NGUYỄN VIỆT TOÀN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Việt Toàn

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ 4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

2012
Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Việt Toàn

MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ 4G

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Vũ Sơn


Hà Nội – Năm 2012

1


Mạng di động thế hệ 4G

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................................4
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................................7
LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................................8
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LTE..............................................................10
1.1

Thế hệ di động 3G và động lực phát triển công nghệ LTE....................................10

1.2

Tổng quan về LTE ...................................................................................................12

1.3

Các dịch vụ trong LTE ............................................................................................14

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE ..........16
2.1


Sự phát triển của kiến trúc hệ thống (SAE-System Architecture Evolution) .......16

2.2

Công nghệ đa truy nhập trong LTE........................................................................22

2.2.1

Khái quát công nghệ đa truy nhập trong LTE.........................................................22

2.2.2

OFDMA........................................................................................................................25

2.2.3

SCFDMA......................................................................................................................30

2.3

MIMO.......................................................................................................................33

2.3.1

Giới thiệu chung về kĩ thuật đa annten .....................................................................33

2.3.2

Kĩ thuật MIMO ...........................................................................................................35


CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC VÀ KÊNH TRONG LTE .............................................38
3.1

Kiến trúc giao thức ..................................................................................................38

3.2

Điều khiển truy nhập môi trường ...........................................................................40

3.3

Điều khiển liên kết vô tuyến ....................................................................................44

3.4

Giao thức hội tụ dữ liệu gói.....................................................................................48

3.5

Điều khiển tài nguyên vô tuyến...............................................................................49

3.6

Kiến trúc kênh trong LTE..................................................................................................52

3.6.1

Các kênh đường xuống ...............................................................................................52


3.6.2

Các kênh đường lên ....................................................................................................55

CHƯƠNG 4: LỚP VẬT LÝ ................................................................................................58
4.1

Truyền dữ liệu người sử dụng đường lên...............................................................58

4.2

Truyền dữ liệu người sử dụng đường xuống .........................................................61

4.3

Truyền tín hiệu báo hiệu lớp vật lý đường lên .......................................................65

4.3.1

Kênh điều khiển đường lên vật lý (PUCCH) ............................................................66

       1 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G

4.3.2

Tín hiệu điều khiển trên kênh PUSCH......................................................................68

4.3.3

Các tín hiệu tham chiếu ..............................................................................................71

4.4

Truyền tín hiệu báo hiệu lớp vật lý đường xuống ..................................................73

4.4.1

Kênh chỉ báo khuôn dạng điều khiên vật lý (PCFICH)...........................................74

4.4.2

Kênh điều khiển đường xuống vật lý.........................................................................74

4.4.3

Kênh chỉ thị HARQ vật lý ..........................................................................................77

4.4.4

Kênh quảng bá vật lý ..................................................................................................77

4.4.5


Tín hiệu đồng bộ..........................................................................................................78

4.5

Các thủ tục lớp vật lý ...............................................................................................79

4.5.1

Thủ tục HARQ ............................................................................................................79

4.5.2

Định thời sớm ..............................................................................................................83

4.5.3

Điều khiển công suất ...................................................................................................85

4.5.4

Tìm gọi .........................................................................................................................86

4.5.5

Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên ...................................................................................87

4.5.6

Thủ tục dò tìm cell.......................................................................................................89


4.5.7

Thủ tục báo cáo phản hồi kênh ..................................................................................90

CHƯƠNG 5: CHUYỂN GIAO VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE
.............................................................................................................................................93
5.1

Chuyển giao .............................................................................................................93

5.1.1

Giới thiệu .....................................................................................................................93

5.1.2

Quản lý di động ở trạng thái nghỉ..............................................................................94

5.1.3

Chuyển giao trong mạng LTE ...................................................................................96

5.1.4

Chuyển giao liên hệ thống ........................................................................................101

5.2

Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM-Radio Resoure Management).....................102


5.2.1

Điều khiển truy nhập và các thông số QoS .............................................................103

5.2.2

Thích ứng đường truyền và định trình động đường xuống...................................105

5.2.3

Thích ứng đường truyền và định trình động đường lên........................................109

5.2.4

Thu phát không liên tục............................................................................................112

5.2.5

Duy trì kết nối RRC ..................................................................................................113

CHƯƠNG 6: TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI LTE TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
...........................................................................................................................................115
6.1. Triển khai LTE trên thế giới .....................................................................................115
6.1.1Thương mại hóa ................................................................................................................116
6.1.2 Các nhà phát triển thiết bị...............................................................................................118

       2 

 


                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
6.2. Triển khai LTE tại VIỆT NAM................................................................................120
6.3 4G cuộc chơi không dễ cho các nhà mạng ................................................................122
KẾT LUẬN........................................................................................................................124
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................125
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................126

