ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE
TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI

1


MỤC LỤC

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU

BẢNG 2-1: BẢNG SO SÁNH GIỮA 3G VÀ 4G......................................................
9
BẢNG 2-3: TỐC ĐỘ ĐỈNH DỰA THEO TIÊU CHUẨN TỪNG LỚP.................
10
BÀNG 2-4: SỐ KHỐI TÀI NGUYÊN THEO BĂNG THÔNG
KÊNH TRUYỀN........................................................................................................
14
BẢNG 3-1: BẢNG HƯỚNG TRUYỀN LÊN VỚI TỐC ĐỘ 64KBPS...................
26
BẢNG 3-2: BẢNG HƯỚNG TRUYỀN XUỐNG VỚI TỐC ĐỘ 1MBPS..............
27

BẢNG 4-1: BẢNG THÔNG SỐ TÍNH BÁN KÍNH CELL THEO MÔ HÌNH
WALFISH-IKEGAMI...............................................................................................
28

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
1G

First Generation

Thế hệ thứ nhất

2G

Second Generation

Thế hệ thứ hai

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

3GPP

3rd Generation Partnership Project


Đề án các đối tác thế hệ thứ
ba

4G

Fourth Generation

Thế hệ thứ tư

5G

Five Generation

Thế hệ thứ năm

BS

Base Station

Trạm phát

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
mã

E-UTRAN
FDMA


Enhanced Universal Terrestrial Radio

Mạng truy cập vô tuyến mặt

Access NetWork

đất toàn cầu tăng cường

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
tần số

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động

Communications

toàn cầu


High Speed Downlink Packet Access

Truy nhập gói đường xuống

HSDPA

tốc độ cao
HSS

Home Subriber Server

Nơi lưu trữ dữ liệu

HSPA

High Speed Packet Acess

Truy nhập gói tốc độ cao

HSUPA

High Speed Uplink Packet Access

Truy nhập gói đường lên
tốc độ cao

IEEE

Institude of Electrical and


Viện kỹ nghệ Điện và Điện

5


Electronics Engineers

tử

International Mobile

Thông tin di động quốc tế

Telecommunications 2000

2000

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ITU

International Telecommunications

Liên minh Viễn thông

Union


quốc tế

Internet Protocol Multimedia

Hệ thống IP đa phương tiện

IMT- 2000

IP-MS

Subsystem
LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn

MIMO

Multiple Input Multiple

Đa ngõ vào đa ngõ ra

MME

Mobility Management Entity Output

Quản lý thực thể đầu ra


MS

Mobile Station

Trạm di động

MU-MIMO Multiple User - Multiple Input

Đa người dùng ngõ

Multiple Output

vào đa ngõ ra

OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo

OFDMA

Division Multiple

tần số trực giao

Orthogonal Frequency

Đa truy nhập phân chia


Division Multiple Access

theo tần số trực giao

PCRF

Policy Charging Rules Function

Quy tắc nạp hệ thống

QPSK

Quadratue Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

RNC

Radio Network Controler

Điều khiển mạng vô tuyến

SMS


Short Message Services

Dịch vụ tin nhắn ngắn

SC-FDMA

Single Carrier Frequency

Đa truy cập phân chia đơn

Division Multiple Acess

sóng mang

SISO

Single Input Single Output

Một ngõ vào một ngõ ra

SU-MIMO

Single User- Multiple Input

Một người dùng-Đa ngõ vào

Multiple Output

đa ngõ ra


Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo

TDMA

6


thời gian
TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia theo
thời gian

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng

UMTS

Universal Mobile

Hệ thống viễn thông di động

Telecommunications System


toàn cầu

Wideband Code Division

Đa truy nhập phân chia theo

Multiple Access

mã băng rộng

WCDMA

7


MỞ ĐẦU
 Giới thiệu đề tài
Với tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật chóng mặt như hiện nay. Việc phát triển hệ
thống thông tin di động càng được chú trọng , đẩy nhanh giúp cuộc sống con người
trở nên tiện lợi mọi người có thể liên lạc với nhau từ khắp nơi trên thế giới, bất cứ
nơi nào, bất cứ khi nào.
Bắt đầu với 1G với những cuộc gọi thoại đơn giản nhưng chất lượng cực kém thời
đó không lâu sau đó tiến đến 2G với tên gọi GSM cho chất lượng cuộc gọi thoại tốt
hơn và có thể nhắn tin SMS. Trước khi phát triển lên 3G, 2G trải qua thêm vài giai
đoạn phát triển như là GPRS, EDGE với mục đích đưa dịch vụ truyền dữ liệu vào
hệ thống di động nhưng thời điểm đó tốc độ rất chậm và chi phí sử dụng đắt và thiết
bị hỗ trợ chưa nhiều. Sau khi phát triển các giai đoạn tiền đề trước 3G rồi đến năm
2005, mạng di động thế hệ thứ 3 được giới thiệu và phát triển ở nhiều nơi đem đến
các dịch vụ data tốc độ nhanh hơn và các thiết bị hỗ trợ cũng nhiều hơn, một số dịch

