TỔNG QUAN VỀ CÁC THẾ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ THẾ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG THỨ 4 (4G LTE)
Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Nhu cầu thông tin liên lạc đã hình thành và phát triển song song với sự tiến bộ của xã hội Từ những phương thức trao đổi cơ bản như âm thanh, ánh sáng và văn bản, đến các hình thức hiện đại ngày nay, quá trình này phản ánh sự nghiên cứu và phát triển không ngừng.
Vào năm 1876, Alexander Graham Bell đã phát minh ra chiếc điện thoại đầu tiên, đánh dấu sự khởi đầu cho sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc hiện đại Trong bối cảnh này, hệ thống thông tin vô tuyến đã trở thành hình thức trao đổi thông tin tiên tiến nhất hiện nay.
Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên đƣợc thử nghiệp tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ
Sau những năm 50, sự phát minh ra chất bán dẫn đã có tác động mạnh mẽ đến lĩnh vực thông tin di động, giúp khắc phục nhiều nhược điểm trước đây Việc ứng dụng linh kiện bán dẫn trong thông tin di động đã nâng cao hiệu suất và khả năng truyền tải thông tin.
Thuật ngữ "thông tin di động tế bào" xuất hiện vào những năm 1970, khi các vùng phủ sóng riêng lẻ được kết hợp thành công, giúp giải quyết vấn đề dung lượng một cách hiệu quả.
Hình 1.1 Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động tế bào
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1 (1G)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) sử dụng kỹ thuật analog và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại qua sóng vô tuyến đến các thuê bao di động Với công nghệ FDMA, người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh tần số Tuy nhiên, nếu số lượng thuê bao vượt quá khả năng của các kênh tần số, một số người dùng sẽ bị chặn và không thể truy cập dịch vụ.
Mỗi MS đƣợc cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến
Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là không đáng kể
Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng để làm việc với mỗi MS có trong một cell
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS
Những hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất áp dụng phương pháp đa truy cập đơn giản, nhưng không đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dung lượng và tốc độ Hệ thống này gặp phải một số hạn chế đáng kể.
Phân bố tần số rất hạn chế, dung lƣợng nhỏ
Tiếng ồn và xảy ra nhiễu khi máy di động chuyển dịch trong môi trường fading nhiều tia
Giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng cao
Không đảm bảo tính bảo mật, an toàn của các cuộc gọi
Sự không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt tại châu Âu, khiến cho người dùng không thể sử dụng điện thoại di động của mình khi ở nước ngoài.
Chất lƣợng thấp và vùng phủ sóng hẹp
1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G)
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2, được phát triển đầu tiên ở châu Âu và Bắc Mỹ vào cuối những năm 1980 với tên gọi GSM và IS-95, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Sự phát triển nhanh chóng về số lượng thuê bao đã khiến 2G trở thành một giải pháp hiệu quả cho nhu cầu ngày càng tăng Hệ thống 2G không chỉ cung cấp dịch vụ thoại truyền thống mà còn mở rộng sang các dịch vụ truyền dữ liệu và tiện ích khác, tạo ra sự hấp dẫn vượt trội so với hệ thống 1G.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số Và chúng sử dụng 2 phương pháp truy cập:
Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau
Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau
1.1.2.1 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Trong hệ thống TDMA, tần số cho liên lạc di động được chia thành các dải tần, mỗi dải được sử dụng chung cho N kênh liên lạc, với mỗi kênh tương ứng một khe thời gian trong chu kỳ khung Tin tức được tổ chức dưới dạng gói, bao gồm bit địa chỉ đầu gói, địa chỉ cuối gói, bit đồng bộ và bit dữ liệu Khác với hệ thống FDMA, TDMA không truyền dẫn dữ liệu liên tục và chỉ áp dụng cho dữ liệu số cùng điều chế số.
Các đặc điểm của TDMA
TDMA (Time Division Multiple Access) có hai phương pháp phân phát thông tin: phân định trước và phân phát theo yêu cầu Trong phương pháp phân định trước, các cụm được phân phát theo thời gian đã định sẵn Ngược lại, phương pháp phân phát theo yêu cầu chỉ đáp ứng các mạch khi có cuộc gọi thực tế, giúp tăng hiệu suất sử dụng mạch.
TDMA sử dụng một kênh vô tuyến để ghép nhiều luồng thông tin qua phân chia thời gian, yêu cầu đồng bộ hóa truyền dẫn để tránh trùng lặp tín hiệu Sự gia tăng số lượng kênh ghép dẫn đến thời gian trễ truyền dẫn đa đường không thể bỏ qua, vì vậy việc tối ưu hóa đồng bộ là rất cần thiết.
