GIỚI THIỆU CHUNG
Cơ sở nghiên cứu
Nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông băng rộng ngày càng tăng cao, không chỉ đáp ứng nhu cầu kết nối mà còn cung cấp nhiều tiện ích khác cho cuộc sống Để đáp ứng yêu cầu về dung lượng mạng, tốc độ truyền dẫn và khả năng truy cập mọi lúc, mọi nơi, các doanh nghiệp viễn thông đang tập trung phát triển hạ tầng Tuy nhiên, các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu không còn đủ khả năng phục vụ, dẫn đến việc nghiên cứu và ứng dụng các chuẩn hệ thống thông tin di động mới như 3.5G, 3.9G và 4G.
Năm 2006, ở Nhật Bản, hãng viễn thông NTT DoCoMo đã triển khai thành công và đưa vào khai thác hệ thống thông tin di động 3.5G HSDPA Ngày 14 tháng
Vào tháng 12 năm 2009, TeliaSonera đã khai trương dịch vụ LTE (3.9G) đầu tiên tại Oslo và Stockholm, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ di động Hệ thống 4G cho phép tốc độ lên đến 5Gbps trong môi trường trong nhà và 100Mbps ngoài trời, ngay cả khi di chuyển với tốc độ cao 250km/h Sự bùng nổ về tốc độ này hứa hẹn sẽ mang lại ứng dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, bao gồm dịch vụ chăm sóc sức khỏe, đặt hàng di động và thương mại di động.
Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng nhiều thế hệ hệ thống thông tin di động như 2G, 2.5G và 3G Mặc dù việc triển khai 4G vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng để bắt kịp xu hướng phát triển công nghệ viễn thông, việc nghiên cứu và tìm hiểu các hệ thống di động tiên tiến như WiMAX 2 và LTE-Advance là rất cần thiết.
Hệ thống thông tin di động
Hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển quan trọng, từ thế hệ thứ nhất với công nghệ analog đến thế hệ thứ hai với công nghệ số Bước sang thế kỷ 21, hệ thống di động băng rộng thế hệ thứ ba đã được triển khai rộng rãi, phục vụ nhu cầu sống của con người Hiện nay, thế hệ thứ tư của hệ thống thông tin di động đã được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi các tổ chức lớn như ITU, và đã được đưa vào khai thác thương mại tại một số khu vực trên thế giới Trong khi thế hệ thứ nhất và thứ hai chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại, thì thế hệ thứ ba và các thế hệ sau sẽ phát triển mạnh mẽ về dịch vụ dữ liệu và đa phương tiện.
Các hệ thống thông tin di động hiện nay đang ở giai đoạn 2.5G, 3G và 3.5G, với nghiên cứu về hệ thống 3G bắt đầu từ đầu những năm 90 để đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng Liên minh viễn thông quốc tế (ITU-R) đã tiêu chuẩn hóa hệ thống IMT-2000, trong khi Viện tiêu chuẩn Viễn Thông Châu Âu (ETSI) phát triển phiên bản UMTS hoạt động ở dải tần 2GHz, cung cấp nhiều dịch vụ từ thoại đến dữ liệu tốc độ cao với tốc độ tối đa lên tới 2Mbps trong các ô pico Các dịch vụ thông thường ở các ô macro đảm bảo tốc độ 14,4Kbps Nghiên cứu cũng đang hướng tới hệ thống di động thế hệ thứ tư với tốc độ người dùng khoảng 2Gbps, trong khi hệ thống di động băng rộng (MBS) sử dụng sóng mm và băng tần 64MHz dự kiến nâng tốc độ người dùng đến STM-1.
Hiện nay, hệ thống thông tin di động 3G đã được triển khai rộng rãi ở hầu hết các quốc gia, với 181 nhà cung cấp dịch vụ hoạt động tại 77 quốc gia Công nghệ di động thế hệ thứ ba 3.5G cùng với hệ thống tiền 4G (Pre-4G) như WiMAX cũng đã được đưa vào sử dụng tại một số thành phố lớn như London và New York từ quý 2 năm 2007 Tại Việt Nam, sự phát triển của thông tin di động đã trở thành một nhu cầu thiết yếu trong bối cảnh đổi mới đất nước Ban đầu, một số mạng thông tin di động như ABC và mạng nhắn tin toàn quốc đã được thử nghiệm Đến năm 1993, mạng điện thoại di động MobiFone sử dụng công nghệ GSM chính thức hoạt động với thiết bị từ hãng Alcatel.
Mạng Vinaphone ra đời vào năm 1996, theo sau là sự xuất hiện của mạng S-Fone vào năm 2003 với công nghệ CDMA của Saigon Postel Năm 2004, mạng GSM của Viettel chính thức hoạt động, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành viễn thông Đến năm 2009, bốn doanh nghiệp viễn thông lớn tại Việt Nam, bao gồm Tổng Công ty Viễn thông Quân đội (Viettel), Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), Công ty Thông tin di động (VMS) và liên danh EVN Telecom cùng Công ty cổ phần Viễn thông Hà Nội (Hanoi Telecom), đã chính thức khai thác mạng di động thế hệ thứ ba.
Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Khi hệ thống di động 1G ra mắt, nó chỉ cung cấp dịch vụ thoại, nhưng sự gia tăng nhu cầu truyền số liệu đã thúc đẩy các nhà khai thác mạng nâng cấp nhiều tính năng mới Để đáp ứng nhu cầu này, họ đã triển khai hệ thống di động 2G và 2.5G, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cùng với sự phát triển của Internet và Intranet, việc xây dựng các công sở vô tuyến trở nên ngày càng quan trọng, giúp kết nối hiệu quả giữa các cán bộ trong doanh nghiệp.
Tiềm năng lớn từ công nghệ mới trong lĩnh vực di động đang mở ra cơ hội cung cấp tin tức và thông tin trực tiếp cho thiết bị vô tuyến, tạo ra nguồn lợi nhuận mới cho nhà khai thác Để đáp ứng nhu cầu về dịch vụ truyền thông máy tính và hình ảnh, hệ thống di động thế hệ thứ hai đã chuyển đổi sang hệ thống thông tin di động thế hệ ba Tuy nhiên, khi nhu cầu về dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao gia tăng, tốc độ của hệ thống 3G hiện tại không đủ đáp ứng, dẫn đến việc các tổ chức viễn thông toàn cầu nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống di động 4G.
Hình 1 Quá trình phát triển của thông tin di động
Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động được mô tả ở hình 1, trong đó:
+ TASC (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập tổng thể
+ NMT900 (Nordic Mobile Telephone 900): Hệ thống điện thoại Bắc Âu băng tần 900MHz
+ AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến + SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng
+ GSM 900 (Global System for Mobile): Hệ thống thông tin di động toàn cầu băng tần 900MHz
+ GSM 1800: Hệ thống GSM băng tần 1800 MHz
+ GSM 1900: Hệ thống GSM băng tần 1900 MHz
+ IS-136 TDMA (Interim Standard- 136): Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến do AT&T đề xuất
+ IS-95 CDMA: Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA cải tiến của Mỹ
+ GPRS (General Packet Radio System): Hệ thống vô tuyến gói chung
+ EDGE (Enhaned Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM
+ CDMA 2000 1x: Hệ thống CDMA 2000 giai đoạn 1
+ WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng
+ CDMA 2000 Mx: Hệ thống CDMA 2000 giai đoạn 2
+ HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống truy nhập gói tốc độ cao Hệ thống HSPA được chia thành 3 công nghệ sau:
- HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói đường xuống tốc độ cao
- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói đường lên tốc độ cao
- HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy nhập gói OFDM tốc độ cao
+Pre-4G: Các hệ thống tiền 4G gồm WiMax và WiBro (Mobile Wimax)
+ WiMax: Wordwide Interoperabilily for Microwave Access
+ WiBro: Wiless Broadband System: Hệ thống băng rộng không dây
Từ quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, chúng ta có thể tóm tắt các thế hệ thông tin di động qua bảng sau: các thế hệ này phản ánh sự tiến bộ công nghệ và cải tiến trong việc cung cấp dịch vụ liên lạc.