       3 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình1. 1 Động lực cho phát triển LTE................................................................................................... 12
Hình1. 2 Các mục tiêu chính của LTE ................................................................................................... 12
Hình1. 3 Các sơ đồ truy nhập trong LTE ............................................................................................... 13
Hình1. 4 Kiến trúc mạng LTE................................................................................................................ 14
Hình 2. 1 Kiến trúc 3GPP phát triển hướng tới cấu trúc mạng phẳng ....................................................16
Hình 2. 2 Kiến trúc hệ thống chỉ có E-UTRAN......................................................................................17
Hình 2. 3 Kết nối eNodeB tới các nút logic khác và các chức năng chính .............................................19
Hình 2. 4 Các kết nối MME với các nút logic khác và các chức năng chính..........................................20
Hình 2. 5 Các kết nói S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính..........................................20

Hình 2. 6 Các kết nối P-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính..........................................21
Hình 2. 7 Các kết nối PCRF với các nút logic khác và các chức năng chính .........................................21
Hình 2. 8 Máy phát đơn sóng mang ........................................................................................................23
Hình 2. 9 Nguyên tắc FDMA..................................................................................................................23
Hình 2. 10 Nguyên tắc đa sóng mang .....................................................................................................24
Hình 2. 11 Tính trực giao của các sóng mang.........................................................................................24
Hình 2. 12 Chuyển đổi từ nối tiếp sang song song OFDMA ..................................................................26
Hình 2. 13 Hiệu năng của kênh lên các tín hiệu có thời gian kí tự dài và ngắn ......................................26
Hình 2. 14 Thu và phát OFDMA ............................................................................................................27
Hình 2. 15 Tạo khoảng bảo vệ cho kí hiệu OFĐMA ..............................................................................27
Hình 2. 16 Phân bố các kí hiệu tham khảo trên các sóng mang con và các kí hiệu ................................28
Hình 2. 17 Đặc tính đường bao tín hiệu OFDMA...................................................................................29
Hình 2. 18 Các yêu cầu độ lùi khuếch đại công suất cho các sóng đầu vào khác nhau ..........................30
Hình 2. 19 Thu và phát SC-FDMA trong miền tần số ............................................................................31
Hình 2. 20 Điều chỉnh tốc độ dữ liệu trong hệ thống SC-FDMA ...........................................................31
Hình 2. 21 Ánh xạ nguồn trong SC-FDMA ............................................................................................33
Hình 2. 22 Đa truy nhập với sự chia sẻ tài nguyên trong miền tần số ....................................................33
Hình 2. 23 Nguyên tắc MIMO với cấu hình 2-2 anten ...........................................................................36
Hình 2. 24 Các kí hiệu tham chiếu OFDMA hỗ trợ truyền hai anten ở cùng một eNodeB ....................36
Hình 2. 25 Nguyên tắc đa người dùng với thiết bị chỉ có một anten phát...............................................37
Hình 3. 1 Kiến trúc giao thức vô tuyến LTE...........................................................................................38
Hình 3. 2 Các giao thức vô tuyến mặt phẳng điều khiển trong LTE.......................................................39
Hình 3. 3 Các giao thức vô tuyến mặt phẳng điều khiển trong LTE.......................................................40
Hình 3. 4 Các giao thức vô tuyến mặt phẳng người sử dụng trong LTE ................................................40
Hình 3. 5 Tổng quan cấu trúc MAC- phía UE ........................................................................................40
Hình 3. 6 Một số chức năng chính của lớp MAC ...................................................................................41
Hình 3. 7 Cấu trúc MAC PDU và các loại trọng tải trong các kênh DL-SCH và UL-SCH....................43
Hình 3. 8 Cấu trúc MAC PDU với đáp ứng nhập ngẫu nhiên.................................................................44
Hình 3. 9 Tổng quan cấu trúc lớp RLC...................................................................................................44
Hình 3. 10 Một số chức năng chính lớp RLC .........................................................................................45

Hình 3. 11 Chế độ trong suốt ..................................................................................................................46
Hình 3. 12 Chế độ không công nhận.......................................................................................................46
Hình 3. 13 Chế độ công nhận..................................................................................................................47
Hình 3. 14 Tổng quan cấu trúc lớp PDCP...............................................................................................48

       4 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
Hình 3. 15 Một số chức năng chính của lớp PDCP ................................................................................49
Hình 3. 16 Các chức năng của lớp PDCP ...............................................................................................49
Hình 3. 17 Các trạng thái RRC E-UTRAN và các sự chuyền đổi giữa các mạng 3GPP ........................51
Hình 3. 18 Kiến trúc kênh trong LTE .....................................................................................................52
Hình 3. 19 Sơ đồ ánh xạ các kênh đường xuống.....................................................................................52
Hình 3. 20 Sơ đồ ánh xạ các kênh đường lên..........................................................................................55
Hình 4. 1 Điều khiển phân bố nguồn tài nguyên đường lên tại eNodeB ...............................................58
Hình 4. 2 Cấu trúc khung FDD LTE.......................................................................................................59
Hình 4. 3 Tỉ lệ dữ liệu giữa các TTI ở hướng đường lên ........................................................................59
Hình 4. 4 Cấu trúc khe thời gian với tiền tố chu trình ngắn và mở rộng.................................................60
Hình 4. 5 Chuỗi mã hóa kênh PUSCH....................................................................................................60
Hình 4. 6 Ghép kênh giữa tín hiệu điều khiển và dữ liệu tại đường lên .................................................61
Hình 4. 7 Phân bổ tài nguyên đường xuống tại eNodeB.........................................................................62
Hình 4. 8 Cấu trúc khe thời gian cho các băng thông lớn hơn 1.4 MHz.................................................62
Hình 4. 9 Ví dụ chia sẻ nguồn tài nguyên đường xuống giữa hai kênh PDCCH và PDSCH .................63
Hình 4. 10 Chuỗi mã hóa kênh DL-SCH ................................................................................................64