vụ mới như video call, hội thoại qua ứng dụngv.v…. Năm 2009 công nghệ 4G
được giới thiệu với mong muốn nó là một cuộc cách mạng về truyền dữ liệu di động
với tốc độ cực nhanh, băng thông cực rộng. Năm 2014, 4G đã được triển khai ở
nhiều nơi trên thế giới cho tốc độ truyền cực nhanh thậm chí nhanh hơn cả cáp
quang vào thời điểm đó. Đến nay 4G đã có mặt rất nhiều nước trên thế giới, ở mỗi
nước có băng tần khác nhau nên tốc độ truyền nhanh chậm khác nhau nhưng tốc độ
4G đã cái thiện rất nhiều so với công nghệ 3G đến 4G hiện tại và chúng ta chuẩn bị
bước vào cách mạng 5G. 5G đang được thử nghiệm ở Hàn Quốc.
Hiện tại, mạng di động 4G LTE đang được phát triển mạnh nhất với mức độ phủ
sóng gần như toàn cầu ở những nước đã phát triển và đang phát triển. 4G được xem
như một cuộc cách mạng về truyền dẫn không dây di động. Nó cho chất lượng dịch
vụ tốt hơn, băng thông rộng hơn, tốc độ nhanh hơn, bảo mật cao hơn và có thể tận

8


dụng băng tần cũ để phát triển lên giúp việc phát triển cơ sở hạ tầng nhanh hơn, tiết
kiệm hơn.
Khái niệm 4G, 4G là thể hệ mạng di động thứ 4 khắc phục những hạn chế còn tồn
tại của mạng 3G. 4G thể hiện ý tưởng và hy vọng của các nhà nghiên cứu ở các
trường đại học, các hãng sản xuất như Qualcomm, Nokia, NTT Docomo, Motorola
và những công ty viễn thông khác với mong muốn có thể tạo ra công nghệ có thể
đáp ứng các dịch vụ không dây mà 3G vẫn chưa thể làm được
Ở Việt Nam hiện nay, các nhà mạng tại Việt Nam đang dần phổ cập mạng 4G đến
với mọi người dân, việc triển khai mạng 4G vô cùng nhanh chóng.
 Hướng nghiên cứu
Có nhiều mô hình truyền trong không gian nhưng trong bài báo cáo này sẽ lựa chọn
mô hình Walfish-Ikegami để mô phỏng, tính toán quỹ đường truyền và dung lượng
hệ thống vì đây là mô hình tính toán sát với thực tế trong việc quy hoạch các đô thị
thành phố lớn

Với mô hình này ta có thể tính toán suy hao không gian, suy hao do vật chắn và suy
hao do tán xạ trong quá trình truyền.
Kết hợp với kỹ thuật MIMO để giúp hiệu suất hệ thống truyền tốt hơn và nhanh hơn
 Cấu trúc bài báo cáo:
- Chương 1: Quá trình hình thành thông tin di động
- Chương 2: Mạng 4G LTE
- Chương 3: Quy hoạch tối ưu dung lượng 4G LTE trong mô hình
Walfish-Ikegami
- Chương 4: Kết quả và nhận xét
- Chương 5: Kết Luận
- Tài liệu tham khảo

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/47

CHƯƠNG 1.

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu
Thông tin di động là một trong những lĩnh vực quan trọng và là xu thế phát triển
của các quốc gia trên toàn thế giới. Hiện tại, ở Hàn Quốc đã và đang nghiên cứu
phát triển hệ thống mạng di động thế hệ thứ 5 được gọi là 5G. Ở nước ta đã và đang
nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng viễn thông từ 3G lên 4G ở cả 3 nhà mạng trong nước

Hình 1-1: Sự phát triển từ 1G đến 4G [10]


1.2 Mạng thông tin đi động 1G, 2G, 3G, 4G
1.2.1

Mạng 1G

1G là mạng không dây cơ bản đầu tiên, được giới thiệu vào những năm 1980, chủ
yếu phục vụ cho thoại, mạng di động thế hệ thứ nhất sử dụng công nghệ tương tự và
đa truy cập phân chia theo tần số FDMA. Các điện thoại di động đầu tiên có kích
thước khá to, thô và cồng kềnh.