Bảng 1 Tổng kết các thế hệ thông tin di động.
Hệthống thông tin di động 4G và công nghệ LTE-Advanced
1.4.1 Hệ thống thông tin di động 4G
Hệ thống thông tin di động 4G đã được triển khai tại nhiều quốc gia phát triển từ năm 2012, mang lại sự đột phá về dung lượng và cung cấp dịch vụ đa dạng hơn trong cuộc sống hàng ngày Công nghệ 4G không chỉ cải thiện hiệu suất công việc mà còn tác động mạnh mẽ đến lối sống của con người trong tương lai gần, ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh trong cuộc sống.
Hỗ trợ phát triển giáo dục, nghệ thuật, khoa học
Hệ thống 4G mang lại nhiều lợi ích cho học sinh, sinh viên và các nhà nghiên cứu, cho phép họ trao đổi thông tin và hình ảnh phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu mà không gặp phải rào cản về khoảng cách hay ngôn ngữ Các thiết bị di động 4G như điện thoại và đồng hồ thông minh được trang bị camera và chức năng dịch ngôn ngữ tự động, giúp việc giao tiếp trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Hệ thống di động 4G mang lại khả năng truy cập vào các trò chơi, âm nhạc, video và nội dung đa dạng ở bất kỳ đâu Người dùng có thể tận hưởng trải nghiệm chơi game phong phú với nhiều lựa chọn nội dung hấp dẫn.
Hệ thống di động 4G cho phép trao đổi thông tin giữa các điểm xa nhau, ví dụ như việc truyền tải đoạn phim từ một sự kiện thể thao Một máy quay gắn trên máy thu phát cầm tay có thể gửi tín hiệu ngay lập tức đến bất kỳ đâu, cả trong và ngoài nước.
Hệ thống di động 4G đã revolution hóa việc mua bán hàng hóa, cho phép người dùng dễ dàng truy cập thông tin sản phẩm, đặt hàng và thanh toán qua thiết bị di động cầm tay.
Phục vụ cuộc sống thường nhật
Công nghệ xác thực cá nhân tiên tiến cho phép người dùng thực hiện giao dịch mua sắm an toàn và thanh toán qua tài khoản di động Dữ liệu từ thiết bị di động có thể được sử dụng như thẻ thanh toán, thẻ ra vào và thẻ thành viên Ngoài ra, dịch vụ di động còn hỗ trợ cuộc sống hàng ngày, như tải chương trình TV từ máy chủ gia đình lên thiết bị di động để xem khi ra ngoài, hoặc điều khiển robot từ xa bằng thiết bị cầm tay.
Y tế và chăm sóc sức khỏe
Dữ liệu sức khỏe có thể được gửi tự động từ thiết bị mang theo của bệnh nhân đến bệnh viện theo thời gian thực, giúp bác sĩ kiểm tra sức khỏe và xử lý tình huống khẩn cấp ngay lập tức Trong trường hợp tai nạn giao thông, phương tiện truyền thông di động sẽ thông báo vị trí vụ tai nạn tự động, cho phép bác sĩ tại trung tâm y tế hướng dẫn sơ cứu qua màn hình Thông tin y tế cũng được truyền ngay lập tức đến xe cứu thương hoặc bệnh viện thông qua mạng di động, góp phần quan trọng trong công tác phòng chống thiên tai và tìm kiếm cứu nạn.
Hệ thống thông tin di động là công cụ quan trọng trong việc cung cấp thông tin trong các tình huống thảm họa thiên tai, cho phép truyền tải hình ảnh thực trạng từ các khu vực bị ảnh hưởng Điều này tạo điều kiện cho chính phủ, phương tiện truyền thông và cộng đồng chia sẻ thông tin hiệu quả, ngay cả khi thảm họa chưa xảy ra.
1.4.2 Các dịch vụ hệ thống di động 4G cung cấp
Dịch vụ cung cấp thông tin y tế
Hình 2 Dịch vụ thông tin y tế
Dịch vụ cung cấp thông tin y tế mang đến cho khách hàng thông tin chính xác và đầy đủ về tình trạng sức khỏe của họ Khách hàng sẽ nhận được chỉ dẫn và đơn thuốc trực tiếp trên thiết bị di động Họ cũng có thể dễ dàng truy cập thông tin sức khỏe cá nhân trên thiết bị của mình Đặc biệt, với công nghệ điều trị gen tiên tiến, khách hàng có thể tải ngay lập tức thông tin về gen của mình để áp dụng các biện pháp điều trị phù hợp.
Dịch vụ cung cấp nội dung tiên tiến
Người dùng có thể sử dụng giọng nói để tìm kiếm video yêu thích trên thiết bị di động ở bất kỳ đâu, mà không cần từ khóa chính xác Nếu muốn xem phim tại rạp, họ có thể dễ dàng đặt trước hoặc mua vé điện tử Ngoài ra, video còn có thể được phát trên tàu hoặc qua thiết bị kính thông minh có khả năng hiển thị hình ảnh.
Hình 3 Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến
+ Movie dilivery: phân phát phim
+ Movie info seach: tìm kiếm thông tin phim
+ Ambigous seach by voice: tìm kiếm thông tin phim bằng lời nói
+ Ticket Purchase: thẻ dịch vụ
+ Content streaming delivery: cung cấp luồng nội dung
+ Movie distributor: nhà cung cấp phim
+ Real media content distribution by compact high-density dise memory card : phân phối nội dung bằng thẻ nhớ đĩa nén mật độ cao
+ Content server: máy chủ nội dung
+ Service provicer: nhà cung cấp dịch vụ
+ Speed analysis: khối phân tích thoại
+ Search server: máy chủ tìm kiếm
+ Member DB: cơ sở dữ liệu thành viên
Hình 4 Hệ thống định vị
+ Monthly: phí dịch vụ hàng tháng
+ Location info: thông tin vị trí
+ Vehicle info: thông tin xe cộ
+ Emergency info: thông tin khẩn cấp
+ Logistics info: thông tin hậu cần
+ Right hold: người giữ bản quyền
+ Content charge: phí nội dung
Người dùng có thể truy cập các dịch vụ thông tin ngay cả khi xe đang di chuyển Những thông tin này được cung cấp một cách hợp lý, tùy thuộc vào thời gian, địa điểm và nhu cầu của người sử dụng.