1.1.2.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Đối với hệ thống CDMA, tất cả người dùng sẽ sử dụng cùng lúc một băng tần Tín hiệu truyền đi sẽ chiếm toàn bộ băng tần của hệ thống Tuy nhiên các tín hiệu của mỗi người dùng sẽ được phân biệt với nhau bởi các chuỗi mã Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau
Kênh vô tuyến CDMA đƣợc dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng đƣợc phân biệt nhau nhở mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN
Trong hệ thống CDMA, tín hiệu băng hẹp được kết hợp với tín hiệu băng thông rộng, gọi là tín hiệu phân tán, sử dụng chuỗi mã giả ngẫu nhiên với tốc độ chip cao hơn tốc độ dữ liệu Tất cả người dùng trong hệ thống CDMA chia sẻ tần số sóng mang và có thể phát đồng thời, với mỗi người dùng sở hữu một từ mã giả ngẫu nhiên riêng, được coi là trực giao với các từ mã khác Tại máy thu, một từ mã đặc trưng được tạo ra để tách sóng tín hiệu tương ứng, trong khi các mã khác được xem như nhiễu Để khôi phục tín hiệu thông tin, máy thu cần biết từ mã của máy phát, cho phép mỗi thuê bao hoạt động độc lập mà không cần thông tin từ các máy khác.
- Dải tần tín hiệu rộng (hàng MHz)
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp
- Kỹ thuật trải phổ không cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA
Việc sử dụng tần số chung cho các thuê bao MS trong cell giúp đơn giản hóa thiết bị truyền dẫn vô tuyến Điều này cho phép thay đổi kế hoạch tần số dễ dàng và linh hoạt, đồng thời việc chuyển giao trở nên mềm mại hơn, giúp kiểm soát dung lượng cell hiệu quả.
Hệ thống mới mang lại chất lượng thoại vượt trội, với dung lượng tăng từ 4 đến 6 lần so với GSM Độ an toàn và bảo mật được nâng cao nhờ kỹ thuật trải phổ giả ngẫu nhiên, cùng khả năng kháng nhiễu và thu đa đường tốt hơn Hệ thống cũng cho phép chuyển vùng linh hoạt, và với hệ số tái sử dụng tần số là 1, vấn đề nhiễu đồng kênh không còn là mối lo ngại.
Tổng quan về mạng 4G
4G là hệ thống thông tin di động băng rộng, được định nghĩa bởi ITU-R như là IMT tiên tiến (IMT Advanced) Hệ thống này cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 100 Mbps cho thuê bao di động di chuyển và 1 Gbps cho thuê bao đứng yên, với băng thông linh động tối đa 40 MHz 4G hoàn toàn dựa trên nền tảng IP, cho phép cung cấp các dịch vụ như thoại IP, truy cập Internet băng rộng, game trực tuyến và truyền hình HD đa phương tiện.
3GPP LTE được coi là tiền thân của 4G, mặc dù phiên bản đầu tiên của LTE chưa đáp ứng đủ các tiêu chuẩn của IMT Advanced LTE cung cấp tốc độ lý thuyết lên đến 100 Mbps cho đường xuống và 50 Mbps cho đường lên với băng thông 20 MHz, và tốc độ này có thể cao hơn khi sử dụng công nghệ MIMO Công nghệ LTE được phát triển lần đầu tại Stockholm và Oslo vào ngày 14/12/2009, với giao diện vô tuyến vật lý ban đầu mang tên HSOPA, hiện được gọi là E-UTRA Nhiều nhà sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu như Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Huawei, LG Electronics, và Samsung đã hợp tác với các nhà mạng lớn như Verizon Wireless, AT&T, NTT DoCoMo và T-Mobile để thực hiện các thử nghiệm quan trọng về công nghệ LTE, đạt được nhiều thành công đáng kể.
LTE Advanced là một ứng viên cho chuẩn IMT-Advanced, nhằm đáp ứng các yêu cầu của ITU Công nghệ này tương thích với các thiết bị hiện có và cho phép chia sẻ băng thông với phiên bản LTE đầu tiên.
Di động Wimax (IEEE 802.16e-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bit đường xuống là 128 Mbps và
56 Mbps cho đường lên với độ rộng băng thông hơn 20MHz
UMB (Ultra Mobile Broadband) là công nghệ viễn thông được phát triển bởi các tổ chức tại Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc, cùng với các hãng như Alcatel-Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless, dựa trên nền tảng CDMA Công nghệ này hoạt động ở băng tần rộng từ 1,25MHz đến 20MHz và hỗ trợ nhiều dải tần số khác nhau, cho phép tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho đường xuống và 75Mbps cho đường lên khi sử dụng băng tần 20MHz.
