Tìm hiểu về công nghệ mạng LTE

Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE I.1: Giới thiệu I.2: Tổng quan về công nghệ LTE I.3: Các tính năng và yêu cầu thiết kế I.4: Đa truy nhập I.5: Khả năng ứng dụng Chương II: Cấu trúc hệ thống II.1 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN II.3 Hệ thống mạng lõi Chương III : Truy nhập vô tuyến III.1 TRuy nhập đường xuống III.2: Truy nhập đường lên III.3: ARQ kiểm soát lỗi và kế hợp mềm III.4: Đa truy nhập MIMO III.5: Cấu trúc khungTDD và FDD Chương I: Tổng quan về công nghệ LTE I.1 Giới thiệu +Cùng với sự phát triển cũng như đòi hỏi cũa xã hội ngành khoa học trong lĩnh vực truyền dẫn viễn thông cũng luôn phát triển để đáp ứng những yêu cầu đó. + Đặc biệt là trong xã hội ngày nay nhu cầu về trao đổi thông tin , truyền dữ liệu, các dịch vụ trên các thiết bị di động liệu ngày càng cao. Các hệ thống thông tin di động 2g, 2,5g và đặc biệt la 3g vẫn đang hoạt động khá trơn chu và ngày càng phát triển với những thế mạnh của mình tuy nhiên chúng vẫn phần nào chưa đáp ứng được mong đợi của những khách hàng có nhu cầu sử dụng truyền dữ liệu tốc độ cao. Hệ thông thông tin di động sử dụng công nghệ LTE được phát triển sẽ giải quyết được những khó khăn trên. I.2 Tổng quan về công nghệ LTE + LTE là từ viết tắt của Long term evolution miêu tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông di động. + LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động thứ 4 hay còn gọi là 4g. hệ thống này được kỳ vọng có nhũng tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với thế hệ 3g trước đó. Hình 1 : Cấu trúc mạng LTE I.3 : Tính năng và yêu cầu của LTE I.3.1 Tính năng 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) Băng tấn sử dung: Lte có thể được triển khai ở nhiều băng tần khác nhau như ở tần số 700Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz, 2300Mhz… Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.4Hz, 3MHz, 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 + LTE cung cấp các tốc độ dữ liệu cao hơn cho cả đường lên và đường xuống. + Ngoài làm tăng tốc độ số liệu thực LTE còn làm giảm trễ gói. + Tăng cường giao diện không gian cho phép tăng tốc độ số liệu. LTE được xác định trên mạng truy nhập vô tuyến hoàn toàn mới dựa trên công nghệ OFDM cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên. + Hiệu quả sử dụng phổ tần cuả OFDM được nâng cao nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế bậc cao 64QAM. Mã hóa turbo, mã hóa xoắn cùng với các kỹ thuật vô tuyến bổ xung như kỹ thuật MIMO kết quả là thông lượng trung bình tăng lên 5 lần so với HSPA. + Môi trường toàn IP. LTE là sự chuyển dịch tới mạng lõi toàn IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Đây là bước chuyển đổi của 3GPP tù hệ thống mạng lõi đang tồn tại kết hợp song song trước đó la chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói sang mạng lõi chi sử dụng chuyển mạch gói. I.3.2 Yêu cầu thiết kế và băng tần sử dụng + Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các thiết bị. VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ gần như không có) thông qua các mạng chuyển mạch UMTS Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống không thuộc 3GPP (non-3GPP) cũng sẽ được đảm bảo. Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ còn lại Hiệu quả sử dụng phổ tần cao Trễ được giảm xuống còn <10ms I.4 triển vọng Trên thế giới đã có nhiều hãng viễn thông lớn triển khai hoạt động mạng LTE Mạng NTT DoCoMo của Nhật sẽ đi tiên phong khi đặt mục tiêu khai trương dịch vụ vào năm 2009. Các mạng Verizon Wireless, Vodafone, và China Mobile tuyên bố hợp tác thử nghiệm LTE vào năm nay. Việc triển khai cơ sở hạng tầng cho LTE sẽ bắt đầu vào nửa sau của năm 2009 và kế hoạch cung cấp dịch vụ sẽ bắt đầu vào năm 2010. Đầu tháng ngày 8 tháng 10 năm 2010 vừa rồi, hãng viễn thông Ericsson Việt Nam đã phối hợp với Cục Tần số Vô tuyến điện của Bộ Thông tin và Truyền thông trình diễn công nghệ LTE – công nghệ tiền 4G trước sự chứng kiến của đại diện của Bộ cùng các mạng di động Việt Nam.Chuyên gia của Ericsson cho biết, nếu như tốc độ của dịch vụ ADSL được cung cấp tại Việt Nam trung bình từ 1,5Mbps – 6Mbps đã là băng rộng thì với LTE, thế vẫn chưa là gì. Công nghệ TD-LTE có tốc độ lý tưởng lên đến 110 Mbps với cấu hình tương tự . Đợt thử