+ Dịch vụ thông tin định vị: định vị, chỉ dẫn tuyến đường, thông tin giao thông…
+ Dịch vụ thông tin xe cộ: thông tin xe, thông tin điều chỉnh động cơ… + Dịch vụ giải trí: radio, chương trình truyền hình…
+ Dịch vụ điều khiển: điều khiển xe trong trường hợp thiên tai
+ Dịch vụ khẩn cấp: tại nạn, ốm đau bất ngờ…
Dịch vụ đặt hàng di động
Hình 5 Hệ thống đặt hàng di động
+ Inquiry purchase application: yêu cầu mua ứng dụng
+ Product info/Ads: thông tin sản phẩm/quảng cáo
+ Product/delivery charge: phí sản xuất/phân phối
+ Application info: thông tin ứng dụng
+ Product info: thông tin sản phẩm
+ Platform provider: nhà cung cấp nền tảng
+ Ad cost: chi phí quảng cáo
+ Server utilization fee: phí sử dụng server
Dịch vụ đặt hàng di động giúp người dùng dễ dàng mua sắm và thu thập thông tin sản phẩm thông qua thiết bị đầu cuối, sử dụng các nguồn tài liệu như tạp chí, sách báo và hình ảnh.
Thông tin sản phẩm, bao gồm video và đặc tính kỹ thuật, sẽ tự động được gửi đến thiết bị di động từ trung tâm sản phẩm và hiển thị dưới dạng hình ảnh 3D Người dùng có thể đặt hàng ngay lập tức và thực hiện thanh toán qua tài khoản trên thiết bị di động Việc sử dụng chứng thực bằng võng mạc giúp đơn giản hóa và bảo mật quá trình đặt mua sản phẩm có giá trị.
Hình 6 Hệ thống quản lý thực phẩm
+ Service register/enry fee: phí đăng ký dịch vụ
+ Food purchase charge: phí mua thực phẩm
+ Billing for purchase: hóa đơn bán hàng
+ User membership DS: cơ sở dữ liệu thành viên
+ Order placement: sắp xếp đặt hàng
Dịch vụ hỗ trợ người dùng truy cập tủ lạnh gia đình qua thiết bị di động từ xa, giúp họ kiểm tra thực phẩm còn lại và hết hạn sử dụng Thông qua hình ảnh hiển thị, người dùng có thể dễ dàng nhận biết hạn sử dụng của thực phẩm Bên cạnh đó, họ còn có thể tìm kiếm công thức nấu ăn dựa trên thực phẩm có sẵn trong tủ lạnh; thực phẩm thiếu sẽ được hiển thị trên màn hình, và nếu cần, người dùng có thể đặt hàng để được giao tận nhà.
Dịch vụ bảo hiểm rủi ro
Trong trường hợp một người bị mắc kẹt trong đống đổ nát sau một trận động đất lớn, mạng điện thoại di động có thể cung cấp thông tin chính xác về vị trí của họ Thiết bị di động thường xuyên kết nối internet, trừ khi bị hư hỏng, và luôn sẵn sàng hỗ trợ công tác cứu hộ một cách nhanh chóng.
Hình 7 Hệ thống bảo hiểm rủi ro
+ Rescue, pramedics: cứu hộ, cứu hộ y tế
+ Disaster site (user): khu vực xảy ra thiên tai
+ Displays curent location and destination: hiển thị vị trí hiện tại
+ Designate wanted area thru pen input: chỉ định vùng cần kiểm soát bằng bút cảm ứng
+ Terminal location is indicated in blinks: vị trí thiết bị đầu cuối được chỉ ra tức thời
+ Contact family using personal info: liên lạc với gia đình nhờ thông tin cá nhân
+ Obtain medical record from home doctor using personal info: có được báo cáo y tế từ bác sĩ nhờ thông tin cá nhân
+ Disaster insurance premium: phí bảo hiểm thiên tai
+ Notifies location by ring tone : thông báo vị trí bằng nhạc chuông
Dịch vụ hành chính quản lý di động
Hình 8 Hệ thống quản lý di động
CÔNG NGHỆ LTE TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Tổng quan về công nghệ LTE
2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE
Công nghệ LTE là sự nâng cấp quan trọng của các công nghệ băng rộng di động, bao gồm cả 3G, đã được nghiên cứu và triển khai từ năm 2004 Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đang tiến hành đánh giá, thử nghiệm và lập kế hoạch để thương mại hóa công nghệ LTE.
Hình 9 Định hướng phát triển các thế hệ mạng di động (nguồn ITU)
Theo xu hướng phát triển hiện tại, khoảng cách giữa các thế hệ mạng đang ngày càng được rút ngắn, với thời gian chuyển giao từ 4G sang 5G chỉ khoảng 4 đến 5 năm Điều này đòi hỏi các doanh nghiệp phải chuẩn bị kỹ lưỡng và nhanh chóng áp dụng công nghệ mới trong vòng chưa đầy 5 năm.
Trên toàn cầu, các cơ quan quản lý viễn thông và nhà sản xuất thiết bị chủ yếu ủng hộ công nghệ LTE, đặc biệt là tại Châu Âu Trong khi đó, Bắc Mỹ và Châu Á đang phát triển đồng thời cả hai công nghệ LTE và WiMAX.
LTE (Long Term Evolution), hay còn gọi là EUTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) và E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network), là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển Công nghệ này cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu nhanh, cho phép các nhà khai thác phát triển nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP Mục tiêu chính của LTE là đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và tối ưu hóa công nghệ truy cập sóng vô tuyến gói dữ liệu.
- Tốc độ dữ liệu: Tốc độ đỉnh của dữ liệu là 100Mbps cho hướng DL, và 50 Mbps cho hướng UL với băng thông sử dụng là 20Mhz
Hiệu quả sử dụng phổ (Spectrum Efficiency) trong công nghệ mạng mới đã được cải thiện đáng kể, cho phép tốc độ tải xuống (DL) gấp 3 đến 4 lần và tốc độ tải lên (UL) gấp 2 đến 3 lần so với phiên bản 6 Công nghệ này còn hỗ trợ cả băng tần cũ và mới, mang lại sự linh hoạt cho người dùng.
- Trễ (latency): Độ trễ trong giao thức điều khiển nhỏ hơn 20ms và đối với dịch vụ viễn thông nhỏ hơn 5ms
Hình 10 Các định hướng phát triển các phiên bản của LTE
- Băng thông: Hỗ trợ nhiều băng thông (5, 10, 15, 20 Mhz và cả dưới 5 Mhz) với mỗi bước biến đổi là 180Khz (một khối băng thông danh định là 180 Khz của
12 sóng mang con, độ rộng của mỗi sóng mang con là 15Khz) Có thể sử dụng ở băng tần hiện có và băng tần mở rộng
Hình 11 Cấu trúc tổ chức mạng và băng thông
Hệ thống có khả năng tương tác với các công nghệ mạng hiện tại như WCDMA (3G) và GSM (2G), đồng thời hỗ trợ triển khai cả hai phương thức TDD và FDD.
