HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

HỒ HẢI YẾN

ĐỀ TÀI: TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G
TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI, NĂM 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

HỒ HẢI YẾN
ĐỀ TÀI: TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G
TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS.LÊ NHẬT THĂNG

HÀ NỘI – NĂM 2016

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Các kết quả nghiên cứu do chính tôi thực hiện với sự chỉ đạo của giảng
viên hướng dẫn.

Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2016
Học viên

Hồ Hải Yến


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn, trước tiên, em xin cảm ơn chân thành sâu sắc tới
các thầy cô tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông nói chung và các thầy
cô trong khoa Quốc tế và Đào tạo Sau Đại học nói riêng đã tận tình giảng dạy,
truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo, PGS.TS.Lê Nhật Thăng,
thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suất quá trình
làm luận văn kỹ thuật. Trong thời gian làm việc với thầy, không những em tiếp
thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học được tinh thần làm việc, thái độ
nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả. Đây là những điều rất cần thiết cho
em trong quá trình học tập và công tác sau này.
Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng

nghiệp đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên
cứu và hoàn thành luận văn.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỀU ............................................................................... vii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................... viii
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE.. 3
1.1.

Giới thiệu chung về mạng thông tin di động 4G LTE .............................. 3

1.1.1.

Mục tiêu của mạng 4G LTE .............................................................. 3

1.1.2. Sơ đồ kiến trúc tổng quan của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G ... 4
1.2.

Cấu trúc mạng 4G LTE ............................................................................ 6

1.2.1 Cấu trúc các phần tử mạng 4G LTE ....................................................... 6
1.2.2.

1.3.

Chức năng các phần tử ....................................................................... 8

Một số kỹ thuật chính sử dụng trong mạng 4G LTE .............................. 11

1.3.1. Kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong LTE .............................................. 11
1.3.2.

Kỹ thuật đa anten MIMO ................................................................. 23

1.3.3.

Mã hóa Turbo................................................................................... 26

1.3.4.

Thích ứng đường truyền .................................................................. 26

1.3.5.

Lập biểu hay lập lịch (Scheduling) phụ thuộc kênh ........................ 27

1.3.6

HARQ với kết hợp mềm .................................................................. 27

1.4.

Kết luận chương 1 ................................................................................... 28


CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 4G TRÊN THẾ GIỚI. ........................................................................... 29
2.1. Các xu hướng phát triển thông tin di động lên 4G .................................... 29
2.2.

Kiến trúc WiMAX .................................................................................. 32

2.2.1.

Mô hình hệ thống mạng WiMAX .................................................... 32

2.2.2.

Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới ...................................... 36


iv

2.2.3.
2.3.

Ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX ......................................... 38

Mô hình mạng 4G LTE .......................................................................... 39

2.3.1.

Đặc điểm kiến trúc mạng thông tin di động 4G LTE ...................... 39


2.3.2.

Tình hình triển khai LTE trên thế giới ............................................. 43

2.3.3.

Ưu điểm của kiến trúc LTE ............................................................. 48

2.4.

So sánh LTE với WiMAX ...................................................................... 48

2.5.

Kết luận chương 2: ................................................................................. 49

CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G TẠI VIỆT
NAM .................................................................................................................... 51
3.1. Thực trạng mạng thông tin di động tại Việt Nam và khả năng triển khai 4G
.......................................................................................................................... 51
3.1.1. Tình hình dịch vụ 3G và các vấn đề còn tồn tại. ................................. 51
3.1.2. Bài học kinh nghiệm từ phát triển 3G ................................................. 59
3.1.3. Thuận lợi và khó khăn khi triển khai 4G tại Việt Nam. ...................... 62
3.2. Tình hình triển khai 4G thử nghiệm tại Việt Nam. ................................... 66
3.2.1. Giai đoạn 1: Năm 2010 -2011 ............................................................. 66
3.2.2. Giai đoạn 2: Năm 2015 – 2016 ........................................................... 68
3.3. Đề xuất mô hình triển khai 4G tại Việt Nam ............................................. 74
3.3.1. Các tiêu chí quyết định lựa chọn mô hình triển khai 4G..................... 74
3.3.2. Đề xuất triển khai 4G LTE tại Việt Nam. ........................................... 77
3.3.3. Lộ trình triển khai 4G LTE cho mạng di động MobiFone .................. 81