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/47

Hình 1-2: Điện thoại di động 1G[10]

Với thế hệ mạng di động đầu tiên việc có nhiều nhược điểm là điều khó tránh khỏi:
−
−
−
−
−

Dung lượng nhỏ
Gây nhiều nhiễu
Bảo mật kém
Chất lượng chất, vùng phủ sóng hẹp
Cơ sở hạ tầng kém

1.2.2

Mạng 2G

Là sự thay đổi to lớn so với 1G. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín
hiệu tương tự của thế hệ 1G. Mạng 2G mang tới 3 lợi ích: mã hóa dữ liệu dạng kỹ
thuật số, phạm vi kết nối rộng và đặc biệt là sự xuất hiện tin nhắn dạng văn bản đơn
giản SMS.
2G sử dụng kỹ thuật truy cập phân chia theo thời gian TDMA đầu tiên trên thế giới
và đa truy cập phân chia theo mã CDMA. Mạng 2G có tên gọi là GSM

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/47

Hình 1-3: Điện thoại di động 2G[10]

Ưu điểm: thoại tốt hơn ít nhiễu, bảo mật tốt hơn so với 1G và đặc biệt là có SMS
Nhược điểm: tuy đã hỗ trợ dịch vụ số liệu nhưng vẫn còn rất hạn chế, không thể xử
lý các dữ liệu phức tạp.
1.2.3

Mạng 3G

Là thế hệ mạng di đống thứ ba với tên gọi là 3G. Nó cho phép người dùng di động
truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn
nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clip, vieocall, MMS)


Hình 1-4: Điện thoại di động 3G[10]

Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như một chuẩn IMT - 2000 của tổ chức viễn
thông thế giới (ITU), các hệ thống riêng biệt của 3G:
 UMTS dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung
thích hợp vói các nhà khai thác dịch vụ di động sử dụng GSM. UMTS được tiêu
chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP.
 CDMA 2000:
− Là thế hệ tiếp theo của các chuẩn 2G CDMA và IS-95, CDMA 2000 được
quản lý bởi 3GPP2 và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/47

sử dụng trong CDMA 2000 bao gồm 1xRTT, CDMA 2000-1xEV-DO và
1xEV-DV.
− CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liệu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s. Chuẩn
này đã được chấp nhận bởi ITU.
Ưu điểm: bảo mật tốt, dung lượng lớn, hỗ trợ thoại và dữ liệu tốt hơn, dịch vụ đa
phương tiện được mở rộng.
Nhược điểm:đòi hỏi băng thông cực rộng, chi phí cao vận hành và phát triển hệ
thống cao. Thiết bị hỗ trợ còn đắt
1.2.4

Mạng 4G

4G là công nghệ truyền thông không giây thế hệ thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu

với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1-1.5 Gbit/s.
Công nghệ 4G được mong đợi như một cuộc cách mạng về công nghệ truyền dữ
liệu không giây. Các nghiên cứu cho thấy điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc
độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cho phép người sử dụng
có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video chất lượng cao với tốc độ cực nhanh.

Hình 1-5 Thiết bị sử dụng mạng 4G[2]

 Mục tiêu của 4G:
- Tốc độ 100 Mbit/s cho vùng rộng và 1 Gbit/s cho vùng hẹp.
- Kết nối mạng hoàn toàn là IP.
- Thông tin rộng lớn và liên tục ngay cả khi di chuyển.
- Độ trễ thấp hơn 3G.
- Trễ kết nối thấp hơn 500 ms.

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/47

-

Trễ truyền dẫn thấp hơn 5ms.
Giá thành thấp hơn thế hệ trước.