- Giá thành: Giảm giá thành đầu tư cả CAPEX và OPEX do kiến trúc đơn giản, giao diện mở để tương thích với nhiều nhà sản xuất
- Tính di động: Tối ưu cho tốc độ thấp từ 0 đến 15km/h, nhưng vẫn hỗ trợ cho tốc độ di động cao (lên tới 350km/h)
Chất lượng dịch vụ (QoS) đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ QoS End to End Với công nghệ di động hiện tại như 3G, người dùng có thể dễ dàng truy cập Internet và gửi email thông qua notebook sử dụng HSPA, thay thế modem DSL cố định bằng modem HSPA hoặc USB Họ cũng có khả năng gửi và nhận video hoặc file âm thanh qua điện thoại 3G Đặc biệt, với LTE, người dùng sẽ nhận được trải nghiệm tốt hơn nhờ vào khả năng đáp ứng cao hơn về băng thông, tốc độ và chất lượng cho các ứng dụng truyền thống, cũng như các dịch vụ mới như truyền hình tương tác, video blogging, game online và các dịch vụ chuyên nghiệp khác.
Hình 12 Kiến trúc của mạng LTE
2.1.2 Tình hình triển khai LTE
Hiện nay, có 338 nhà cung cấp đang đầu tư vào công nghệ LTE tại 101 quốc gia, tăng 130 nhà mạng so với tháng 6/2011 và 228 nhà mạng so với tháng 6/2010.
+ 280 nhà mạng đang trong quá trình lên kế hoạch triển khai LTE trên 90 quốc gia;
+ 58 nhà khai thác chuẩn bị triển khai thử nghiệm tại 11 nước;
Đến cuối năm 2012, dự kiến sẽ có 150 nhà mạng từ 45 quốc gia cung cấp dịch vụ LTE, với 89 nhà mạng đã bắt đầu thương mại hóa dịch vụ này.
Hình 13 Danh sách các Nhà khai thác cung cấp dịch vụ LTE trên thế giới
Hình 14 Phân bố các quốc gia triển khai LTE trên toàn thế giới
- Dự kiến thị thị phần trên trường di động của các dòng công nghệ đến năm
Tính đến nay, đã có 417 thiết bị đầu cuối từ 67 nhà sản xuất, tăng đáng kể so với 98 sản phẩm đầu cuối của 35 nhà sản xuất vào năm 2011 Điều này cho thấy tốc độ phát triển của các thiết bị đầu cuối sử dụng công nghệ LTE đang diễn ra nhanh nhất từ trước đến nay.
Số lượng nhà mạng cam kết thử nghiệm và cung cấp dịch vụ LTE đang gia tăng nhanh chóng, vượt xa so với số lượng nhà mạng đã cam kết cung cấp dịch vụ 3G (HSPA) trước đây.
Hình 16 Tốc độ tăng trưởng số các nước cam kết sử dụng công nghệ LTE
Phân tích sự tăng trưởng nhanh chóng của các nhà mạng cung cấp và thử nghiệm công nghệ LTE trên toàn cầu cho thấy số lượng thiết bị hỗ trợ LTE đang gia tăng từng ngày Dự báo về số lượng thuê bao LTE đến năm 2015 khẳng định rằng việc triển khai công nghệ LTE là hướng đi đúng đắn, phù hợp với xu thế công nghệ toàn cầu Các công nghệ cạnh tranh như WiMAX và EV-DO cũng đang được chú ý, nhưng LTE vẫn chiếm ưu thế trong sự phát triển công nghệ viễn thông hiện nay.
Công nghệ DO đang dần mất ưu thế, trong khi 3G không đáp ứng đủ nhu cầu của người tiêu dùng Việc lựa chọn công nghệ LTE làm bước tiến tiếp theo là quyết định đúng đắn và cần được triển khai một cách bài bản và nhanh chóng Điều này sẽ giúp thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng trong việc sử dụng các ứng dụng chất lượng cao trên Internet, như xem phim HD, thoại truyền hình, chia sẻ file lớn và chơi game trực tuyến.
Công nghệ LTE mang đến cơ hội lớn cho các ứng dụng trực tuyến với chất lượng dịch vụ vượt trội, cho phép người dùng trải nghiệm các công nghệ mới và dịch vụ giá trị gia tăng, đặc biệt trong lĩnh vực giải trí.
Hình 18 Các băng tần cho LTE (nguồn ITU)
2.1.3.Các dịch vụ triển khai trên nền LTE
Hệ thống thông tin di động LTE cung cấp tốc độ truy cập lên tới 200Mb/s và hỗ trợ roaming toàn cầu nhờ vào mạng lõi thuần IP Với khả năng tương tác mạnh mẽ với các mạng khác, LTE hứa hẹn mang đến nhiều dịch vụ phong phú và đa dạng cho người dùng.
Kiến trúc mạng LTE
Cùng với sự phát triển của truy cập vô tuyến LTE, các mạng lõi đang chuyển mình sang cấu trúc SAE Cấu trúc này được tối ưu hóa nhằm nâng cao hiệu suất mạng, cải thiện hiệu quả đầu tư và hỗ trợ sự phát triển của thị trường dịch vụ dựa trên nền tảng IP.
Hình 19 Cấu trúc mạng LTE áp dụng SAE
Có 2 nút trong cấu trúc SAE là các trạm gốc LTE (eNodeB) và cổng SAE (SAE Gateway) (xem hình 20) Cấu trúc phẳng này làm giảm số lượng nút tham gia trong việc kết nối
Hình 20 Kiến trúc của LTE và SAE
Kiểm soát tín hiệu di động được thực hiện thông qua các nút quản lý di động (MME), giúp tối ưu hóa việc triển khai mạng và mở rộng khả năng thích ứng cho các ứng dụng cố định, di chuyển có giới hạn và di động Hệ thống LTE đã cải tiến so với 3G, với sự phát triển của hệ thống Evolved Packet System (EPS) và mạng lõi Evolved Packet Core (EPC) Chức năng điều khiển của MME và chức năng bearer-plane của SGW được kết nối qua điểm tham chiếu mở S11, cho phép tối ưu hóa xử lý gói tin và giao dịch điều khiển E-UTRAN cung cấp băng thông cao hơn, hỗ trợ các dịch vụ mới và cải thiện dịch vụ hiện tại, đồng thời cho phép nhà khai thác lựa chọn độc lập về vị trí và quy mô triển khai, nhằm tối ưu hóa băng thông, giảm độ trễ và tập trung các điểm lỗi.
Hình 21 Cấu trúc tổ chức mạng LTE
Mạng truy cập vô tuyến tiên tiến RAN (Evolved Radio Access Network) trong LTE bao gồm eNodeB (eNB), đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp giao tiếp với các thiết bị người dùng (UE) eNB thực hiện các chức năng của lớp vật lý (PHY), kiểm soát truy cập môi trường truyền (MAC), kiểm soát đường truyền vô tuyến (RLC) và giao thức điều khiển dữ liệu gói (PDCP), bao gồm mã hóa và nén các header của user-plane Ngoài ra, eNB còn cung cấp chức năng kiểm soát tài nguyên vô tuyến (RRC) thuộc control-plane, thực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến, kiểm soát quản lý, định thời, và thực thi QoS cho hướng lên (UL) Nó cũng quảng bá thông tin trạm, mã hóa và giải mã dữ liệu cho user và control plane, cũng như nén và giải nén các header của user plane trong cả chiều xuống (DL) và chiều lên (UL).