Hình 4. 11 Quá trình tạo tín hiệu đường xuống ......................................................................................64
Hình 4. 12 Sơ đồ khối điều chế CAZAC ứng dụng cho CQI..................................................................67
Hình 4. 13 Nguyên tắc trải phổ khối áp dụng ACK/NACK với SF=4....................................................67
Hình 4. 14 Thủ tục yêu cầu định trình ....................................................................................................68
Hình 4. 15 Ánh xạ các khối tài nguyên logic của kênh PUCCH vào các khối tài nguyên vật lý............68
Hình 4. 16 Nguyên tắc điều chế dữ liệu và tín hiệu điều khiển ..............................................................69
Hình 4. 17 Các trường dữ liệu và tín hiệu điều khiển trên kênh PUSCH ...............................................70
Hình 4. 18 Truyền tín hiệu tham chiếu thăm dò kênh trong một khung .................................................72
Hình 4. 19 Ánh xạ các sóng mang con cho tín hiệu tham chiếu thăm dò kênh ......................................73
Hình 4. 20 Phân bổ tài nguyên kênh PDCCCH từ kênh PCFICH cho băng thông lớn hơn 1.4 MHz ....74
Hình 4. 21 Chuỗi mã hóa kênh PDCCH .................................................................................................77
Hình 4. 22 Vị trí của kênh PBCH ở tần số trung tâm..............................................................................77
Hình 4. 23 Các tín hiệu đồng bộ trong một khung..................................................................................78
Hình 4. 24 Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ ..............................................................80
Hình 4. 25 Nhiều tiến trình hybrid-ARQ song song ...............................................................................81
Hình 4. 26 Đề xuất đình thời đường lên..................................................................................................85
Hình 4. 27 Công suất đường lên LTE với tốc độ dữ liệu thay đổi ..........................................................86
Hình 4. 28 Việc nhân không liên tục (DRX) cho tìm gọi .......................................................................87
Hình 4. 29 Tổng quan của thủ truy cập ngẫu nhiên ................................................................................88
Hình 4. 30 Tín hiệu đồng bộ chính và phụ..............................................................................................90
Hình 4. 31 Thủ tục báo cáo thông tin trạng thái kênh.............................................................................91
Hình 5. 1 Quản lý di động ở trạng thái nghỉ và trạng thái kết nối RRC..................................................94
Hình 5. 2 Tổng quan về trạng thái nghỉ ..................................................................................................94
Hình 5. 3 Lý thuyết về vùng theo dõi......................................................................................................96
Hình 5. 4 Các thủ tục chuyển giao trong cùng một tần số ......................................................................97
Hình 5. 5 Chuyển mạch mặt phẳng người sử dụng trong chuyển giao ...................................................98
Hình 5. 6 Chuẩn bị chuyển giao..............................................................................................................99
Hình 5. 7 Thực hiện chuyển giao ............................................................................................................99

       5 


 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
Hình 5. 8 Hoàn thành chuyển giao..........................................................................................................99
Hình 5. 9 Tổng quát về thủ tục chuyển giao liên hệ thống ...................................................................102
Hình 5. 10 Tổng quan về cấu trúc giao thức mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển ở
eNodeB và ánh xạ các chức năng chính RRM vào các lớp khác nhau .................................................103
Hình 5. 11 Các chức năng lớp 2: định trình động, thích ứng đường truyền, quản lý HARQ................106
Hình 5. 12 Nguyên tắc định trình trong miền tần số .............................................................................107
Hình 5. 13 Độ lợi từ FDPS....................................................................................................................107
Hình 5. 14 Minh họa ba bước trong giải thuật định trinh gói ...............................................................109
Hình 5. 15 Đình trình gói trong miền tần số tính đến cả HARQ...........................................................109
Hình 5. 16 Tương tác giữa các chức năng RRM ở đuờng lên...............................................................110
Hình 5. 17 Chức năng thích ứng đường truyền lên dựa trên mã hóa và điều chế thích ứng nhanh ......111
Hình 5. 18 Chu kì DRX ........................................................................................................................113
Hình 5. 19 DRX dài và ngắn.................................................................................................................113
Hình 5. 20 Các trường hợp giải phóng kết nối RRC............................................................................114
Hình 6. 1 Samsung Craft- Chiếc điện thoại 4G sử dụng mạng LTE đầu tiên trên thế giới.................. 119
Hình 6. 2 Laptop X430 ....................................................................................................................... 119
Hình 6. 3 Ericsson phối hợp với Cục tần số Vô tuyến điện thử nghiệm công nghệ LTE tại Hà Nội... 120
Hình 6. 4 Trạm gốc LTE ...................................................................................................................... 121
Hình 6. 5 Hệ thống mạng lõi............................................................................................................... 121