3.4. Kết luận chương 3:..................................................................................... 91
KẾT LUẬN CHUNG ......................................................................................... 92
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................ 93


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Sơ đồ tổng quan mạng từ 2G - 4G ........................................................ 5
Hình 1. 2. So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE .............................................. 6
Hình 1. 3. Cấu trúc cơ bản của LTE ...................................................................... 7
Hình 1. 4. Kiến trúc SAE cơ bản............................................................................ 8
Hình 1. 5. Cấu hình cho SAE hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập
UMTS/HSPA ......................................................................................................... 9
Hình 1. 6. Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE ............................................................ 9
Hình 1. 7. So sánh phổ tần của OFDM với FDM ................................................ 12
Hình 1. 8. Các sóng mang trực giao với nhau ...................................................... 13
Hình 1. 9. Sơ đồ khố i điều chế tín hiệu băng gốc OFDM.................................... 16
Hình 1. 10. Sơ đồ biến đổi thu phát tín hiệu OFDM ............................................ 17
Hình 1. 11. Biến đổi FFT ..................................................................................... 18
Hình 1. 12. Khoảng bảo vệ tin
́ hiệu OFDM ......................................................... 19
Hình 1. 13. OFDM và OFDMA ........................................................................... 20
Hình 1. 14. Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên. ...................... 22
Hình 1. 15. Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO ................................................. 24
Hình 1. 16. Ghép kênh không gian ...................................................................... 25
Hình 1. 17. Điều chế thích nghi ........................................................................... 26
Hình 2. 1. Sự phát triển của thông tin di động từ 2G – 4G ..............................…29
Hình 2. 2. Sự phát triển của các chuẩn WiMAX ................................................. 32
Hình 2. 3. Cấu trúc mạng WiMAX ...................................................................... 33

Hình 2. 4. Số lượng người sử dụng dịch vụ WiMAX tính đến năm 2012 ........... 36
Hình 2. 5. Các thuộc tính kỹ thuật của LTE ........................................................ 40
Hình 2. 6. Kiến trúc mạng 4G LTE...................................................................... 41
Hình 2. 7. So sánh tốc độ trung bình 4G LTE so với 3G, 2G và Wi-Fi. ............. 46
Hình 3. 1. Dự báo tăng trưởng thuê bao smartphone giai đoạn 2015-2021 theo
khu vực địa lý…………………………………………………………………...63
Hình 3. 2. Tăng trưởng thuê bao 2011-2015 và dự báo đến năm 2021 ............... 64


vi

Hình 3. 3. Bộ thu phát sóng lắp đặt tại tòa nhà Internet....................................... 67
Hình 3. 4. Hệ thống mạng lõi ............................................................................... 67
Hình 3. 5. Thống kê băng tần triển khai LTE trên thế giới theo GSA [2] ........... 78
Hình 3. 6. Cấu trúc mạng 4G MobiFone khi chưa triển khai IMS ...................... 86
Hình 3. 7. Cấu trúc mạng lõi 4G LTE không triển khai IMS .............................. 86
Hình 3. 8. Kiến trúc mạng 4G MobiFone có IMS .............................................. 88


vii

DANH MỤC BẢNG BIỀU
Bảng 1. 1. Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền. .............................. 21
Bảng 2. 1. Sự phát triển từ GSM lên LTE ………………………………………30
Bảng 2. 2. Sự phát triển từ CDMA lên LTE ........................................................ 31
Bảng 2. 3. Các thuộc tính kỹ thuật của LTE ........................................................ 40
Bảng 2. 4. Lộ trình phát triển LTE của một số nước trên thế giới ....................... 44
Bảng 2. 5. Các quốc gia, vùng lãnh thổ có tốc độ trung bình mạng 4G LTE nhanh
nhất thế giới .......................................................................................................... 47
Bảng 2. 6. Các quốc gia, vùng lãnh thổ có vùng phủ sóng tốt nhất ..................... 47