Gateway Serving (SGW) là thành phần quan trọng trong mạng LTE, chịu trách nhiệm định tuyến và chuyển các gói dữ liệu của người dùng SGW hoạt động như điểm điều khiển tính di động của user plane trong quá trình chuyển giao giữa các điểm eNB, đồng thời quản lý di động giữa công nghệ LTE và các công nghệ 3GPP khác thông qua giao thức S4 Đối với các thiết bị người dùng (UE) ở trạng thái rỗi, SGW kết nối đường dữ liệu xuống (DL) và kích hoạt tìm kiếm khi có dữ liệu đến Nó cũng quản lý và lưu trữ thông tin của UE như dịch vụ IP cơ bản và thông tin định tuyến, đồng thời thực hiện chức năng tạo bản sao dữ liệu cho mục đích giám sát hợp pháp.
Mobility Management Entity (MME) là nút điều khiển chính trong mạng truy cập LTE, chịu trách nhiệm phát hiện các thiết bị người dùng (UE) ở trạng thái rỗi và thực hiện các chức năng dò tìm và paging MME tham gia vào quá trình kích hoạt và loại bỏ dịch vụ cơ bản, đồng thời chọn lựa Serving Gateway (SGW) cho UE trong quá trình gán (attach) ban đầu và chuyển giao nội mạng MME cũng thực hiện xác thực thuê bao thông qua Home Subscriber Server (HSS) Báo hiệu Non-Access Stratum (NAS) kết thúc tại MME, nơi này tạo ra và cấp phát nhận dạng tạm thời cho các UE, kiểm tra quyền truy cập của UE do nhà cung cấp dịch vụ cấp và thực thi các giới hạn roaming MME là điểm kết thúc trong mạng để bảo vệ mã hóa và toàn vẹn đối với báo hiệu NAS, đồng thời quản lý các khóa bảo mật và hỗ trợ báo hiệu Lawful Interception MME cung cấp chức năng control plane cho di động giữa LTE và mạng 2G/3G, với kết cuối tham chiếu S3 từ SGSN và S6a đối với Home HSS cho các UE roaming.
Gateway dữ liệu gói PDN (PDN GW) là điểm kết nối giữa các thiết bị người dùng (UE) và mạng dữ liệu gói bên ngoài, cho phép UE truy cập đồng thời nhiều mạng PDN khác nhau PDN GW thực hiện các chức năng như thi hành chính sách, lọc gói tin cho từng UE, hỗ trợ tính cước, can thiệp hợp pháp và kiểm tra gói tin Ngoài ra, PDN GW còn đóng vai trò là điểm neo khi di chuyển giữa các mạng 3GPP và các công nghệ không phải 3GPP như WiMAX và 3GPP2 (CDMA 1x và Ev-DO).
Các giao diện kết nối trong mạng LTE:
S1-MME serves as the reference point for the control plane protocol between E-UTRAN and MME The protocol at this reference point is eRANAP, which utilizes the Stream Control Transmission Protocol (SCTP) for transport.
S1-U là điểm kết nối quan trọng giữa E-UTRAN và SGW, chịu trách nhiệm quản lý các đường hầm dữ liệu cho từng người dùng và hỗ trợ chuyển giao dữ liệu trong quá trình chuyển tiếp giữa các eNB Giao thức vận chuyển được sử dụng tại điểm tham chiếu này là GPRS Tunneling Protocol-User plane (GTP-U).
S2a cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập trusted non-3GPP IP và Gateway thuộc user plane S2a dựa trên Proxy Mobile IP
S2b cung cấp hỗ trợ cho việc điều khiển và di động giữa truy cập cổng dữ liệu gói tiến hóa (ePDG) và cổng dữ liệu người dùng (PDN GW) Hệ thống này dựa trên công nghệ Proxy Mobile IP.
S2c cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập UE và
PDN GW thuộc user plane Điểm tham chiếu này được thực hiện qua trusted và/hoặc untrusted non-3GPP access và/hoặc 3GPP access
S3 là giao diện quan trọng giữa SGSN và MME, cho phép trao đổi thông tin về người dùng và dịch vụ cơ bản giữa các mạng truy cập 3GPP Giao diện này hoạt động trong quá trình di động, cả khi người dùng ở trạng thái rỗi và bận.
S4 cung cấp hỗ trợ về điều khiển và di động liên quan giữa truy cập giữa SGSN và SGW thuộc user plane
S5 đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý đường hầm và thiết lập các đường hầm SGW và PDN GW trong user plane Chức năng này giúp định vị lại các SGW khi có sự di chuyển của UE.
S6a cho phép truyền tải thông tin đăng ký và xác thực, giúp xác minh và cấp quyền truy cập cho người dùng trong hệ thống thông qua giao tiếp AAA giữa MME và HSS.
S7 cung cấp chuyển các luật chính sách và tính cước QoS từ Policy and Charging Rules Function (PCRF) đến Policy and Charging Enforcement Function (PCEF) tại PDN GW
S10 là điểm tham chiếu giữa các MME trong quá trình định vị lại MME và chuyển thông tin từ MME đến MME
S11 là điểm tham chiếu giữa MME và SGW
SGi là điểm tham chiếu giữa PDN GW và mạng packet data network PDN
Mạng PDN có thể là mạng nhà khai thác bên ngoài hoặc mạng riêng
Rx+ là điểm tham chiếu giữa chức năng ứng dụng Application Function và PCRF trong chuẩn 3GPP TS 23.203
Wn* đóng vai trò là điểm tham chiếu giữa truy cập IP không đáng tin cậy Non-3GPP và ePDG Lưu lượng trên giao diện này sẽ được định tuyến về ePDG cho các UE khi khởi tạo đường hầm.
So sánh một số điểm nổi bật của 3G và LTE cho ta thấy như sau:
TIÊU CHÍ CÔNG NGHỆ 3G CÔNG NGHỆ LTE
Bandwidth được cố định là 5MHz cho WCDMA và HSPA+ Độ trễ cao (50ms) với HSPA+
Hiệu suất sử dụng phổ tần chưa cao
Bandwidth có thể thay đổi, 5MHz
- 20MHz Độ trễ thấp (10ms) Hiệu suất sử dụng phổ tần cao, gấp 3-4 lần HSPA+
Tốc độ -WCDMA: Max 384Kb/s (R.99)
Kiến trúc mạng phức tạp, vẫn tách riêng 2 Domain: CS cho chuyển mạch kênh và PS cho chuyển mạch gói
Kiến trúc mạng đơn giản, không còn CS Domain, toàn bộ chuyển mạch gói dựa trên nền IP
Tiết kiệm đáng kể OPEX và CAPEX
Dịch vụ Đắt , hiệu suất đầu tư trên bit dữ liệu cao
Truyền thoại tốt Đa dạng với giá thành thấp, giúp nâng cao trải nghiệm của người dùng
Truyền thoại , số liệu đều tốt và kế thừa toàn bộ các dịch vụ có trên 3G
Bảng 4 So sánh 3G và LTE
Truy nhập vô tuyến trong LTE
2.3.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến
Giao diện không gian LTE hỗ trợ hai chế độ chính là song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD), với mỗi chế độ có cấu trúc khung riêng biệt Chế độ FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đường lên và đường xuống, vì hai đường này không hoạt động đồng thời Kỹ thuật này không chỉ được áp dụng trong một số dải tần mà còn giúp tiết kiệm chi phí, mặc dù khả năng truyền dữ liệu bị giảm một nửa.