       6 


 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 4. 1 Các định dạng PDCCH và kích thước của chúng...................................................................75
Bảng 5. 1 Các loại CQI và các dịch vụ tương ứng của nó ....................................................................105

       7 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G

LỜI MỞ ĐẦU
Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông
phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác. Sự phát triển
của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển
khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thế hệ
thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở
nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ
những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ thứ ba với các công nghệ tiêu biểu
như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ
liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng.
Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát
triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu
tiến hành triển khai thử nghiệm và ứng dụng một chuẩn di động thế hệ mới có rất
nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE
(Long Term Evolution). Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này đã chứng tỏ năng
lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần.
Trước đây, muốn truy cập dữ liệu, bạn phải cần có 1 đường dây cố định để kết nối.
Trong tương lai không xa với LTE, bạn có thể truy cập tất cả các dịch vụ mọi lúc
mọi nơi trong khi vẫn di chuyển: xem phim chất lượng cao HDTV, điện thoại thấy
hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu v.v… với một tốc độ “siêu
tốc”. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) và mạng di động
thế hệ thứ tư (4G). Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G
đang được kỳ vọng sẽ tạo ra nhiều thay đổi khác biệt so với những mạng di động
hiện nay.
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình
là:Mạng di động thế hệ 4G. Đề tài sẽ đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ LTE
cũng như là những kỹ thuật và thành phần được sử dụng trong công nghệ này để có
thể hiểu rõ thêm về những tiềm năng hấp dẫn mà công nghệ này sẽ mang lại.

       8 

 

                      
 



Mạng di động thế hệ 4G
Đề tài bao gồm 6 chương:
™ Chương 1 Giới thiệu: Trong chương này xin giới thiệu tổng quát về công
nghệ LTE và các dịch vụ ứng dụng của nó
™ Chương 2 Kiến trúc mạng và truy nhập vô tuyến trong LTE: Trong
chương này trình bày một số thay đổi quan trọng trong kiến trúc mạng và
vô tuyến của công nghệ LTE so với các công nghệ di động hiện nay, bao
gồm: SAE, OFDMA, SC-FDMA và MIMO
™ Chương 3 Các giao thức và kênh trong LTE: Trong chương này trình bày
ngắn gọn về các bộ giao thức vô tuyến trong LTE và các chức năng của
chúng
™ Chương 4 Lớp vật lý LTE : Chương này lớp vật lý của LTE sẽ được
trình bày, cơ bản dựa trên các lý thuyết về công nghệ OFDMA và SCFDMA được trình bày trong chương 2
™ Chương 5 Chuyển giao và quản lý tài nguyên vô tuyến trong LTE: Ở
chương này trong phần quản lý di động trình bày ngắn gọn về phần quản
lý di động ở trạng thái nghỉ và kĩ thuật chuyển giao trong LTE. Trong
phần quản lý tài nguyên vô tuyến là một số các công nghệ và thuật toán
nhằm nâng cao hiệu quả việc sử dụng tài nguyên vô tuyến trong LTE
™ Chương 6 Tình hình triển khai LTE trên thế giới và tại Việt Nam
Tuy nhiên do LTE là công nghệ vẫn đang được nghiên cứu, phát triển, hoàn
thiện và được ứng dụng rất hạn chế cũng như là do những giới hạn về kiến thức của
người trình bày nên luận văn này chưa đề cập được hết các vấn đề của công nghệ
LTE và không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến
của thầy cô và các bạn.
Học viên thực hiện

Nguyễn Việt Toàn

       9 


 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LTE
1.1 Thế hệ di động 3G và động lực phát triển công nghệ LTE
Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP đã đặt ra các yêu mới đối
với công nghệ viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công
nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch
kênh nên không thể đáp ứng được dịch vụ mới này. Nếu 1G (the first gerneration)
của điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ có khả năng truyền thoại. 2G
(the second generation) bao gồm cả hai công năng truyền thoại và dữ liệu giới hạn
dựa trên kỹ thuật số. Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT – 2000. IMT – 2000 đã mở
rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện
thông tin. Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng
thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai
(2G) vào những năm 2000. 3G mang lại cho người dùng các dịch vụ giá trị gia tăng
cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail và tin
nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao. Các ứng
dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ
điện thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin
video và MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay và nhắn tin
dạng chữ với chất lượng cao…
Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, dung lượng của hệ thống lớn, tăng
hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Có một loạt các chuẩn công nghệ

di động 3G tất cả đều dựa trên CDMA bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD),
CDMA 2000 và TD-CDMA. Đến nay thì dung lượng các mạng 3G và 3.5G vẫn đủ
cho yêu cầu về băng thông của các ứng dụng và số lượng người dùng hiện có.
Nhưng trong tương lai không xa một số xu hướng sẽ làm tăng yêu cầu về băng
thông:
• Mức độ sử dụng mạng không dây ngày càng tăng: do giá thành ngày càng
hạ, ngày càng có nhiều người sử dụng các ứng dụng không dây cần truy
nhập mạng