Hình 1-6: Sự phát triển từ 3G lên 4G[6]

LTE là công nghệ được chuẩn hóa bởi 3GPP.
LTE dùng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Lợi thế của LTE là phát triển từ
hạ tầng của GSM, 3G có sẵn,
Ưu điểm: dung lượng lớn, tốc độ cao hơn nhiều so với 3G, phục vụ mọi lúc mọi
nơi.
Nhược điểm: tiêu hao pin của thiết bị nhanh, đòi hỏi thiết bị hiện đại.
Bảng 1-1: Các đặc tính của 1G, 2G, 3G, 4G

Tên
Thời gian ra
đời
Hệ thống
Truy cập vô
tuyến
Loại chuyển
mạch
Tốc độ dữ liệu
Đặc tính

1G
First
Generation
1980s

2G
Second
Generation
1993

3G
Third

Generation
2001

4G
Fourth
Generation
2009

AMPS, NMT,
TACS
FDMA

GSM, IS-95

UMTS,
CDMA2000
W-CDMA

LTE, WiMAX

Gói

Gói

2 Mbps
Tăng tốc độ

100 Mbps
Tốc độ cao


Kênh
2.4 Kbps
Giao tiếp
không dây đầu
tiên

TDMA,
CDMA
Kênh + gói
14.4 Kbps
Công nghệ số

OFDMA

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/47

CHƯƠNG 2.

TIẾP MẠNG 4G LTE

2.1 Các thông số và đặc tính cơ bản của mạng 4G LTE
Hệ thống LTE phát triển trên nền tảng GSM/UTMS là một trong những công nghệ
tiềm năng nhất cho công nghệ 4G. Hệ thống sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào
mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA
Thêm vào đó, FDD và TDD bán xong công FDD cho phép các UE có giá thành
thấp. Không giống như TDD, bán song công FDD không yêu cầu thu và phát tại

cùng thời điểm. Điều này làm giảm giá thành cho bộ song công trong UE. Truy cập
tuyến lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang cho phép tăng
vùng phủ tuyến lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp PAPR so
với OFDMA.đến đích.
2.1.1

Các thông số vật lý trong 4G LTE

 Hoạt động ở băng tần: 700 MHz-2,6GHz.
 Tốcđộ:
- DL: 100Mbps( ở BW 20MHz)
- UL: 50 Mbps với 2 anten thu một anten phát.
 Độ trễ : nhỏ hơn 5ms
 Độ rộng BW linh hoạt : 1,4MHz; 3MHz; 5MHz; 10MHz; 15MHz;20MHz. Hỗ
trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không.
 Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15 km/h nhưng vẫn hoạt động tốt
với tốc độ di chuyển từ 15-120 km/h, có thể lên đến 500 km/h tùy băng tần.
 Phổ tần số:
- Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
- Độ phủ sóng từ 5-100 km
- Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5 Mhz.
- Chất lượng dịch vụ
- Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS.

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/47


-

VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng

-

UTMS
Ghép kênh không gian: 1 lớp cho UL/UE. Lên đến 4 lớp cho DL/UE. Sử
dụng MU-MIMO cho UL và DL
2.1.2

So sánh giữa cấu trúc 3G UMTS và 4G LTE

Mục đích chính của mạng 4G LTE là tối thiểu quá số Node. Nên người ta đã phát
triển một cấu trúc đơn Node. Trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong mạng truy
nhập vô tuyến WCDMA/HSPA vì vậy được gọi là eNodeB. Những eNodeB có tất
cả các chức năng cần thiết cho mạng truy nhập vô tuyến LTE, kể cả chức năng quản
lý tài nguyên vô tuyến.
Mạng truy cập vô tuyến RAN trong mạng truy nhập vô tuyến LTE được gọi là EUTRAN và một trong những đặc điểm chính 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. Phương
pháp này làm tăng hiệu suất phổ, làm cho dung lượng hệ thống trở nên cao hơn, tích
hợp cao hơn giữa những dịch vụ đa phương tiện và dịch vụ cố định, không dây

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/47

Bảng 2-1: So sánh kĩ thuật giữa mạng 3G và 4G[10]


Đặc tính kĩ thuật
Tên đầy đủ

LTE
Long
Evolution

Băng thông

UMTS
Universal
Mobile
Telecommunications
System
5MHz,
10MHz
với
2
sóng
mang
(HSDPA), 10MHz với
2
sóng
mang(HSUPA)
,
20MHz
với
4 sóng mang HSDPA


Phương thức truy nhập

WCDMA

Điều chế hướng lên

QPSK,
16QAM
cho
HSUPA
trong
3GPP R7
QPSK,
16QAM
cho
HSDPA trong 3GPP R5
64QAM
cho
HSDPA
trong 3GPP R7
Không hỗ trợ cho đường lên.
Hỗ trợ đường xuống 2x2 cho
HSPDA trong 3GPP R7

Hỗ trợ OFDMA đường xuống
SC-FDMA đường lên
QPSK, 16QAM, 64QAM

Điều chế hướng xuống


Công nghệ MIMO

Term

1.4MHz,
5MHz,
15MHz, 20MHz

3MHz,
10MHz,

QPSK, 16QAM, 64QAM

Không hỗ trợ cho đường lên.
Hỗ trợ đường xuống 2x2, 4x4,
LTE Advance 8x8.