Giao diện không gian LTE hỗ trợ phát đa phương tiện và dịch vụ phát quảng bá đa điểm (MBMS), cho phép truyền tải nội dung như truyền hình kỹ thuật số tới người dùng cuối thông qua kết nối điểm-đa điểm Các thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS lần đầu tiên xuất hiện trong UMTS phiên bản 6, trong khi LTE định nghĩa dịch vụ eMBMS hoạt động qua mạng đơn tần số phát quảng bá/đa điểm (MBSFN) Công nghệ này sử dụng sóng đồng bộ thời gian chung để truyền tải đến nhiều ô trong một khoảng thời gian nhất định, cho phép kết hợp qua vô tuyến và sử dụng tiền tố vòng (CP) để bảo vệ các sự sai khác do trễ khi truyền tải, giúp các UE hoạt động như từ một tế bào lớn duy nhất Nhờ đó, LTE đạt hiệu suất cao trong việc truyền tải MBMS.
LTE cần hỗ trợ thị trường không dây quốc tế và các quy định về phổ tần trong khu vực, với băng thông kênh biến đổi từ 1,4 đến 20MHz Khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz, và nếu sử dụng eMBMS, khoảng cách này có thể giảm xuống còn 7,5kHz Khoảng cách giữa các sóng mang con là hằng số, không phụ thuộc vào băng thông của kênh 3GPP đã xác định giao diện vô tuyến của LTE là băng thông không thể biết, cho phép giao diện này thích ứng với băng thông kênh khác nhau mà không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của hệ thống.
Giá trị nhỏ nhất của tài nguyên trong hệ thống LTE được gọi là khối tài nguyên (RB), có độ rộng 180kHz và kéo dài trong 0,5ms Mỗi RB bao gồm 12 sóng mang con với khoảng cách 15kHz giữa các sóng mang con Đối với eMBMS, khoảng cách giữa các sóng mang con có thể là 7,5kHz, và một RB có thể chứa 24 sóng mang con trong cùng khoảng thời gian 0,5ms.
2.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập
Kế hoạch truyền dẫn đường xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD dựa trên kỹ thuật OFDM, trong đó phổ tần được chia thành nhiều sóng mang con, mỗi sóng mang được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp Tuy nhiên, OFDMA gặp phải tỷ lệ công suất đỉnh-đến-trung bình (PAPR) cao, gây khó khăn trong việc thiết kế bộ phát sóng nhúng cho UE Để truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần một bộ khuếch đại công suất, là thành phần tiêu thụ năng lượng lớn, do đó, hiệu quả công suất cao là cần thiết để kéo dài tuổi thọ pin 3GPP đã chọn SC-FDMA cho hướng lên LTE vì nó kết hợp các kỹ thuật PAPR thấp của hệ thống đơn sóng mang như GSM và CDMA với khả năng chống đa đường và cấp phát tần số linh hoạt của OFDMA.
Một sự so sánh giữa OFDMA và SC-FDMA được thể hiện như trong hình
Trong ví dụ này, bốn sóng mang con được sử dụng trong hai chu kỳ ký hiệu, với dữ liệu tải trọng được điều chế bằng QPSK Các tín hiệu LTE được phân bổ trong các đơn vị của 12 sóng mang con lân cận, với mỗi sóng mang con 15kHz được đặt vào vị trí mong muốn trong băng thông kênh Mỗi sóng mang con được điều chế với chu kỳ ký hiệu OFDMA là 66,7μs bằng một ký hiệu dữ liệu QPSK Công suất của các sóng mang con giữ không đổi giữa các ký hiệu, và sau mỗi chu kỳ ký hiệu OFDMA, các CP được chèn vào để truyền bốn ký hiệu tiếp theo song song Mặc dù các CP được hiển thị như khoảng trống, chúng thực sự chứa bản sao của sự kết thúc ký hiệu tiếp theo, cho thấy công suất truyền dẫn liên tục nhưng có sự gián đoạn pha ở biên ký hiệu Để tạo ra tín hiệu truyền đi, một IFFT được thực hiện trên mỗi sóng mang con.
M tín hiệu miền thời gian Chúng lần lượt là vector tổng hợp để tạo ra dạng sóng miền thời gian cuối cùng được sử dụng để truyền dẫn
Hình 22 OFDMA và SC-FDMA truyền một chuỗi ký hiệu dữ liệu QPSK
Tín hiệu SC-FDMA được hình thành qua một quy trình đặc biệt, tiếp tục tương tự như OFDMA Sự khác biệt chính giữa hai phương pháp này là OFDMA truyền bốn ký hiệu dữ liệu QPSK song song trên mỗi sóng mang con, trong khi SC-FDMA truyền bốn ký hiệu dữ liệu QPSK theo chuỗi bốn lần, mỗi ký hiệu chiếm M×15kHz băng thông.
Tín hiệu OFDMA có đặc điểm là đa sóng mang với một ký hiệu dữ liệu trên mỗi sóng mang con, trong khi tín hiệu SC-FDMA lại giống như nhiều sóng mang đơn, với mỗi ký hiệu dữ liệu được biểu diễn bằng chuỗi tín hiệu Cả hai loại tín hiệu này đều có chiều dài ký hiệu giống nhau là 66,7μs, nhưng ký hiệu SC-FDMA chứa M ký hiệu con để biểu diễn dữ liệu điều chế Việc truyền tải song song nhiều ký hiệu trong OFDMA dẫn đến PAPR cao không mong muốn Ngược lại, SC-FDMA truyền M ký hiệu dữ liệu tại M thời điểm, chiếm băng thông tương tự như OFDMA nhưng có PAPR thấp hơn Việc kết hợp nhiều dạng sóng QPSK băng hẹp trong OFDMA sẽ tạo ra các đỉnh cao hơn so với dạng sóng QPSK đơn sóng mang của SC-FDMA.
2.3.4 Kỹ thuật đa anten MIMO
Kỹ thuật đa anten là trung tâm của LTE, giúp cải thiện vùng phủ sóng và khả năng của lớp vật lý Việc thêm nhiều anten vào hệ thống vô tuyến cho phép nâng cao hiệu suất nhờ vào các đường dẫn vật lý khác nhau của tín hiệu phát ra Có ba loại chính của kỹ thuật đa anten: đầu tiên là sử dụng sự phân tập đường dẫn, nơi một đường dẫn có thể bị mất do fading trong khi đường dẫn khác vẫn ổn định Thứ hai là kỹ thuật hướng búp song (beamforming), cho phép điều khiển mối tương quan giữa các tín hiệu điện phát ra từ anten Cuối cùng, sự phân tách không gian thông qua ghép kênh theo không gian và tạo chùm tia, hay còn gọi là kỹ thuật đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO), cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
Có bốn phương pháp để sử dụng kênh vô tuyến, như được thể hiện trong Hình 23 Để đơn giản hóa, các ví dụ chỉ sử dụng một hoặc hai anten.