       10 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
• Nội dung đa phương tiện: tuy những nỗ lực đầu tiên di động hóa Web chỉ
đạt được các trang Web chủ yếu là văn bản nhưng nội dung đồ họa ngày
càng trở nên phổ biến hơn. Việc tải xuống âm nhạc và phim ảnh cũng
đang trở nên phổ biến hơn làm tăng hơn nữa về băng thông.
• Các mạng xã hội di động: Ngày nay thì các blog, các trang mạng xã hội
như facebook, twitter… chia sẻ hình ảnh ngày càng được cộng đồng mạng
sử dụng nhiều chỉa sẻ mọi lúc mọi nơi.
Công tác nghiên cứu Long Term Evolution (LTE) được bắt đầu vào năm 2004
với việc định ra các mục tiêu cho sự phát triển LTE.Phải mất hơn 5 năm để chuyển
từ việc thiết lập các mục tiêu hệ thống thành việc triển khai các hệ thống thương
mại bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn tương thích. Vì thế, việc chuẩn hóa các hệ
thống cần phải được bắt đầu sớm đủ để sẵn sàng vào thời gian cần là có ngay. Một

vài động lực có thể được xác định cho việc cần thiết phải phát triển LTE: sự cải tiến
về dung lượng của các mạng cố định, sự cần thiết phải gia tăng khả năng của mạng
di động, sự cần thiết phải phân phối chi phí thấp hơn cho các dịch vụ dữ liệu di
động và sự cạnh tranh của các công nghệ không dây khác. Vì các mạng cố định duy
trì sự phát triển các công nghệ mới nên một sự phát triển tương tự cũng phải được
yêu cầu trong lĩnh vực mạng di động để đảm bảo rằng các ứng dụng sẽ hoạt động
trôi chảy trong lĩnh vực mạng di động.Các công nghệ của 3GPP (3rd Generation
Partnership Project) phải đạt được ít nhất là bằng và tiến bộ hơn các đối thủ cạnh
tranh. Việc tăng thêm dung lượng là một yêu cầu rõ ràng cho việc sử dụng tối đa
hiệu quả phổ tần số sẵn có hiện nay. Các lý do này được tổng kết trong hình 1.1
LTE phải có khả năng mang lại hiệu năng vượt trội so với các mạng hiện có của
3GPP dựa trên công nghệ High Speed Packet Access (HSPA).Thông lượng người
sử dụng cao nhất đạt tối thiểu 100 Mbps cho đường xuống và 50 Mbps cho đường
lên như vậy là gấp 10 lần so với HSPA Release 6.Độ trễ cũng phải được giảm
xuống để nâng cao hiệu năng của người sử dụng. Sự tiêu hao công suất ở thiết bị
đầu cuối cũng phải giảm đến mức tối thiểu để cho phép người dùng có khả năng sử
dụng thêm các ứng dụng đa phương tiện mà không phải xạc lại pin.Các mục tiêu
chính được thể hiện trong hình 1.2 và được liệt kê dưới đây:
       11 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
9 Hiệu suất phổ tần gấp 2-4 lần so với HSPA Release 6
9 Tốc độ đỉnh vượt quá 100 Mbps đường xuống và 50 Mbps đường lên
9 Thời gian trễ nhỏ hơn 10ms

9 Tối ưu hóa miền chuyển mạch gói
9 Nâng cao khả năng bảo mật và di động
9 Tối ưu hóa hiệu suất sử dụng công suất ở thiết bị đầu cuối
9 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

Hình1. 1 Động lực cho phát triển LTE

Hình1. 2 Các mục tiêu chính của LTE
1.2 Tổng quan về LTE
LTE sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
(OFDMA-Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho đường xuống và
công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SCFDMA-Single
Carrier Frequency Division Multiple Access) cho đường lên. Các công nghệ đa truy
nhập này cung cấp sự trực giao giữa các người sử dụng nhằm giảm bớt nhiễu và
tăng dung lượng của mạng.Việc ấn định tài nguyên trong miền tần số diễn ra với độ
phân giải là 180 kHz cho một khối tài nguyên ở cả đường lên và đường xuống.Việc
       12 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
cấp phát tài nguyên vô tuyến cho một thuê bao ở đường lên là liên tục điều này cho
phép truyền dẫn đơn sóng mang trong khi ở đường xuống việc sử dụng các khối tài
nguyên một cách tự do các phần khác nhau của phổ tần số. Giải pháp đơn sóng
mang ở đường lên cũng được thiết kế để cho phép thiết kế hiệu quả bộ khuếch đại

công suất hiệu quả ở các thiết bị đầu cuối, điều này có liên quan đến tuổi thọ của pin
của các thiết bị đầu cuối. LTE cho phép sử dụng băng thông linh hoạt, nơi băng
thông truyền dẫn có thể được chọn trong khoảng từ 1,4 MHz đến 20 MHz phụ
thuộc vào phổ tần số hiện có của các nhà mạng di động. Với băng thông 20 MHz có
thể cung cấp tốc độ tải dữ liệu tới 150 Mbps đường xuống với 2x2 MIMO và 300
Mbps với 4x4 MIMO. Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên là 75 Mbps. Các sơ đồ đa truy
nhập được minh họa trong hình 1.3