nghiệm vừa rồi diễn ra ở băng tần 2300-2400Mhz . Kết thúc cuộc thử nghiêm tốc độ đo được tốc độ tải xuống đạt 80Mbps tải lên đạt 20Mbps. Vượt xa tốc độ truy nhập của ADSL hiện nay. 1.5 quản lý tài nguyên vô tuyến Những yêu cầu về quản lý tài nguyên vô tuyến được chia ra như sau: hỗ trợ nâng cao cho chất lượng dịch vụ đầu cuối tới đầu cuối, hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn, và hỗ trợ cho việc chia sẻ tải cũng như là quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau. Việc hỗ trợ nâng cao chất lượng dịch vụ dầu cuối tới đầu yêu cầu cải thiện sự giữa thích ứng giữa dịch vụ, ứng dụng và các điều kiện về giao thức (bao gồm báo hiệu lớp cao hơn) với tài nguyên RAN và các đặc tính vô tuyến. Việc hỗ trợ hiệu quả cho truyền dẫn ở lớp cao hơn đòi hỏi LTE RAN phải có khả năng cung cấp cơ cấu để hỗ trợ truyền dẫn hiệu suất cao và hoạt động của các giao thức ở lớp cao hơn qua giao tiếp vô tuyến, chẳng hạn như quá trình nén tiêu đề IP (IP header). Việc hỗ trợ chia sẻ tải và quản lý chính sách thông qua các công nghệ truy cập vô tuyến khác nhau đòi hỏi phải xem xét đến việc lựa chọn lại các cơ cấu để định hướng các thiết bị đầu cuối di động theo các dạng công nghệ truy cập vô tuyến thích hợp đã được nói rõ cũng như là hỗ trợ QoS end to end trong quá trình chuyển giao giữa các công nghệ truy cập vô tuyến. Chương II: Cấu trúc hệ thống Hình 2.1 cấu trúc của mạng Hệ thống LTE được chia làm hai phần LTE được phat triển thành 2 phần kết hợp lại Phần truy nhập vô tuyến mặt đất và hệ thống mạng lõi II.1 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN E-UTRAN bao gồm các eNB, cung cấp các mặt phẳng sử dụng E-UTRA và giao thức điều khiển mặt phẳng giao tiếp đối với UE• Hoàn toàn phân phối kiến trúc mạng truy nhập vô tuyếneNB có thể được kết nối với nhau bằng các phương tiện của giao diện X2• X2 hỗ trợ di động tăng cường, quản lý nhiễu giữa các tế bào, và các chức năng SONeNB được kết nối bằng phương tiện của giao diện S1 cho Evolved Packet Core (EPC II.1.1 E NodB ENodB ( Evoled NodeB) Là trạm gốc được tăng cường mới, có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP. Nó là một BTS được tăng cường cung cấp giao diện không gian LTE và thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống truy nhập tiên tiến. chức năng của ENodB :• Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến• Nén IP header và mã hoá dòng dữ liệu người sử dụng Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập Bảo đảm chất lượng dịch vụ Thực hiên các cuộc chuyển giao với các UE II.2 Hệ thống mạng lõi EPC (evoled packet core) Đặc điểm Hệ thống mạng lõi của LTe đã cải tiến và phát triển chỉ sử dụng duy nhất một phương thức là chuyển mạch gói. Và truyền dữ liệu ,xác định vị trí thuê bao bằng phương thức định tuyến IP trong toàn bộ hệ thống Kiến trúc mạng được rút gọn hơn so với mạng 3G góp phần làm giảm giá thành khi triển khai mạng. Chức năng của các khối II.2.1 PDN GatewayPDN GW cung cấp kết nối cho UE tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài tại các điểm vào ra của lưu lượng cho UE. Một UE có thể đồng thời kết nối với nhiều hơn một PDN GW để truy nhập nhiều PDN. Chức năng của PDN GW gồm có: Quản lý một quý địa chỉ IP và cấp phát các địa chỉ IP cho các UE+ Thực hiện sự cưỡng bức chính sách (Policy enforcement).+ Lọc gói cho mỗi user.(Per-user based packet filtering (by e.g. deep packet inspection)+ Hỗ trợ tính cước.+ Ngăn chặn hợp pháp (Lawful Interception)+ Packet screening+ Định vị địa chỉ UE IP+ Chức năng DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)+ Transport level packet marking in the uplink and downlink, e.g. setting the DiffServ Code Point, based on the QCI of the associated EPS bearer II.2.2 Cổng phục vụ :Serving Gateway(S GW)Là một node kết thúc trong giao diện hướng tới EUTRAN. Chức năng của SGW bao gồm: Truyền tải dữ liệu người dùng giũa mạng vô tuyến và mạng lõi thong qua giao thức GTP+ SGW định tuyến và hướng các gói dữ liệu dữ liệu người sử dụng.+ EUTRAN ngừng bộ đệm gói đường xuống và bắt đầu mạng thúc đẩy thủ tục yêu cầu dịch vụ.+ Khi các UE ở trạng thái rỗi, SGW kết thúc đường dữ liệu Downlink và kích hoạt tìm gọi khi dữ liệu downlink chuyển tới UE.