Bảng 3.1. Các dòng máy hỗ trợ mạng 4G phổ biến tại Việt Nam
…………………………………………………………………………………...75
Bảng 3. 2. Cấu trúc mạng MobiFone tính đến năm 2011 .................................... 84
Bảng 3. 3. Lộ trình phát triển hạ tầng mạng MobiFone tính đến năm 2015 ........ 85


viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Tiếng Việt

Thuật ngữ

Tiếng Anh

BS

Base Station

Trạm thu phát gốc

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

CDS

Channel Depend Schedule


Lập lịch phụ thuộc kênh

eNodeB

E-UTRAN Node B

Nút B của E-UTRAN

EPC

Evolved packet Core

Lõi gói phát triển

E-UTRA

Evolved UTRA

Truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS
phát triển

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo tần
số

FDMA


Frequency Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

HARQ

Hybrid Automatic Repeat

Yêu cầu phát lại tự động linh hoạt

Request
High Speed Downlink packet

Truy nhập gói đường xuống tốc độ

Access

cao

HSPA

High Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

HSS

Home Subcriber Server

Server thuê bao nhà


HSUPA

High Speed Uplink packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao

IMS

IP Multimedia Subsystem

Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000

International Mobile

Thông tin di động quốc tế 2000

HSDPA

Telecommunication 2000
IR

Incremental Redundancy

Sự dư thừa gia tăng

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn


MME

Mobile Management Entity

Thực thể quản lí di động

PAPR

Peak to Avegare Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất


ix

Tiếng Việt

Thuật ngữ

Tiếng Anh
trung bình

PCRF

Policy and Charing Rules Fuction Chức năng quy tắc tính cước và
chính sách

P-GW


Packet Data Network – Gateway Cổng mạng dữ liệu gói

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

RAN

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

RNC

Radio Network Controller

Bộ điều khiển mạng vô tuyến

SAE

System Architecture Evolution

Phát triển kiến trúc mạng

SC-FDMA

Single Carier – frequency


Đa truy nhập phân chia tần số đơn

Division Multiple Access

sóng mang

Time Division Duplex

Ghép song công phân chia theo

TDD

thời gian
UTRAN

WCDMA

UMTS Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
Network

UMTS

Wideband Code Division

Đa truy nhập phân chia theo mã

Multiple Access

băng rộng



1

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực
phát triển nhanh nhất của viễn thông. Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng
tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa
dạng như: Thoại, video, hình ảnh và dữ liệu. Để đáp ứng về nhu cầu dịch vụ
ngày càng tăng cao, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến
và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới. Công nghệ thông tin di động đã
trải qua 3 thế hệ (1G, 2G và 3G), đang hướng tới các công nghệ 4G và sau đó,
trong đó LTE thu hút sự quan tâm rộng rãi. LTE được xem như hệ thống tiến
hóa cho các công nghệ di động dựa trên nền tảng GSM (GSM, GPRS/EDGE,
HSPA). Mục đích của LTE là cung cấp công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng
di động (100Mb/giây) với độ trễ truyền tải thấp, đồng thời hỗ trợ khả năng
chuyển giao trong suốt cho lưu lượng dữ liệu với GPRS/HSPA.
Hiện nay, 4G LTE đang phát triển rất nhanh trên thế giới. Theo số liệu
của GSA, tính đến tháng 4/2015 toàn thế giới có gần 500 triệu thuê bao LTE
(trên tổng số 6.44 tỷ thuê bao di động), chiếm 7% tổng số kết nối di động, tăng
trưởng hàng năm đạt 140% [2]. Với ưu thế vượt bậc về khả năng cung cấp các
dịch vụ truy nhập tốc độ cao, cùng với xu hướng dần phổ cập các thiết bị đầu
cuối, mạng 4G LTE được coi là xu hướng phát triển chủ đạo của viễn thông thế
giới trong thời gian tới.
Tại Việt Nam, ngay từ khi công nghệ 4G mới ra đời và bắt đầu phát triển
những năm 2010, 2011, Bộ Thông tin và Truyền thông đã có những nghiên cứu,
chuẩn bị để xây dựng kế hoạch triển khai. Năm 2016 được coi là thời cơ chín
muồi để đẩy mạnh phát triển 4G tại Việt Nam. Tuy nhiên, vẫn còn những khó
khăn, thách thức đặt ra trong khi triển khai 4G ở Việt Nam bao gồm: Điều kiện
hạ tầng viễn thông và tài nguyên tần số, chính sách phân bổ tài nguyên tần số
cho phù hợp và thị trường thiết bị đầu cuối [1]. Vì vậy, việc đưa ra một lộ trình