Bảng 2-2: Tốc độ đỉnh dựa theo tiêu chuẩn từng lớp[7]

Lớp/LTE.Cat
Tốc độ
DL
đỉnh
UL
Mbps

1
10

2

50

3
100

4
150

5
300

6
300

7
300

8
1200

5

25

50

50

75


50

150

600

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/47

Hình 2-1: So sánh mô hình truyền giữa 3G và 4G[3]

Giao diện sử dụng trong E-UTRAN bây giờ chỉ còn lại là S1 và X2. Trong đó S1 là
giao diện vô tuyến kế nối giữa eNodeB và mạng lõi. S1 chia làm 2 loại:
S1-U là giao diện giữa eNodeB và SAE – GW
S1-MME là giao diện giữa eNodeB và MME .
X2 là giao diện giữa các eNodeB với nhau

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/47

Hình 2-2: Mô hình truyền trong E-UTRAN[8]

Mạng lõi trong 4G LTE là sự mở rộng hoàn toàn của mạng lõi 3G và nó chỉ bao phủ
miền chuyển mạch gói ta gọi là EPC (Evolved Packet Core).

EPC chia luồng dữ liệu người dùng thành mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều
khiển. Một node cụ thể sẽ định nghĩa cho mỗi mặt phẳng, cộng với Gateway kết nối
chung mạng LTE với internet và những hệ thống khác. EPC gồm có:
MME (Mobility Management Entity): chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt
bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên.
P-Gateway (Packet Data Network): là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về
mạng dữ liệu gói bên ngoài. Nó cũng là router đến mạng internet
PCRF (Policyand Charging Rules Function): điều khiển việc tạo ra bảng giá và cấu
hình hệ thống con đa phương tiện IP IMS(the IP Multimedia Subsystem) cho mỗi
người dùng.
HSS (Home Subriber Server): là nơi lưu trữ dữ liệu của thuê bao cho tất cả dữ liệu
người dùng. Nó là cơ sỡ dữ liệu trung tâm trong trung tâm của nhà khai thác.

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/47

Hình 2-3: Cấu trúc hệ thống 4G LTE[2]

2.1.3

Kỹ thuật truyền trong hệ thống 4G LTE

 Kỹ thuật OFDMA cho đường xuống
OFDMA có nhiệm vụ chia luồng dữ liệu trước khi phát thành N luồng dữ liệu song
song có tốc độ thấp hơn và phát cho mỗi đường dữ liệu đó trên mỗi sóng mang con
khác nhau. Các sóng mang con này trực giao với nhau. Sử dụng dải tần rất hiệu quả
cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Chống nhiễu fading đa đường tốt.

Trong kỹ thuật này cho phép nhiều người dùng truy cập đồng thời vào một kênh
bằng cách phân phia một nhóm các sóng mang con cho một người dùng tại một thời
điểm. Ở các thời điểm khác nhau các nhóm sóng mang con cho một người dùng
khác nhau. Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người dùng.

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/47

Hình 2-4: Phân chia sử dụng sóng mang con cho các user[3]

Hình 2-5: Cấu trúc khung OFDM trong LTE[6]

Tài nguyên thời gian tần số được chia như sau:
1 radio frame có chiều dài 10ms. Trong 1 radio frame có 10 subframe với chiều dài
1ms. Trong mỗi subframe có 2 khe thời gian, mỗi khe có chiều dài 0.5ms trong đó
có 7 kí tự OFDM trong trường hợp CP ngắn và 6 kí tự OFDM trong trường hợp CP
mở rộng. Mỗi kí tự có chiều dài thời gian 0.071ms đối với CP ngắn và 0.083ms đối
với CP mở rộng.
Trong OFDMA thì việc chỉ định số sóng mang không dựa vào từng sóng mang
riêng lẻ mà dựa vào khối tài nguyên RB (Resource Block). Mỗi khối RB bao gồm
12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slote và khoảng cách giữa các sóng mang
con là 15 Khz dẫn đến băng thông tối thiểu của 1 RB là 180KHz

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 22/47

Hình 2-6: Chỉ định khối tài nguyên của OFDMA trong LTE[3]
Bảng 2-3: Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền.