+ Quản lý và lưu trữ các văn cảnh của UE,+ Thực hiện sao chép của lưu lượng sử dụng trong trường hợp ngăn chặn hợp pháp. II.2.3 Thực thể quản lý di động MME (Mobility Management Entity)MME là node điều khiển quan trọng của mạng truy nhập LTE. MME quản lý tính lưu động, xác nhận UE và những tham số bảo mật. Chức năng của MME bao gồm:+ Báo hiệu NAS (Non Access Stratum) hoàn thành tại MME, và nó cũng chịu trách nhiệm về sự phát sinh và sự định vị của sự nhận dạng tạm thời các UE.+ MME cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính lưu động giữa LTE và mạng truy nhập 2G/3G.+ Trạng thái UE rỗi – Idle theo dõi và khả năng liên lạc (bao gồm điều kiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi).+ Theo dõi quản lý danh sách vùng.+ Kiểm tra tính xác thực của UE đến trạm trên dịch vụ của nhà cung cấp PLMN và giám sát việc thi hành sự giới hạn Roaming cho UE.+ Lựa chọn GW (sự lựa chọn Serving GW và PDN GW).+ Lựa chọn MME cho chuyển giao khi thay đổi MME.+ Lựa chọn SGSN chuyển giao tới các mạng truy nhập 2G, 3G, 3GPP..+ Nó chịu trách nhiệm chứng thực các user (bằng cách tương tác với HSS – Home Subscriber Service).+ MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịch mật mã, bảo vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật. II.3Các giao diện liên kết Giao diện : S1 Giao diện S1 là giao diện phân cách giữa E-UTRAN và EPC. Nó được chia thành hai phần: S1-U, có thể mang theo dữ liệu giao thông giữa các-eNode B và các GW phục vụ, và các S1-MME, mà là một giao diện báo hiệu chỉ giữa các-eNode B và các MME Giao diện X2 : Giao diện X2 là giao diện giữa các eNode-B, gồm hai phần:-X2 C là các mặt phẳng điều khiển giao diện giữa eNode-B, trong khi U-X2 là giao diện người dùng máy bay giữa eNode-B. Người ta cho rằng luôn luôn tồn tại một giao diện X2 giữa eNode-B rằng cần phải giao tiếp với nhau, ví dụ, để hỗ trợ bàn giao Giao dịên S3: - là giao diện giữa S GW và cổng SGSN của mạng 2G,3G .Nó cho phép người sử dụng và trao đổi thông tin ghi tên cho liên mạng di động 3GPP truy cập ở trạng thái nhàn rỗi và / hoặc hoạt động Hình 2.2:chức năng phân chia giữa E-UTRAN và lõi tiến hóa gói II.4 Giao thức giao diện vô tuyến Dữ liệu được truyền trên đường xuống dưới dạng các gói IP trên một trong những tải tin SAE (SAE bearers). Trước khi truyền đi qua giao diện vô tuyến, những gói IP đến (incoming IP packets) sẽ đi qua nhiều phần tử, được tổng kết dưới đây và được mô tả chi tiết hơn trong những phần sau: Điều khiển tài nguyên vô tuyến Radio Resource Control (RRC): Các lớp RRC thực hiện chức năng kiểm soát bao gồm duy trì mặt phẳng, nhắn tin và phát hành xử lý kết nối di động, bảo mật, và quản lý QoS. Giao thức hội tụ số liệu gói (Packet Data Convergence Protocol -PDCP): thực hiện việc nén tiêu đề IP (IP header) để làm giảm số lượng bit cần thiết cho việc truyền dẫn thông qua giao diện vô tuyến. Điều khiển liên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC): đảm nhiệm việc phân đoạn / ghép nối, điều khiển việc truyền lại, và phân phát lên các lớp cao hơn theo thứ tự. Không giống như WCDMA, giao thức RLC được định vị trong eNodeB vì chỉ có một loại node đơn trong kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE (LTE radio access network architecture). RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng các tải tin vô tuyến. Chỉ có một phần tử RLC trên một tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động. Điều khiển truy cập môi trường (Medium Access Control - MAC): điều khiển việc truyền lại hybrid-ARQ và hoạch định đường lên, đường xuống. Chức năng hoạch định được định vị trong eNodeB, và nó chỉ có một phần tử MAC cho một tế bào, cho cả đường lên và đường xuống. Phần giao thức hybrid ARQ có mặt trong cả đầu cuối phát và thu của giao thức MAC. Khối MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic. Lớp vật lý (Physical layer – PHY): điều khiển việc mã hóa / giải mã, điều chế / giải điều chế, ánh xạ đa anten (multi antenna mapping), và các chức năng lớp vật lý tiêu biểu khác. Lớp vật lý cung cấp dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh chuyển tải (transport channels). Hình 2.3 mối lien hệ giữa các kênh theo dương xuống Hình 2.4 đường lên II.5 Kênh chuyển tải Kênh chuyền tải Để giảm độ phức tạp của kiến trúc giao thức LTE, số lượng các kênh chuyền tải đã giảm. Điều này chủ yếu là do tập trung vào chia sẻ kênh hoạt động, tức là không có kênh chuyên dụng được sử dụng