với các chiến lược phù hợp trong quá trình triển khai 4G là bài toán chung cho


2

các doanh nghiệp viễn thông Việt Nam. Luận văn nghiên cứu về vấn đề “Triển
khai mạng thông tin di động 4G tại Việt Nam”. Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động 4G LTE.
Chương 2: Các mô hình triển khai mạng thông tin di động 4G trên thế
giới.
Chương 3: Triển khai mạng thông tin di đông 4G tại Việt Nam.
Luận văn đã đề cập đến các vấn đề về tổng quan về công nghệ LTE, kiến
trúc mạng 4G LTE, các tính năng vượt trội của 4G so với 3G, một số kỹ thuật sử
dụng trong mạng 4G LTE. Luận văn cũng đưa ra các mô hình mạng 4G, xu
hướng phát triển LTE trên thế giới, phân tích kết quả triển khai thử nghiệm, từ đó
đề xuất lộ trình phát triển công nghệ LTE tại Việt Nam.


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG 4G LTE
Từ khi ra đời cho đến nay, hệ thống thông tin di động phát triển rất nhanh
chóng. Không chỉ có dịch vụ thoại được triển khai trên hạ tầng mạng viễn thông
di động mà cùng với nó là các loại hình dịch vụ khác như hình ảnh, dữ liệu,
game, nhạc... đang gia tăng cả về số lượng lẫn chất lượng. Mặc dù các dịch vụ
mạng 3G, 3,5G đang được sử dụng rộng rãi và ngày một phổ biến. Nhưng để
đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng, việc phát triển thông tin di động
lên 4G (tiền 4G) là xu thế tất yếu. Trong đó LTE thu hút sự quan tâm rộng rãi
bởi vì LTE được xem như hệ thống tiến hóa cho các công nghệ di động dựa trên

nền tảng GSM (GSM, GPRS/EDGE, HSPA). Mục đích của LTE là cung cấp
công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng di động (100Mb/giây) với độ trễ truyền
tải thấp, đồng thời hỗ trợ khả năng chuyển giao trong suốt cho lưu lượng dữ liệu
với GPRS/HSPA.

1.1. Giới thiệu chung về mạng thông tin di động 4G LTE
1.1.1. Mục tiêu của mạng 4G LTE
LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ
thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính
cạnh tranh cho hệ thống này 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. LTE bắt
đầu được tiêu chuẩn hóa kể từ phiên bản 3GPP Release 8, cho đến hiện tại 3GPP
đã ban hành đến phiên bản 3GPP Release 11. Kể từ Release 10, LTE được gọi là
LTE Advanced.
Các mục tiêu của công nghệ này là:
-

Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20MHz.


4

 Tải lên: 50 Mb/giây.
 Tải xuống: 100 Mb/giây.
-


Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz

so với mạng HSDPA Release 6.
 Tải lên: Gấp 2 đến 3 lần.
 Tải xuống: Gấp 3 đến 4 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 30-100km thì không hạn chế.
-

Băng thông linh hoạt: Có thể hoạt động với các băng tần 1.25MHz, 1.6

MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz cả chiều lên và chiều xuống. Hỗ trợ cả hai
trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.
Để đạt được mục tiêu này, có rất nhiều kĩ thuật mới được áp dụng, trong
đó nổi bật là kĩ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực
giao), kĩ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output). Ngoài ra hệ thống
này sẽ chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP Network), và hỗ trợ cả hai chế độ FDD
và TDD.

1.1.2. Sơ đồ kiến trúc tổng quan của mạng thông tin di động từ 2G lên
4G

Mạng di động phát triển từ 2G lên 4G có 2 chuẩn là từ 2G GSM và 2G
CDMA. Ngoài ra, WiMAX cũng có định hướng phát triển lên 4G (WiMAX di
động). Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ 2G GSM và
đã phát triển từ 2G GSM lên HSPA+. Dưới đây là sơ đồ kiến trúc tổng quát của
mạng 2G GSM và sự phát triển lên LTE từ GSM.