Hình 23 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến
- Đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO)
- Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO)
- Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO)
- Đa đầu vào đa đầu ra (MIMO)
LTE sử dụng kỹ thuật đa anten MIMO, ta tập trung tìm hiểu về kỹ thuật này
MIMO yêu cầu ít nhất hai máy phát và hai máy thu để tăng công suất phổ bằng cách phát nhiều luồng dữ liệu đồng thời trên cùng một tần số và thời gian, tận dụng các đường dẫn khác nhau trong kênh vô tuyến Số lượng luồng phát không nên nhầm lẫn với số lượng ăng ten phát; ví dụ, trong trường hợp phân tập phát (MISO) chỉ có một dòng dữ liệu mặc dù có hai máy phát Tương tự, phân tập thu (SIMO) không chuyển đổi thành MIMO, mặc dù có hai ăng ten phát và hai ăng ten thu Để tái tạo dữ liệu đầy đủ, cần tối thiểu N ăng ten và N máy thu cho N luồng dữ liệu, tránh chồng chéo và nhiễu Quan trọng là mỗi tín hiệu phát từ các ăng ten phải duy nhất để máy thu có thể xác định được tín hiệu nhận được, thường thông qua các tín hiệu chỉ đạo với mẫu trực giao Sự phân tập không gian trong kênh vô tuyến cho phép MIMO tăng tốc độ dữ liệu, với mỗi ăng ten gán một dòng dữ liệu riêng biệt.
Hình 24 MIMO 2x2 không có tiền mã hóa
Trong ánh xạ trực tiếp, một luồng dữ liệu duy nhất được gán cho mỗi anten, và các luồng này được trộn lẫn trên kênh Mỗi anten thu nhận một sự kết hợp của các luồng, và bên thu sử dụng bộ lọc để nghịch đảo và tổng hợp các luồng nhận được nhằm tái tạo dữ liệu gốc Một dạng MIMO tiên tiến hơn là tiền mã hóa đặc biệt, giúp tối ưu hóa việc truyền dẫn qua nhiều anten phát Để kỹ thuật này hoạt động hiệu quả, máy phát cần hiểu rõ các điều kiện kênh truyền, và trong chế độ FDD, thông tin này phải được cung cấp theo thời gian thực từ phản hồi của UE Điều này làm tăng độ phức tạp trong việc tối ưu hóa hệ thống, vì máy phát sẽ phải độc lập xác định các điều kiện kênh thông qua phân tích tín hiệu nhận được trên cùng một tần số.
MIMO mang lại lợi ích lý thuyết dựa trên số lượng anten truyền và nhận, điều kiện lan truyền vô tuyến, SNR và khả năng thích nghi của máy phát với các điều kiện thay đổi Trong điều kiện lý tưởng, các đường dẫn trong kênh truyền vô tuyến hoàn toàn không tương quan, tương tự như các kết nối cáp vật lý không bị xuyên âm Tuy nhiên, điều kiện này khó đạt được trong không gian tự do Giới hạn tối đa của MIMO trong điều kiện lý tưởng có thể xác định dễ dàng, cho thấy hệ thống 2×2 với hai luồng dữ liệu đồng thời có thể tăng gấp đôi công suất và tốc độ dữ liệu MIMO hoạt động hiệu quả nhất trong môi trường có SNR cao và tầm nhìn cực tiểu, vì vậy nó rất phù hợp với các điều kiện trong nhà, nơi có thể tạo ra mức độ cao của đa đường và tầm nhìn hạn chế.
Lớp vật lý LTE
Trong điều chế hướng lên, phương pháp truyền thống thường sử dụng điều chế biên độ cầu phương (QAM) Các phương pháp điều chế phổ biến cho dữ liệu người dùng bao gồm khóa dịch pha vuông góc (QPSK), 16QAM và 64QAM Trong đó, QPSK và 16QAM được hỗ trợ trên tất cả các thiết bị, trong khi 64QAM là một khả năng nâng cao của thiết bị người dùng (UE) Các chòm điểm điều chế khác nhau được thể hiện rõ ràng trong hình 25.
Trong LTE, điều chế PRACH sử dụng điều chế pha với các chuỗi Zadoff–Chu, tạo ra sự khác biệt về pha giữa các ký hiệu Chuỗi được chọn ảnh hưởng đến tỷ lệ đỉnh-trung bình (PAR) và giá trị Metric khối (CM), có thể thấp hơn hoặc cao hơn so với giá trị của QPSK.
Việc sử dụng điều chế QPSK mang lại hiệu quả công suất phát tối ưu khi hoạt động ở chế độ công suất truyền tải đầy đủ, đồng thời điều chế này cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kết quả truyền tải.
CM trong SC-FDMA yêu cầu thiết bị khuyếch đại chờ để truyền tín hiệu Khi hoạt động với điều chế 16QAM hoặc 64QAM, các thiết bị sẽ sử dụng công suất phát tối đa thấp hơn.
Trong hướng đường xuống, các phương pháp điều chế dữ liệu người sử dụng tương tự như trong hướng lên Hệ thống OFDM lý thuyết có khả năng sử dụng các điều chế khác nhau cho mỗi sóng mang con, nhưng điều này không khả thi do chi phí quá cao Việc điều chế riêng từng sóng mang con sẽ tạo ra quá nhiều bít trong hướng đường xuống cho báo nhận các tham số của mỗi sóng mang con, và trong hướng đường lên, phản hồi chỉ thị chất lượng kênh (CQI) cần quá nhiều chi tiết để thích ứng với từng sóng mang con.
Khóa dịch pha nhị phân (BPSK) đã được xác định cho các kênh điều khiển, với việc sử dụng BPSK hoặc QPSK để truyền tải thông tin điều khiển.
2.4.2 Truyền tải dữ liệu người sử dụng hướng lên
Dữ liệu người sử dụng trong hướng lên được truyền qua PUSCH với cấu trúc khung 10ms, dựa trên việc cấp phát tài nguyên trong miền thời gian và tần số, với khoảng thời gian 1ms và băng thông 180kHz Phân bổ tài nguyên được thực hiện thông qua một bộ lập biểu tại eNodeB, như được minh họa trong hình 26.
Hình 26 Cấp phát tài nguyên hướng lên được điều khiển bởi bộ lập biểu eNodeB
Do không có sự cố định nguồn tài nguyên cho các thiết bị, chúng có thể truy cập ngẫu nhiên mà không cần tín hiệu trước từ eNodeB Để thực hiện điều này, các thiết bị cần cung cấp thông tin cho bộ lập lịch biểu đường lên về yêu cầu truyền dẫn và tình trạng bộ đệm, đồng thời dựa vào các nguồn tài nguyên công suất truyền tải hiện có.
Cấu trúc khung được thiết kế với khe 0,5ms và sử dụng hai khe cho một khung con, cho phép cấp phát thời gian hiệu quả Đối với chu kỳ cấp phát ngắn hơn 0,5ms, cường độ tín hiệu có thể được tối ưu hóa, đặc biệt khi có nhiều người sử dụng Hình 27 minh họa cấu trúc khung 10ms, phù hợp cho cả chế độ FDD và TDD, trong đó chế độ TDD bổ sung các phần cần thiết cho các điểm chuyển tiếp giữa đường lên và đường xuống.
Hình 27 Cấu trúc khung LTE FDD
Trong khe 0,5ms, có sự xuất hiện của cả ký hiệu tham chiếu và ký hiệu dữ liệu người sử dụng, với tốc độ dữ liệu của người dùng là tạm thời và phụ thuộc vào phân bổ tài nguyên đường lên Băng thông được cấp phát trong khoảng từ 0 đến 20MHz, với các bậc 180kHz, và việc cấp phát này diễn ra liên tục thông qua phương thức FDMA, nơi chỉ một ký hiệu được truyền tại một thời điểm Băng thông khe được điều chỉnh giữa các TTI liên tiếp, và việc tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu đồng nghĩa với việc tăng gấp đôi băng thông sử dụng Các ký hiệu tham chiếu luôn chiếm cùng một không gian trong miền thời gian, dẫn đến việc tốc độ dữ liệu cao hơn tương ứng với sự gia tăng của tốc độ dữ liệu ký hiệu tham chiếu.