nữa.II.5.1 Đường xuống kênh chuyền tải gồm: Kênh quảng bá – Broadcast Channel (BCH): có một định dạng truyền tải cố định, được cung cấp bởi các đặc tính kỹ thuật. Nó được dùng cho việc truyền dẫn những thông tin trên kênh logic BCCH Kênh Paging – Paging channel (PCH): được dùng cho việc paging thông tin trên kênh logic PCCH. Kênh PCH hỗ trợ việc thu nhận không liên tục (discontinous reception – DRX) nhằm cho phép thiết bị đầu cuối di động tiết kiệm năng lượng pin bằng cách ngủ (sleeping) và chỉ thức (wake up) khi nhận PCH tại những thời điểm xác định trước Kênh multicast – Multicast Channel (MCH): được dùng để hỗ trợ MBMS và được đặc trưng bởi định dạng truyền tải bán tĩnh và hoạch định bán tĩnh (semi-static transport format and semi-static scheduling). Trong trường hợp truyền dẫn nhiều tế bào (multi-cell transmission) sử dụng MBSFN, cấu hình định dạng truyền tải và hoạch định được điều phối giữa những tế bào liên quan trong truyền dẫn MBSFN Kênh chia sẻ đường xuống – Downlink Shared Channel (DL-SCH): là kênh truyền tải được dùng cho truyền dẫn dữ liệu đường xuống trong LTE. II.6.2Kênh chuyền tải đường lên. Kênh chia sẻ đường lên – Uplink shared channel (UL-SCH): Kênh truy cập ngẫu nhiên. Random Access Channel (RACH) Các thủ tục RACH được sử dụng trong bốn trường hợp:+ Đầu tiên truy cập từ trạng thái bị ngắt kết nối (RRC_IDLE) hay lỗi vô tuyến+ Chuyển giao đòi hỏi thủ tục truy cập ngẫu nhiên+ DL hoặc UL đến dữ liệu trong quá trình RRC_CONNECTED sau khi UL PHY đã mất đồng bộ hóa (có thể do tiết kiệm điện năng hoạt động)+UL dữ liệu đến khi không chuyên yêu cầu lập kế hoạch (PUCCH) các kênh có sẵn II.6 Kênh logic Chức năng của kênh logic là cung cấp các dịch vụ cho MAC Kênh logic được phân ra làm hai loại là kênh điều khiển và kênh lưu lượng II.6.1 Kênh logic điều khiển bao gồm Kênh điều khiển quảng bá (Broadcast Control Channel - BCCH): được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển hệ thống từ mạng tới tất cả các thiết bị đầu cuối di động trong một tế bào. Trước khi truy nhập vào hệ thống, một thiết bị đầu cuối di động cần phải đọc những thông tin được truyền trên kênh BCCH để tìm ra cách thức hệ thống được cấu hình, ví dụ như băng thông của hệ thống. + Kênh tìm gọi (Paging Control Channel – PCCH): được sử dụng cho việc tìm gọi của các thiết bị đầu cuối di động mà mạng không biết được vị trí của nó về mức tế bào (cell level) và vì vậy tin nhắn tìm gọi cần được truyền trong nhiều tế bào + Kênh điều khiển dành riêng (Dedicated Control Channel – DCCH): được dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển tới hoặc từ thiết bị đầu cuối di động. Kênh này được sử dụng cho việc cấu hình riêng lẻ từng thiết bị đầu cuối di động ví dụ như những tin nhắn chuyển giao khác nhau. +Kênh điều khiển multicast (Multicast Control Channel - MCCH): được dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển được yêu cầu cho việc tiếp nhận của MTCH II.6.2 kênh logic lưu lượng Kênh lưu lượng bao gồm. +Kênh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel - DTCH): được dùng cho việc truyền dữ liệu người dùng đến hoặc từ một thiết bị đầu cuối di động. Đây là 1 loại kênh logic được dùng để truyền dữ liệu người dùng đường lên và đường xuống phi-MBMS (non-MBMS). +Kênh lưu lượng multicast (Multicast Traffic Channel – MTCH): được dùng cho truyền dẫn đường xuống những dịch vụ MBMS II.7 kênh vật lý Chức năng của kênh vật lý II.7.1 đường xuống bao gồm + Kênh phát vật lý :Physical Broadcast Channel (PBCH) Đây kênh vật lý mang hệ thống thông tin cho các UE yêu cầu truy cập mạng + Kênh chỉ tiêu điều khiển vật lý Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) + Kênh điều khiển vật lý đường xuống Physical Downlink Control Channel (PDCCH). Kênh này có nhiệm vụ là lập lịch thong tin. + Kênh chỉ định Hybrid ARQ Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) kênh này được sử dụng để báo cáo tình trạng Hybrid ARQ. + Kênh chia sẻ đường xuống Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) Kênh này được sử dụng cho các chức năng unicast và phân trang. + Physical Multicast Channel (PMCH) kênh này mang thông tin cho các mục đích multicast + Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : kênh này cung cấp thông tin để cho phép các UE để giải mã các PDSCH. II 7.2 Đường xuống của kênh vật lý + Kênh điều