biết chính xác ứng với mỗi symbol OFDM .hình dưới mô tả trực quan hơn ma trận H , kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh
truyền chọn lọc tần số thành N kênh truyền con pha dinh phẳng. hệ thống MIMO-OFDM tương đương với hệ thống MIMO .
ma trận kênh truyền :
2.5 các độ lợi trong hệ thống MIMO :
hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi : độ lợi Beamforming , độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian .
Độ lợi Beamforming :
Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất , giảm can nhiễu và tránh được các can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn , từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống . Để có thể thực hiện Beamforming , khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng λ ( thông thường là λ/2) .
Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ .khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập .
Kỹ thuật Beamforming :
Độ lợi ghép kênh không gian ( spatial multiplexing ):
Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền :
Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO ,các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten , nhằm tăng dụng lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống . dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống .để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại dung lượng kênh truyền thuật toán V-BLAST ( Vertical – Bell Laboratories Layered Space – Time ) được áp dụng .
Độ lợi phân tập ( spatial diversity ):
phân tập không gian giúp cải thiện SNR
Trong truyền dẫn vô tuyến , mức tín hiệu luôn thay đổi , bị phadinh liên tục theo không gian thời gian và tần số , khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định , việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền phadinh khác nhau , bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm tốc độ sai bít BER , chống phadinh qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống . Để cực đại độ lợi phân tập , giảm BER và chống lại Fadinh , thuật toán STBC ( Space – Time Block Code ) và STTC ( Space – Time Trellis Code ) được áp dụng .
thực tế , để hệ thống có dung lượng cao, BER Thấp , chống được phadinh ta phải có độ tương nhượng giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết kế hệ thống . d v fc
c
f .
1 =
chương 4
các kiến trúc giao thức LTE
Tổng quan về kiến trúc giao thức LTE cho đường xuống được minh họa trong