Hình1. 3 Các sơ đồ truy nhập trong LTE
Dung lượng mạng lớn cũng đòi hỏi một kiến trúc mạng hiệu quả ngoài những
tính năng nâng cao về vô tuyến.Các mục tiêu trong 3GPP Release 8 là để cải thiện
khả năng mở rộng mạng cho việc tăng lưu lượng và để giảm thiểu độ trễ giữa các
thiết bị đầu cuối bằng cách giảm các số lượng phần tử trong mạng. Tất cả các giao
thức vô tuyến, quản lý di động, nén tiêu đề và sự truyền lại các gói dữ liệu đều được
đặt tại trạm gốc và được gọi là eNodeB.eNodeB bao gồm tất cả các thuật toán được
đặt tại bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC-Radio Network Controller) trong kiến
trúc 3GPP Release 6. Mạng lõi cũng đươc sắp xếp tổ chức một cách hợp lý bằng
cách phân chia thành mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển.Phần tử
quản lý di động (MME-Mobility Management Entity) chỉ nằm trong mặt phẳng điều

       13 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
khiển trong khi trong mặt phẳng người dùng dữ liệu không đi qua MME mà đi trực

tiếp tới SAE-GW (System Architecture Evolution Gateway), điều này làm giảm
thiểu độ trễ giữa các thiết bị đầu cuối. Sự phát triển kiến trúc hệ thống được minh
họa như trong hình 1.4

Hình1. 4 Kiến trúc mạng LTE
1.3 Các dịch vụ trong LTE
Thông qua sự kết hợp của tốc độ truyền dẫn đường xuống (và đường lên) cao,
linh hoạt hơn trong sử dụng băng thông, hiệu quả sử dụng phổ tần, và độ trễ dữ liệu
được giảm xuống, LTE hứa hẹn sẽ tăng cường cung cấp các dịch vụ di động băng
rộng trong khi lại tăng thêm được sự thú vị trong các dịch vụ gia tăng mới.
Với sự mong chờ thông lượng sẽ vượt quá 100 Mbps và độ trễ nhỏ hơn 10ms, LTE
sẽ cung cấp cho các thuê bao những dịch vụ có chất lượng tương đương với các
công nghệ xDSL và kết nối qua cáp.Ngoài ra, LTE còn phá vỡ ranh giới giữa
“home và outside”, nghĩa là ứng dụng có thể được chia sẻ giữa các máy tính trong
nhà và bên ngoài nhà
Thêm vào đó bởi vì chí phí cho mỗi bit trong LTE là thấp nên một số ứng dụng
tiêu tốn rất nhiều dữ liệu đôi khi lên đến hàng gigabyte nay có thể được sử dụng
trong môi trường điện thoại di động
       14 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
Các video có độ nét cao (HD-High Definition) có thể được ứng dụng trong LTE,
nhờ tốc độ dữ liệu tăng lên tạo điều kiện cho người sử dụng có khả năng xem được
các bộ phim bom tấn mới nhất ở máy tích xách tay của họ trên đường đi làm là một

ví dụ điển hình.Tốc độ dữ liệu đường lên tăng lên công nghệ LTE cũng cho phép sử
dụng dịch vụ “Video Blogging” hoặc có khả năng tải các nội dung video lên các
trang web mạng xã hội
Đối với các khách hàng là các doanh nghiệp, công nghệ LTE cho phép truyền tải
các file có dung lượng lớn với tốc độ cao, ngoài ra nó còn có thể cung cập các cuộc
hội nghị truyền hình chất lượng cao và sự truy nhập an toàn cho các thành viên
trong doanh nghiệp
Nhờ công nghệ LTE mà các đặc tính “Web 2.0” ngày nay lần đầu tiên được ứng
dụng vào môi trường điện thoại di động.Cùng với sự bảo đảm an toàn cho thương
mại điện tử, điều này cũng cho phép ứng dụng các dịch vụ thời gian thực chia sẻ
ngang hàng như chơi game trực tiếp trên điện thoại di động và chia sẻ file

       15 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN
TRONG LTE
2.1 Sự phát triển của kiến trúc hệ thống (SAE-System Architecture Evolution)
Khi bắt đầu quá trình phát triển giao diện vô tuyến cũng chính là lúc kiến trúc hệ
thống cũng cần phải phát triển để nâng cao hiệu năng của mạng.Rất nhiều mục tiêu
cần đạt được trong LTE dẫn chúng ta đến cần phải phát triển một cấu trúc mạng
phẳng.Kiến trúc phẳng với ít các nút liên quan đến quá trình trao đổi dữ liệu làm
giảm thời gian trễ và tăng hiệu năng của mạng. Sự phát triển theo hướng này đã

được bắt đầu trong Release 7, trong Release 7 lý thuyết đường hầm cho phép dữ
liệu trong mặt phẳng người sử dụng bỏ qua SGSN đi trực tiếp đến GGSN và tại
NodeB có thể bao gồm tất cả các chức năng của RNC. Hình 2.1 cho ta chúng ta
thấy các bước phát triển cấu trúc phẳng.