khiển đường lên Physical Uplink Control Channel (PUCCH) nó có chức năng là gửi và nhận Hybrid ARQ + Kênh chia sẻ đường lên Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) Đây kênh vật lý được tìm thấy trên các đường lên LTE là bản sao đường lên của PDSCH + Kênh truy nhập ngẫu nhiên Physical Random Access Channel (PRACH) kênh này được sử dụng cho chức năng truy cập ngẫu nhiên Chương III : Truy nhập vô tuyến Chương này sẽ giúp chúng ta hiểu được các phương thức truy nhập vô tuyến của mạng. Công nghệ LTE hỗ trợ truy nhập dường lên và đường xuống theo hai phương thức khác nhau. đường lên sử dụng phương thức đa truy nhập sóng đơn SC-FDMA đường xuống sử dụng phương thức đa truy nhập sóng mang OFDMA Hình 3.1 OFDM và SC-FDMA III.1 TRuy nhập đường xuống III.1.1 Khái quát về công nghệ OFDM là từ viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing hay còn gọi là kỹ thuật đa điều chế đa sóng mang trực giao. OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền tải lên và tải xuống có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài . Ví dụ, nếu muốn truyền với tốc độ là hàng triệu bit trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bit phải nhỏ hơn 1 micro giây. Điều này sẽ gây ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa đa đường. Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ đơn giản hơn. III.1.2 OFDM trong LTE Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM. Như đã biết thì OFDM là một hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn với nhiều lý do khác nhau. Vì thời gian ký tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency selectivity). Mặc dù trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số có thể được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắt đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết bị đầu cuối di động tại băng thông trên 5 MHz. Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc chống lại fading lựa chọn tần số sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghép kênh không gian (spatial multiplexing). Hinh 3.2 sơ đồ thời gian và tần số của tín hiệu OFDM Một số lợi ích khác của kỹ thuật OFDM bao gồm: OFDM cung cấp khả năng truy nhập vào miền tần số, bằng cách thiết lập một độ tự do bổ sung (degree of fredom) cho khối hoạch định phụ thuộc kênh truyền (channel dependent scheduler) so với HSPA. OFDM dễ dàng hỗ trợ cho việc phân bố băng thông một cách linh hoạt, bằng cách biến đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang phụ để truyền đi. Tuy nhiên chú ý rằng là việc hỗ trợ nhiều phân bố phổ đòi hỏi cần phải có bộ lọc RF linh hoạt (flexible RF filtering) khi đó thì sơ đồ truyền dẫn chính xác là không thích hợp. Tuy nhiên, việc duy trì cấu trúc xử lý băng tần cơ sở giống nhau (the same baseband processing structure), không phụ thuộc băng thông sẽ nới lỏng việc triển khai đầu cuối. Hỗ trợ dễ dàng cho việc truyền dẫn broadcast/mulitcast, khi mà những thông tin giống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc. Ngoài ra OFDM có thể được sử dụng trong cả hai định dạng FDD và TDD đây là một lợi thế trong việc triển khai mạng sau này. Ngoài ra, OFDM có thể được sử dụng trong cả hai định dạng FDD và TDD. Điều này trở thành một lợi thế bổ sung. Các tín hiệu OFDM được sử dụng trong LTE bao gồm tối đa là 2048 sóng mang phụ khác nhau có một khoảng cách là 15 kHz. Mặc dù nó là bắt buộc đối với các điện thoại di động có khả năng để có thể nhận được tất cả 2048 sóng mang, không phải tất cả cần phải được truyền qua các trạm cơ sở mà chỉ cần để có thể hỗ trợ việc truyền của 72 sóng mang. Bằng cách này, tất cả các điện thoại di động sẽ có thể kết nối với bất kỳ trạm gốc. Trong thời hạn tín hiệu OFDM có thể lựa chọn giữa ba loại điều chế: 1: QPSK (= 4QAM)   2 bits per symbol 16QAM   4 bits per symbol 64QAM   6 bits per symbol Hình 3.2: Sơ đồ tạo tín hiệu OFDM Các định dạng chính xác được chọn tùy thuộc vào điều kiện hiện hành. Các hình thức thấp hơn điều chế, (QPSK) không yêu cầu như một tín hiệu lớn tỉ lệ nhiễu nhưng không có khả năng gửi dữ liệu nhanh. Chỉ khi có một tín hiệu đủ để tiếng ồn tỷ lệ thứ tự cao hơn định dạng điều chế có thể được sử dụng. Dường xuống sóng mang và khối tài nguyên Trong đường xuống, các sóng mang con được chia thành khối tài nguyên. Điều này cho phép hệ thống để có thể