5

Hình 1. 1. Sơ đồ tổng quan mạng từ 2G - 4G

-

Mạng 2G GSM: Mạng GSM ban đầu chỉ có dịch vụ thoại, chưa có dịch vụ

dữ liệu nên kiến trúc mạng chỉ bao gồm phần CS, sử dụng toàn bộ truyền dẫn là
TDM. Với 2.5G bao gồm cả dịch vụ dữ liệu, kiến trúc mạng có thêm phần lõi PS
(phần RAN vẫn sử dụng chung cho cả thoại và dữ liệu). Trong cấu trúc mạng 2G,
miền thoại vẫn dùng toàn bộ truyền dẫn TDM, chỉ trong miền truyền dữ liệu mới
sử dụng truyền IP.
-

Mạng 3G: Mạng 2G phát triển lên 3G bổ sung thêm toàn bộ lớp mạng truy

nhập riêng cho 3G. Lớp truy nhập của 3G kết nối với lõi CS bằng ATM và kết
nối mạng lõi PS bằng IP. Một phát triển lớn của 3G so với 2G nữa là sự tách biệt
MSC thành MSC server và MGW, tách phần điều khiển và truyền tải trong MSC.
-

Mạng 4G LTE: So với mạng 3G, 4G phát triển thêm cấu trúc cả phần truy


nhập và mạng lõi. Phần truy nhập chỉ có 1 phần tử (eNode B) kết nối trực tiếp


6

với mạng CS và PS thông qua S-GW và MME. Có sự tách biệt phần điều khiển
với miền truyền tải và truy nhập (hình 1.1).

1.2. Cấu trúc mạng 4G LTE
1.2.1 Cấu trúc các phần tử mạng 4G LTE
Cấu trúc mạng LTE được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói
với khả năng di động trong suốt, quản lý chất lượng dịch vụ và thời gian trễ
truyền tối thiểu. Cách tiếp cận này cho phép hỗ trợ tất cả các loại dịch vụ bao
gồm cả thoại qua kết nối truyền tải gói dữ liệu.
Kết quả dẫn đến cấu trúc mạng được đơn giản hóa chỉ bao gồm hai node
mạng là eNodeB và cổng/phần tử quản lý mạng MME/GW. Điều này tương
phản với cấu trúc gồm nhiều loại node mạng trong cấu trúc mạng phân lớp của
hệ thống 3G.
Cấu trúc cơ bản SAE của LTE

Hình 1. 2. So sánh về cấu trúc giữa UTMS và LTE

Hình 1.2 cho ta thấy sự khác nhau về cấu trúc của UTMS và LTE. Song
song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng gói lõi cũng đang cải tiến lên cấu trúc
tầng SAE. Cấu trúc mới này được thiết kế để tối ưu hiệu suất mạng, cải thiện
hiệu quả chi phí và thu hút phần lớn dịch vụ trên nền IP.
Mạng truy nhập vô tuyến RAN (Radio Access Network): Mạng truy nhập
vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính



7

của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm dịch vụ thời gian thực, sẽ được hỗ trợ qua
những kênh gói được chia sẻ (không còn chuyển mạch kênh). Phương pháp này
sẽ tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn. Một kết
quả quan trọng của việc sử dụng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích
hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và giữa những dịch vụ cố định
và không dây.
Services

External networks:
Operator Services (e.g.IMS)
and Internet
SGi

Rx

P-GW

EPC

SAE
GW

HSS

S5/S8

Gxc


S6a
S11

S-GW
S1-U

MM
E
S1-MME

X2

E-UTRAN

eNodeB
LTE-Uu

Services Connectivity Layer

Gx

IP Connectivity Layer, The EPS

PC
RF

User Equipment
UE
Hình 1. 3. Cấu trúc cơ bản của LTE


Có nhiều loại chức năng khác nhau trong mạng tế bào. Dựa vào chúng,
mạng có thể được chia thành hai phần: Mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi.
Những chức năng như điều chế, nén, chuyển giao thuộc về mạng truy nhập.
Còn những chức năng khác như tính cước hoặc quản lý di động là thành phần
của mạng lõi. Với LTE, mạng truy nhập là E-UTRAN và mạng lõi là SAE.
Mục đích chính của LTE là tối thiểu hóa số node. Vì vậy, cấu trúc mạng
LTE là cấu trúc đơn node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy


8

nhập vô tuyến WCDMA/HSPA, và vì vậy được gọi là eNodeB (Enhance Node
B). Những eNodeB có tất cả những chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô
tuyến LTE, kể cả những chức năng liên quan đến quản lý tài nguyên vô tuyến.
Giao diện vô tuyến sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn là S1 và
X2. Trong đó S1 là giao diện vô tuyến kết nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1
chia làm hai loại là S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE –GW và S1-MME
là giao diện giữa eNodeB và MME. X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau.

1.2.2. Chức năng các phần tử
1.2.2.1. Kiến trúc mạng lõi LTE:
Khi bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn 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 EPC chỉ bao gồm chuyển mạch
gói không có miền chuyển mạch kênh.

Hình 1. 4. Kiến trúc SAE cơ bản



9

EPS nối đến LTE RAN qua giao diện S1 và đến Internet qua giao diện

SGi.
-

Ngoài ra SAE nối đến HSS (tương ứng với HLR trong mạng lõi

GSM/WCDMA) qua giao diện S6a.
-

Giữa UE và mạng truy nhập vô tuyến có giao diện Uu.

Hình 1. 5. Cấu hình cho SAE hỗ trợ của 3GPP bao gồm cả truy cập UMTS/HSPA
SWx
HSS

hPCRF
Gx
S6a

Rx

Operators IP
Server
IMS, PSS


SGi
S9

PDN
Gateway

S6b

3GPP AAA
Proxy

S2b
vPCRF

S8

SWd

HPLMN
Non-3GPP
Network

Operators IP
Server

GXc
Serving
Gateway

3GPP AAA

Proxy

GXb
SWm
ePDG

S2a
VPLMN
Non-3GPP
Network

GXa

SWn

Trusted
Non-3GPP IP
Access

Hình 1. 6. Kiến trúc chi tiết mạng lõi LTE

SWa

Untrusted
Non-3GPP IP
Access

STa



10

1.2.2.2. Chức năng các node trong mạng lõi LTE:
Mobility Management Entity (MME): Chịu trách nhiệm xử lý những
chức năng mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên.
Serving Gateway: Là node kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô
tuyến EUTRAN. Serving Gateway có những chức năng bao gồm:
-

Là node 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 node kết thúc giao diện SGi về phía PDN. Nếu có 1

UE 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 Configuration

Protocol: Giao thức cấu hình động máy chủ).


11

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.
ePDG: Chức năng của ePDG bao gồm: Điều khiển sự phân bổ địa chỉ IP

trong ePDG.
-

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.

-

S2c: Là giao diện giữa UE và Gateway.

1.3.

Một số kỹ thuật chính sử dụng trong mạng 4G LTE
Để đạt được các mục tiêu về thông số kỹ thuật mạng, có rất nhiều kĩ thuật

mới được áp dụng trong LTE. LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập
đường xuống và SC-FDMA cho truy cập đường lên. Kết hợp đồng thời với
MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu tự động phát
lại lai ghép.


1.3.1. Kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong LTE
1.3.1.1. Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDMA


12

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của
phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng
hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (sub-carrier) trực
giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng
lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng
lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn
nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.

Hình 1. 7. So sánh phổ tần của OFDM với FDM

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.


13

Tổng băng thông truyền dẫn

Điểm lấy mẫu cho một
sóng mang đơn

15 KHz

Các sóng mang khác
có giá trị 0

Hình 1. 8. Các sóng mang trực giao với nhau

LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các ưu điểm
sau:
-

OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol

Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn
lớn nhất của kênh truyền.
-

Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên


thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do
truyền dẫn đa đường giảm xuống.
-

Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con.

Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số
thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác
nhau.
-

OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống

có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency
selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiều so với hệ thống
truyền dẫn đơn sóng mang.
-

Cấu trúc máy thu đơn giản.


14

-

Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số.

-

Tương thích với các bộ thu và các anten tiên tiến.

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 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 [7].
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 đối với tín