Hình 2. 1 Kiến trúc 3GPP phát triển hướng tới cấu trúc mạng phẳng
Hình 2.2 miêu tả cấu trúc mạng và các thành phần mạng trong cấu hình kiến
trúc mạng cơ bản chỉ liên quan đến mạng truy nhập E-UTRAN.Các nút logic và các
kết nối trong hình 2.2 biểu diễn cấu hình kiến trúc cơ bản của hệ thống. Các cấu
hình kiến trúc hệ thống mạng khác với một số chức năng khác được thêm vào tài
liệu này xin được không đề cập đến
Hình 2.2 đã chia cấu trúc mạng thành bốn miền riêng biệt: thiết bị người dùng
(User Equipment -UE), UTRAN phát triển (Evoled UTRAN-EUTRAN), mạng lõi
       16 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
gói phát triển (Evolved Packet Core Network-EPC) và miền dịch vụ (Service
domain)

Hình 2. 2 Kiến trúc hệ thống chỉ có E-UTRAN
Các miền ở kiến trúc mức cao này có chức năng tương đương với các thành
phần có trong các hệ thống hiện nay của 3GPP. Sự phát triển kiến trúc mới được
giới hạn trong phần mạng vô tuyến và mạng lõi tương ứng với EUTRAN và
EPC.Các miền dịch vụ và thiết bị người sử dụng còn nguyên vẹn kiến trúc nhưng sự

phát triển các chức năng trong các miền này đang được tiếp tục trong các vùng này
Sự phát triển trong miền EUTRAN tập chung vào một nút – eNodeB
(evolved NodeB). Tất cả các chức năng vô tuyến đều tập trung tại eNodeB hay nói
cách khác eNodeB là điểm kết thúc của mọi giao thức liên quan đến vô tuyến.
EUTRAN đơn giản chỉ là một mạng bao gồm một mạng lưới các eNodeB kết nối
với nhau thông qua giao diện X2.
Một thay đổi lớn trong kiến trúc mạng lõi đó là EPC không bao gồm miền
chuyển mạch kênh và không có một kết nối trực tiếp đến các mạng chuyển mạch

       17 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
kênh truyền thống như ISDN và PSTN.Chức năng của EPC tương đương với miền
chuyển mạch gói của các mạng 3GPP hiện nay.
Các phần tử logic trong cấu hình kiến trúc hệ thống cơ bản
¾ Thiết bị người sử dụng
UE là thiết bị người sử dụng dùng để trao đổi thông tin với nhau.Thông thường
nó là một thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc thẻ dữ liệu hay cũng
có thể là một chiếc máy tính xách tay. UE bao gồm modul nhận dạng thuê bao
toàn cầu (Uniserval Subcriber Identify Module-USIM) tách biệt với phần còn lại
của UE, phần mà người ta thường hay gọi là thiết bị đầu cuối (Terminal
Equipment-TE).USIM là một thẻ thông minh có thể tháo rời được, người ta có
thể cài các ứng dụng vào nó- hay còn được gọi là thẻ vi mạch toàn cầu (Uniserval
Integrated Circuit Card-UICC).USIM được dùng để nhận dạng và xác thực người

sử dụng, chứa các mã bảo mật để bảo vệ việc truyền dẫn giao thức vô tuyến.
¾ eNodeB
eNodeB bao gồm các chức năng chính sau:
-

Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến: điều khiển sóng mang vô tuyến, điều
khiển truy nhập kết nối vô tuyến, điều khiển kết nối di động, phân bổ linh hoạt
nguồn tài nguyên cho thuê bao ở cả đường lên và đường xuống (định trình)

-

Nén tiêu đề IP và mã hóa dữ liệu người sử dụng

-

Định tuyến dữ liệu trong mặt phẳng người dụng đến Serving Gateway

-

Định trình và truyền các bản tin tìm gọi

-

Định trình và truyền các thông tin quảng bá

-

Đo lường và báo cáo các kết quả đo lường cho sự di động và định trình

-


Định trình và truyền các bản tin ETWS

-

Lựa chọn MME và các UE kèm theo khi không có một đường đi đến MME có
thể được xác định từ các thông tin do UE cung cấp

       18 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G

Hình 2. 3 Kết nối eNodeB tới các nút logic khác và các chức năng chính
¾ Phần tử quản lý di động (Mobility Management Entity-MME)
-