compartmentalise các dữ liệu qua con số tiêu chuẩn của các sóng mang con.Tài nguyên khối gồm 12 sóng mang con, không phân biệt tín hiệu băng thông tổng thể LTE. Nó cũng bao gồm một khe cắm trong khung thời gian. Điều này có nghĩa là khác nhau băng thông tín hiệu LTE sẽ có các số khác nhau của khối tài nguyên. Hình 2.3 Khối tài nguyên với 12 sóng mang phụ III.2: Truy nhập đường lên Đối với các đường lên LTE, một khái niệm khác nhau được sử dụng cho các kỹ thuật truy cập. Mặc dù vẫn còn sử dụng một dạng của công nghệ OFDMA, việc thực hiện được gọi là Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). Hay còn gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang. Một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến tất cả các điện thoại di động là thời gian sống của pin. Mặc dù hiệu suất pin được cải thiện tất cả các thời gian, nó vẫn còn cần thiết để đảm bảo rằng điện thoại di động sử dụng năng lượng pin ít nhất có thể. Với các bộ khuếch đại công suất RF để truyền tín hiệu tần số vô tuyến thông qua ăng-ten để các trạm cơ sở đang được các mặt hàng điện cao nhất trong các điện thoại di động, nó là cần thiết mà nó hoạt động ở chế độ hiệu quả càng tốt. Điều này có thể bị ảnh hưởng bởi các hình thức điều chế tần số vô tuyến và định dạng tín hiệu. Tín hiệu đó có một đỉnh cao tỷ lệ trung bình và yêu cầu khuếch đại tuyến tính không vay cứ để việc sử dụng các bộ khuếch đại công suất hiệu quả RF. Kết quả là nó là cần thiết để sử dụng một phương thức truyền tải mà đã là gần một mức công suất không đổi khi hoạt động. Thật không may OFDM có một đỉnh cao tỷ lệ trung bình. Trong khi đây không phải là vấn đề đối với các trạm gốc nơi quyền lực không phải là một vấn đề cụ thể, nó là không thể chấp nhận cho các điện thoại di động. Kết quả là, LTE sử dụng một chương trình điều chế được gọi là SC-FDMA - Single Carrier Frequency Division Multiplex mà là một dạng lai. Điều này kết hợp đỉnh cao thấp tỷ lệ trung bình được cung cấp bởi hệ thống đơn vận chuyển với sự kiên cường can thiệp đa và tần số sóng mang con linh hoạt phân bổ mà OFDM cung cấp. Việc sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang sẽ cho PAPR nhỏ hơn so với OFDM dẫn đến tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu cuối ít hơn tăng tính di động cho thiết bị. do sc- fdma truyền một luồng duy nhất được điều chế vào sóng mang phụ nên có PAPR thấp hơn. (tỷ lệ công suất trung bình) Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra bằng kỹ thuật trải phổ DFT-OFDM (DFT-s-OFDM) Hình 3.3 sơ đồ khối DFT-S- OFDM III.3: cấu trúc Hybrid ARQ với kết hợp mềm Hybrid automatic repeat request (HARQ ) cơ chế yêu cầu lặp lại tự động. Hybird ARQ với kết hợp mềm trong LTE đáp ứng một mục đích tương tự với cơ chế hybird-ARQ trong HSPA – đó là cung cấp sức chịu đựng để chống lại các lỗi truyền dẫn. Nó cũng là một công cụ để nâng cao năng suất. Khi mà những cơ chế truyền lại hybird-ARQ là nhanh, nhiều dịch vụ cho phép một hoặc nhiều sự truyền lại, bằng cách thiết lập một cơ chế điều khiển tốc độ ẩn (vòng lặp kín) (an implicit (closed loop) rate-control mechanism). Tương tự với phương pháp trong HSPA, giao thức hybrid-ARQ là một phần của lớp MAC, trong khi hoạt động kết hợp mềm được điều khiển bởi lớp vật lý. Rõ ràng, hybrid ARQ không được áp dụng cho tất cả các dạng lưu lượng. Ví dụ, truyền dẫn broadcast, khi mà những thông tin giống nhau được dành cho nhiều người dùng, thông thường không phụ thuộc vào hybrid ARQ. Vì vậy, hybrid ARQ chỉ được hỗ trợ cho DL-SCH và UL-SCH. Giao thức hybrid ARQ trong LTE giống với giao thức tương ứng được sử dụng cho HSPA, đó là việc sử dụng nhiều tiến trình stop-and-wait song song. Trong lúc tiếp nhận những khối truyền tải, đầu thu sẽ tìm cách giải mã khối truyền tải và khai báo cho đầu phát về kết quả của hoạt động giải mã thông qua một bit đơn ACK/NAK để chỉ thị việc giải mã có thành công hay không hoặc truyền lại khối truyền tải nếu được yêu cầu. Những chi tiết khác về truyền dẫn ACK/NAK trong đường xuống và đường lên sẽ được tìm thấy trong chương 4. Để tối thiểu hóa chi phí, một bit đơn ACK/NAK được sử dụng. Rõ ràng, đầu thu phải biết bit ACK/NAK thu được được liên kết với tiến trình hybid-ARQ nào. Hơn nữa, điều này được giải quyết bằng cách sử dụng cùng một phương pháp như trong HSPA khi thời điểm của ACK/NAK được