Hình 28 Tốc độ dữ liệu giữa các TTI theo hướng lên
Tiền tố vòng (Cyclic Prefix) trong đường lên có hai giá trị phụ thuộc vào việc sử dụng tiền tố vòng ngắn hay dài Các thông số khác vẫn không thay đổi, cho phép khe 0,5ms chứa từ 6 đến 7 ký hiệu như minh họa trong hình 29 Việc sử dụng tiền tố vòng mở rộng sẽ làm giảm tải trọng dữ liệu, nhưng không thường xuyên được áp dụng do lợi ích về hiệu suất, khi có tới 7 ký hiệu lớn hơn nhiều so với sự suy giảm có thể xảy ra từ nhiễu liên ký tự và độ trễ của kênh dài hơn so với tiền tố vòng.
Hình 29 Cấu trúc khe đường lên với tiền tố vòng ngắn và dài
Tốc độ dữ liệu hướng lên tức thời trên một khung con 1ms phụ thuộc vào điều chế, số lượng khối tài nguyên được cấp phát, chi phí thông tin điều khiển và tốc độ mã hóa kênh Phạm vi tốc độ dữ liệu đỉnh hướng lên tức thời từ các nguồn tài nguyên lớp vật lý dao động từ 700kbps đến 86Mbps Phiên bản 8 không xác định đa anten cho truyền tải hướng lên Tốc độ dữ liệu tức thời cho một UE phụ thuộc vào các đặc điểm đường lên LTE và các yếu tố liên quan.
- Phương thức điều chế được áp dụng: với 2, 4 hoặc 6 bits trên ký hiệu điều chế tùy thuộc vào trình tự điều chế với QPSK, 16QAM và 64QAM tương ứng
Băng thông được áp dụng cho tần số 1,4MHz có chi phí cao nhất do sự hiện diện của các kênh chung và tín hiệu đồng bộ Băng thông tạm thời của kênh có thể thay đổi, với mức cấp phát tối thiểu là 12 sóng mang con (tương đương 180kHz), trong khi băng thông tối đa của hệ thống có thể lên đến 1200 sóng mang con với băng thông 20MHz.
- Tốc độ mã hóa kênh được áp dụng
- Tốc độ dữ liệu trung bình phụ thuộc vào thời gian phân bổ tài nguyên miền
V-MIMO (MIMO ảo) cho phép tăng cường năng suất dữ liệu tối đa trong các ô hoặc khu vực cụ thể bằng cách xử lý truyền từ hai UE khác nhau thông qua một ăngten phát đơn tại eNodeB Tuy nhiên, V-MIMO không làm tăng tốc độ dữ liệu tối đa cho từng người dùng đơn lẻ.
Hình 30 Chuỗi mã hóa kênh PUSCH
Chuỗi mã hóa kênh cho đường lên được mô tả trong hình 30, trong đó dữ liệu và thông tin điều khiển được mã hóa riêng biệt và ánh xạ tới các ký hiệu riêng để truyền tải Thông tin điều khiển có vị trí cụ thể xung quanh các ký hiệu tham chiếu, trong khi thông tin điều khiển lớp vật lý được mã hóa độc lập và được đưa vào một tập hợp các ký hiệu điều chế đã được xác định trước.
Các thủ tục truy nhập LTE
Dò tìm cell là quy trình mà thiết bị đầu cuối xác định cell có khả năng kết nối, trong đó nó thu nhận nhận dạng cell và ước tính định thời khung của cell Quy trình này cũng đánh giá các thông số cần thiết để thu nhận thông tin từ hệ thống qua kênh quảng bá Để đơn giản hóa việc lập kế hoạch cell, số lượng nhận dạng cell lớp vật lý cần đủ lớn; LTE hỗ trợ 510 nhận dạng cell, chia thành 170 nhóm Dò tìm cell trong LTE thường diễn ra qua nhiều bước, tương tự như quy trình ba bước trong WCDMA Để hỗ trợ thiết bị đầu cuối, LTE cung cấp tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp, được chèn vào hai ký hiệu OFDM cuối trong khe đầu tiên của khung phụ 0 và 5, cùng với các tín hiệu tham chiếu để tối ưu hóa quy trình dò tìm.
Một yêu cầu cơ bản cho bất kỳ hệ thống di động tế bào nào là khả năng cho thiết bị đầu cuối thiết lập kết nối, thường được gọi là truy cập ngẫu nhiên Chức năng này phục vụ hai mục đích chính của LTE: thiết lập đồng bộ hướng lên và nhận dạng thiết bị đầu cuối duy nhất, C-RNTI Do đó, truy cập ngẫu nhiên không chỉ được sử dụng cho việc truy cập ban đầu khi chuyển giao từ trạng thái LTE_DETACHED hoặc LTE_IDLE sang LTE_ACTIVE, mà còn trong các giai đoạn không tích cực khi đồng bộ đường lên bị mất trong trạng thái LTE_ACTIVE.
Tổng quan về truy nhập ngẫu nhiên được thể hiện như trong hình 37, bao gồm bốn bước:
Bước đầu tiên trong quá trình truyền dẫn là thực hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên, giúp eNodeB ước lượng thời gian truyền tải của thiết bị đầu cuối Đồng bộ hướng lên là yếu tố quan trọng, nếu không, thiết bị đầu cuối sẽ không thể truyền dữ liệu lên.
Bước thứ hai liên quan đến việc mạng truyền lệnh định thời sớm để điều chỉnh sự định thời truyền của thiết bị đầu cuối, dựa trên các phép đo từ bước đầu tiên Ngoài việc thiết lập đồng bộ hướng lên, bước này cũng chỉ định các nguồn tài nguyên hướng lên cho thiết bị đầu cuối, phục vụ cho bước ba trong quy trình truy nhập ngẫu nhiên.
Bước thứ ba liên quan đến việc truyền dẫn nhận dạng thiết bị di động thông qua UL-SCH, tương tự như dữ liệu được hoạch định thông thường Nội dung tín hiệu này sẽ thay đổi tùy thuộc vào trạng thái của thiết bị, bao gồm cả việc thiết bị đó có từng kết nối với mạng trước đây hay không.
Bước cuối cùng trong quy trình là truyền dẫn thông điệp phân giải tranh chấp từ mạng đến thiết bị đầu cuối qua kênh DL-SCH Quy trình này không chỉ đảm bảo việc truyền tải thông tin mà còn giải quyết các tranh chấp phát sinh khi nhiều thiết bị đầu cuối cùng lúc cố gắng truy cập vào hệ thống bằng cách sử dụng chung tài nguyên truy cập.
Hình 37 Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên
Kết luận chương 2
LTE, mặc dù được gọi không chính thức là 3,9G, vẫn chưa đủ tiêu chuẩn để trở thành hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư Hệ thống này sử dụng kỹ thuật truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên Để chính thức được công nhận là hệ thống di động thế hệ thứ tư, LTE cần bổ sung thêm nhiều công nghệ, và một trong những công nghệ quan trọng đó là LTE-Advanced.