Báo hiệu NAS

-

Bảo mật báo hiệu NAS

-


Điều khiển bảo mật AS

-

Báo hiệu giữa các nút trong các mạng lõi cho việc di chuyển giữa các mạng
truy nhập 3GPP

-

Theo dõi UE ở chế độ nghỉ

-

Quản lý danh sách vùng theo dõi

-

Lựa chọn Serving GW và PDN GW

-

Lựa chọn MME cho quá trình chuyển giao có thay đổi MME

-

Lựa chọn SGSN cho quá trình chuyển giao tới các mạng truy nhập 2G và 3G
của 3GPP

-


Chuyển vùng

-

Xác thực

-

Có các chức năng quản lý sóng mang bao gồm cả việc thiết lập các sóng mang
riêng biệt

-

Hỗ trợ truyền các bản tin ETWS

       19 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G

Hình 2. 4 Các kết nối MME với các nút logic khác và các chức năng chính
¾ Serving GateWay
-

Neo điểm di động nội vùng cho chuyển giao liên eNodeB


-

Ngăn xen theo luật

-

Chuyển tiếp và định tuyến các gói dữ liệu

-

Đánh dấu mức vận chuyển gói ở đường lên và đường xuống

-

S-GW có vai trò rất nhỏ trong các chức năng điều khiển. Nó chỉ chịu trách
nhiệm về các nguồn tài nguyên của chính nó và chịu trách nhiệm phân bổ
chúng theo các yêu cầu từ MME, P-GW hay PCRF

-

S-GW cũng sẽ theo dõi dữ liệu trong các đường hầm và thu thập các dữ liệu
cần thiết phục vụ cho việc tính cước các thuê bao.

Hình 2. 5 Các kết nói S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính

       20 

 


                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
¾ Packet Data Network Gateway

Hình 2. 6 Các kết nối P-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính
-

P-GW là một router biên giữa EPS và các mạng dữ liệu gói bên ngoài

-

Nó đóng vai trò là mobility anchor mức cao nhất trong hệ thống

-

P-GW thực hiện chức năng chọn và lọc dữ liệu theo yêu cầu của các dịch vụ

-

Thực hiện việc ấn định địa chỉ IP cho UE

-

Ngăn xen theo luật

-


Theo dõi các dòng dữ liệu phục vụ cho mục đích tính cước

-

Duy trì tốc độ đường xuống dựa trên APN-AMBR

¾ Policy and Charging Resource Function-PCRF

Hình 2. 7 Các kết nối PCRF với các nút logic khác và các chức năng chính

       21 

 

                      
 


Mạng di động thế hệ 4G
-

PCRF là thành phần mạng chịu trách nhiệm về điều khiển tính cước và các
chính sách.

-

Nó quyết định về cách xử lý các dịch vụ dựa trên QoS

-


Đồng thời nó cũng cung cấp thông tin cho PCEF ở P-GW và BBERF ở S-GW
để thiết lập các chính sách và các sóng mang phù hợp

¾ Home Subscription Server-HSS
-

HSS là nguồn dữ liệu về các thuê bao đang hoạt động trong mạng

-

HSS lưu trữ các dữ liệu về thuê bao, bao gồm các thông tin về các dịch vụ mà
thuê bao có thể được sử dụng khi hoạt động trong mạng

-

HSS lưu trữ các mã cố định để tính toán các vector chứng thực và các mã để
mã hóa, bảo vệ tính toàn vẹn dữ liệu tại trung tâm xác thực (Authentication
Center-AuC)

-

Tất cả các báo hiệu liên quan đến các chức năng trên, HSS đều phải kết nối
tương tác với MME. Vì thế HSS cần phải có khả năng kết nối được tới tất cả
các MME trong toàn mạng.

2.2 Công nghệ đa truy nhập trong LTE
2.2.1 Khái quát công nghệ đa truy nhập trong LTE
Như đã trình bày trong chương 1, các công nghệ đa truy nhập trong LTE khác
so với công nghệ đa truy nhập trong WCDMA. Trong LTE, đường xuống sử dụng
công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và đường lên sử

dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA).
Trong phần này sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản về hai công nghệ truy nhập
này.Những kiến thức về hai công nghệ OFDMA và SC-FDMA trong phần này sẽ
được trình bày mà không thiên quá nhiều về các kiến thức toán học
Truyền dẫn đơn sóng mang có nghĩa là thông tin được điều chế chỉ trên một
sóng mang, trong đó biên độ hoặc pha của sóng mang được điều chỉnh hoặc cả hai
thành phần cả hai đều được điều chỉnh.Tần số cũng có thể được điều chỉnh nhưng
nó không mang lại không hiệu quả trong LTE.Tốc độ dữ liệu tăng lên thì tốc độ kí
hiệu trong hệ thống số cũng phải tăng lên, vì thế yêu cầu về băng thông cũng cần
phải lớn hơn. Với việc sử dụng phương pháp điều chế biên bộ cầu phương (QAM-

       22