sử dụng để kết hợp ACK/NAK với một tiến trình hybrid-ARQ nào đó. Điều này được minh họa trong hình 3.6. Chú ý rằng, đối với trường hợp hoạt động TDD, mối quan hệ về thời gian giữa việc tiếp nhận dữ liệu trong một tiến trình hybrid-ARQ nào đó và việc truyền dẫn ACK/NAK thì không bị ảnh hưởng bởi sự phân bố đường lên/đường xuống. Tương tự với HSPA, một giao thức không đồng bộ là cơ sở cho hoạt động hybrid-ARQ đường xuống. Vì vậy, sự truyền lại đường xuống có thể xảy ra tại mọi thời điểm sau khi việc truyền dẫn được khởi tạo và một con số tiến trình hybrid-ARQ tường minh (an explicit hybrid-ARQ process number) được sử dụng để chỉ thị tiến trình nào đang được định địa chỉ (addressed). Sự truyền lại đường lên, mặt khác, lại dựa trên một giao thức đồng bộ và sự truyền lại xảy ra tại một thời gian xác định trước sau khi khởi tạo quá trình truyền dẫn và số tiến trình (process number) có thể nhận được hoàn toàn. Hai trường hợp được minh họa trong hình 3.5. Trong giao thức hybrid-ARQ không đồng bộ, sự truyền lại trên lý thuyết được hoạch định tương tự với việc khởi tạo quá trình truyền dẫn. Mặt khác trong giao thức đồng bộ, thời điểm truyền lại được cố định một lần khi khởi đầu quá trình truyền dẫn được hoạch định, phải được tính đến cho hoạt động hoạch định. Tuy nhiên, chú ý rằng scheduler sẽ phân biệt từ phần tử hybrid-ARQ trong eNodeB đầu cuối di động nào sẽ thực hiện truyền lại hay không. Hình 3.5 – Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ. III.4: Đa truy nhập MIMO Để đạt được tốc độ truyền và nhận dữ liệu đạt được cao như vậy thì công nghệ LTE cũng yêu cầu những cải tiến trong phần angten . Công nghệ MIMO là một giải pháp phù hợp cho những yêu cầu đó. Hình 3.4 ví dụ về công nghệ mimo III.4.1 MIMO (multi input multi output) hay còn gọi là kỹ thuật sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu để truyền và nhận dữ liệu. MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả trải phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu. Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE. Ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing): Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến. Các chuỗi dữ liệu này có thể là của một người dùng đơn lẻ (single user MIMO hay SU-MIMO) hay nhiều người dùng (Multi User MIMO hay MU-MIMO). Trong ví dụ trên mỗi anten phát sẽ phát đi một chuỗi dữ liệu khác nhau. Mỗi anten thu có thể nhận nhiều chuỗi dữ liệu từ cả hai anten phát.Các khái niệm cơ bản của MIMO sử dụng việc tuyên truyền tín hiệu đa đường được hiện diện trong tất cả các thông tin liên lạc trên mặt đất. MIMO đang được sử dụng ngày càng nhiều công nghệ tốc độ dữ liệu cao bao gồm cả Wi-Fi và các công nghệ không dây và di động khác để cung cấp mức độ cải thiện hiệu quả. Về cơ bản MIMO sử dụng nhiều anten trên máy thu và máy phát để sử dụng các hiệu ứng đa đường dẫn mà luôn luôn tồn tại để truyền tải dữ liệu bổ sung, hơn là gây nhiễu.Đối với đường xuống, một cấu hình của hai ăng-ten truyền tại các trạm cơ sở và hai ăng-ten nhận được trên thiết bị đầu cuối di động được sử dụng làm cơ sở, mặc dù cấu hình với bốn anten cũng đang được xem xét. Hai định dạng chính cho MIMO được đưa ra dưới đây:     * đa dạng không gian: không gian đa dạng được sử dụng trong ý nghĩa này hẹp hơn thường đề cập đến truyền và nhận sự đa dạng. Hai phương pháp được sử dụng để cung cấp những cải tiến trong các tín hiệu tỉ lệ nhiễu và họ được đặc trưng bằng cách cải thiện độ tin cậy của hệ thống đối với các hình thức khác nhau của mờ dần.     * không gian ghép: Hình thức MIMO được sử dụng để cung cấp thêm dữ liệu dung lượng bằng cách sử dụng các đường dẫn khác nhau để thực hiện giao thông khác, tức là tăng khả năng thông lượng dữ liệu. III.5 cấu trúc khung TDD va FDD Trong kỹ thuật LTE, kích thước của các phần tử trong miền thời gian được thể hiện như một số đơn vị thời gian T = 1 / (15.000 x 2048) giây. Khi khoảng cách giữa các sóng mang con là Δf = 15kHz, Ts có thể được coi là thời gian lấy mẫu của một máy phát dựa trên OFDM FFT / thực hiện tiếp nhận với NFFT kích thước FFT = 2048. Lưu ý rằng đây chỉ cho mục đích ký hiệu, như kích cỡ FFT khác nhau được hỗ trợ tùy thuộc vào băng thông truyền tải. Một tập hợp các thông số cho băng thông truyền điển hình cho LTE trong downlink được thể hiện trong 6,2 Bảng, nơi mà