Băng thông kênh truyền
MHz

1.
4

3

5

1
0

20

Số khối tài nguyên RB

6

1
5

2
5


5
0

10
0

Để điều chế tín hiệu OFDMA (dạng nâng cao của OFDM) sử dụng biến đổi FFT và
IFFT cho biến đổi giữa miền thời gian và miền tần số.

Hình 2-7: Mô hình thu phát tín hiệu OFDMA[3]

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/47



Kỹ thuật SC-FDMA cho đường lên

Lý do để chọn kỹ thuật SC-FDMA cho đường lên là vì nó sẽ giảm tối đa công suất
tiêu thụ cho đầu cuối. SC-FDMA cho tỷ lệ công suất đỉnh PAPR thấp hơn so với kỹ
thuật OFDMA. Đây là lí do chính để chúng ta lựa chọn kỹ thuật này. Giống như
trong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần số
trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin. Tuy nhiên, các ký hiệu này
được phát đi lần lượt chứ không song song như OFDMA. Vì thế cách sắp xếp này
làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát. Tuy
nhiên trong các hệ thống thông tin di động bị ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường,
SC-FDMA được thu tại BTS bị nhiễu giữa các ký tự khá lớn. BTS sử dụng bộ cân

bằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này.

Hình 2-8: Mô hình thu phát của SC-FDMA[3]

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/47

Hình 2-9: So sánh giữa OFDMA và SC-FDMA[9]

Trên hình ta có thể thấy được mỗi người sử dụng được phân làm 4 sóng mang con
(P = 4) với băng thông mỗi băng con bằng 15Khz trong đó mỗi ký hiệu OFDMA
hoặc SC-FDMA truyền 4 ký hiệu số liệu được điều chế QPSK cho mỗi người sử
dụng. Đối với OFDMA 4 ký hiệu số này được truyền đồng thời với băng tần mỗi kí
hiệu là 15Khz trong mỗi khoảng thời gian hiệu dụng T FFT của một kí hiệu OFDMA,
trong khi đó đối với SC-FDMA, 4 ký hiệu này truyền lần lượt trong khoảng thời
gian bằng 1/P thời gian hiệu dụng ký hiệu SC-FDMA với băng tần con bằng
Px15Khz cho mỗi kí hiệu.

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/47



Chuyển giao trong LTE


Trong LTE chuyển giao được sử dụng là chuyển giao cứng vì thế nó giúp đơn giản
hóa việc chuyển giao giữa các eNodeB. Các bước thực hiện chuyển giao.
Bước 1: Trong suốt quá trình liên lạc, thiết bị cầm tay UE sẽ luôn đo năng lượng thu
được từ eNodeB đang nối kết và của cả các eNodeB xung quanh nó. UE thường
xuyên gửi báo cáo về tình hình đo đạc này về trạm phát sóng eNodeB
Bước 2: Nếu chất lượng đường truyền từ trạp phát hiện tại kết nối đến UE bị giảm
mạnh dưới một mức nào đó, thì mạng sẽ quyết định tiến hành chuyển giao. Mạng sẽ
chọn ra một cái eNodeB lân cận mà cho chất lượng đường truyền tốt nhất để UE nối
kết vào.
Bước 3: Tài nguyên dành riêng cho UE ở trạm cũ sẽ được giải phóng (ngắt kết nối)
và UE thiết lập nối kết với trạm mới.
2.2 Kỹ thuật MIMO trong 4G LTE
2.2.1

Giới thiệu

Trước khi có MIMO, các router Wi-Fi và các thiết bị kết nối Wi-Fi xài SISO Single In Single Out - tức là trên router chỉ có 1 ăng-ten để giao tiếp với chỉ 1 ăngten trên thiết bị nhận. Sau đó người ta phát triển kĩ thuật MISO với đa anten phát
nhưng thiết bị đầu cuối vẫn chỉ có một anten thu điều đó vẫn làm hạn chế tốc độ
nhận dữ liệu của thiết bị đầu cuối.

Hình 2-10: Hệ thống MISO[8]

Sau đó người ta tiếp tục phát triển lên MIMO với đa anten phát và đa anten thu giúp
cho lượng dữ liệu truyền được nhiều hơn và nhanh hơn.

QUY HOẠCH TỐI ƯU MẠNG 4G LTE TRONG MÔ HÌNH WALFISH-IKEGAMI