khoảng cách giữa các sóng mang con là Δf = 15kHz. Các kích thước FFT tăng với băng thông truyền tải, khác nhau, 128-2048. Với Δf = 15kHz, tần số lấy mẫu, bằng với Δf x NFFT, là một / nhiều hoặc tiểu nhiều của UTRA HSPA tốc độ chip 3.84MHz. Bằng cách này, đa UTRA / HSPA / thiết bị đầu cuối LTE có thể được thực hiện với một mạch đồng hồ duy nhất. Ngoài khoảng cách sóng mang con 15kHz, một khoảng cách sóng mang con giảm 7.5kHz được định nghĩa cho MBSFN tế bào, cung cấp một thời gian OFDM biểu tượng lớn hơn có khả năng chống lây lan chậm lớn liên quan đến việc truyền tải MBSFN. Trừ khi có quy định khác, chúng tôi sẽ giả Δf = 15kHz trong các cuộc thảo luận sau. Bảng . Thông số tiêu biểu cho truyền dẫn đường xuống Băng thông [MHz] 1.4 3 5 10 15 20 Băng thông bị chiếm [MHz] 1.08 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0 Băng tần bảo vệ [MHz] 0.32 0.3 0.5 1.0 1.5 2.0 Tần số lấy mẫu [MHz] 1.921/2 x 3.84 3.84 7.682 x 3.84 15.364 x 3.84 23.046 x 3.84 30.728 x 3.84 Kích thước FFT 128 256 512 1024 1536 2048 Số song mang phụ 72 180 300 600 900 1200 Số khối tài nguyên 6 15 25 50 75 100 Trong miền thời gian, các đường xuống và đường được tổ chức thành các khung thanh với thời gian T f = 307200 · Ts = 10 ms. Đối với sự linh hoạt, LTE hỗ trợ cả hai chế độ FDD và TDD. Hầu hết các thiết kế tham số được phổ biến cho FDD và TDD để giảm sự phức tạp thiết bị đầu cuối và tối đa hóa việc tái sử dụng giữa các thiết kế của các hệ thống FDD và TDD. Theo đó, LTE hỗ trợ hai loại cấu trúc khung: khung cấu trúc loại 1 cho chế độ FDD và các loại cấu trúc khung 2 cho chế độ TDD III.5.1 Cấu trúc khung loại 1 Khung cơ cấu loại 1 áp dụng cho cả hai song song công FDD và một nửa. Có ba loại khác nhau của các đơn vị quy định cho cấu trúc khung, minh họa trong hình 6.8. Người nhỏ nhất được gọi là một khe, đó là chiều dài Tslot = 15360 · Ts = 0,5 ms. Hai khe cắm liên tiếp được định nghĩa như là một subframe chiều dài 1 ms, và 20 khe, số từ 0 đến 19, tạo thành một khung phát thanh của 10 ms. Kênh phụ thuộc vào lịch trình và thích ứng liên kết hoạt động trên một mức độ subframe. Vì vậy, thời gian khung phụ tương ứng với TTI đường xuống tối thiểu, đó là thời hạn ms 1, so với TTI 2 ms cho HSPA và tối thiểu là 10 ms TTI cho UMTS. Một TTI ngắn hơn là để thích ứng liên kết nhanh chóng và có thể làm giảm sự chậm trễ và khai thác tốt hơn các kênh khác nhau thời gian qua kênh phụ thuộc vào lịch trình. Hình 6.8 Khung cơ cấu loại 1. Đối với FDD, uplink và downlink truyền được phân tách trong lĩnh vực tần số, mỗi với 10 sóng mang phụ. Trong hoạt động bán song công FDD, các UE không thể truyền và nhận cùng một lúc trong khi không có hạn chế như đầy đủ song công FDD. Tuy nhiên, song công FDD cần thiết bị đầu cuối chất lượng cao và đắt tiền song RF-bộ lọc để uplink riêng và các kênh đường xuống, trong khi bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đường lên và đường xuống, trong đó cung cấp một chi phí tiết kiệm tại các chi phí của việc giảm tốc độ dữ liệu của một nửa. Half-duplex UE FDD cũng được coi là một giải pháp tốt nếu tách song ở giữa uplink và downlink truyền là tương đối nhỏ. Trong trường hợp này, bán song công FDD là phương pháp thích hợp để giảm thiểu sự can thiệp chéo giữa truyền và nhận các chuỗi. III.5.2 Cơ cấu khung Loại 2 Khung cơ cấu loại 2 được áp dụng cho các chế độ TDD. Nó được thiết kế để cùng tồn tại với các hệ thống di sản đó như là tiêu chuẩn TD-SCDMA dựa trên 3GPP. Như trong hình 6,9, mỗi khung hình vô tuyến của các loại cấu trúc khung 2 là chiều dài T f = 30720 · Ts = 10 ms, trong đó bao gồm hai khung hình một nửa chiều dài mỗi 5 ms. Mỗi nửa khung hình được chia thành năm khung phụ với độ dài mỗi khung la 1 ms. Có khung phụ đặc biệt bao gồm ba lĩnh vực: đường xuống khe thời gian thí điểm (DwPTS), gia đoạn bảo vệ (GP), và đường lên khe thời gian thí điểm (UpPTS). Các lĩnh vực này đã được quy định tại TD-SCDMA và được duy trì ở chế độ TDD LTE để cung cấp bảo vệ thời gian đủ lớn cho các thiết bị để chuyển đổi giữa phát và thu. VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ- THÔNG TIN BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Khóa 2007-2011/ hệ đại học chính quy Đề tài: Tìm hiểu về công nghệ mạng LTE Thầy hướng dẫn : Nguyễn Hải Đăng Sinh viên thực hiện: Ngô Văn Tiến Lớp : K 10A Hà nội tháng 2/ 2011