1.2.1 Mục tiêu và cách tiếp cận
4G mang lại chất lượng dịch vụ (QoS) và tốc độ vượt trội so với 3G, không chỉ cung cấp truy cập băng rộng mà còn hỗ trợ các dịch vụ như nhắn tin đa phương tiện (MMS), chat video, TV di động, và HDTV Nó còn đảm bảo các dịch vụ cơ bản như thoại, dữ liệu và nhiều dịch vụ khác, đồng thời cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ và kết nối với hệ thống quảng bá video số.
Các mục tiêu mà 4G hướng đến:
Băng thông linh hoạt từ 5MHz đến 20MHz, có thể lên đến 40MHz
Tốc độ đƣợc quy định bởi ITU là 100Mbps khi di chuyển và 1Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm
Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100Mbps giữa bất kì hai điểm nào trên thế giới
Hiệu suất phổ đường truyền là 15 bits/s/Hz ở đường xuống và 6,76bits/s/Hz ở đường lên (có nghĩa là 1000Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67MHz)
Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bits/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà
Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp xxxv
Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu đa mạng
Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực, tốc độ truyền dữ liệu cao, HDTV, TV di động…
Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại
Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa
1.2.2 Các kỹ thuật đƣợc sử dụng
Kỹ thuật sử dụng ở lớp vật lý
- MIMO: để đạt đƣợc hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo không gian, đa anten đa người dùng
Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số như OFDM hoặc SC-FDE ở đường xuống giúp khai thác thuộc tính chọn lọc tần số của kênh mà không cần lượng tử phức tạp.
Ghép kênh trong miền tần số, như OFDMA hoặc SC-FDMA, cho phép điều chỉnh tốc độ bit bằng cách phân bổ các kênh con khác nhau cho người dùng dựa trên điều kiện kênh.
- Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu
Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian
Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi.
Sự khác nhau giữa mạng 4G LTE với các mạng khác
1.3.1 Sự khác nhau giữa mạng 3G và mạng 4G LTE
Công nghệ 3G cho phép truy cập internet không dây và gọi video, trong khi 4G được phát triển từ 3G với tốc độ nhanh hơn từ 4 đến 10 lần Tốc độ tối đa của 3G là 14 Mbps cho tải xuống và 5.8 Mbps cho tải lên, trong khi 4G có thể đạt tới 100 Mbps cho người dùng di chuyển và 1 Gbps cho người dùng đứng yên 3G hoạt động trên dải tần 1885-2025MHz cho tải lên và 2110-2200MHz cho tải xuống, với tốc độ từ 144Kbps đến 2Mbps và băng thông 5 MHz Ngược lại, mạng 4G LTE hoạt động ở băng tần 700MHz đến 2,6GHz, nhằm cung cấp tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp và công nghệ truy cập sóng vô tuyến tối ưu.
LTE có băng thông linh hoạt từ 1.25MHz đến 20MHz, cho phép tốc độ tải lên (UL) đạt 50Mbps với cấu hình 2 anten thu và 1 anten phát Độ trễ của LTE thấp hơn 5ms, mang lại hiệu quả trải phổ cao gấp 4-10 lần số người dùng trên mỗi cell so với WCDMA Những ưu điểm này làm cho LTE trở thành lựa chọn vượt trội trong công nghệ di động.
Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G
Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ
Cấu trúc mạng đơn giản hơn và không còn chuyển mạch kênh nữa
Hiệu quả trải phổ tăng 4 đến 10 lần user/cell so với WCDMA
Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ƣu điểm của LTE so với WCDMA 1.3.2 Sự khác nhau giữa mạng 4G LTE với HSPA và WiMax
Cả LTE và Wimax đều dựa trên nền tảng IP và sử dụng kỹ thuật MIMO để cải thiện chất lượng tín hiệu Cả hai công nghệ này cũng áp dụng kỹ thuật OFDM để tăng tốc độ truyền tải đa phương tiện và video Trong khi chuẩn WiMax (802.16e) có tốc độ tải xuống tối đa 70Mbps, LTE có thể đạt tới 300Mbps Tuy nhiên, có sự khác biệt trong đường lên giữa hai công nghệ: WiMax sử dụng OFDMA, trong khi LTE áp dụng SC-FDMA, được thiết kế để hoạt động hiệu quả hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn.
LTE vượt trội hơn WiMax nhờ khả năng tương thích với cả hai phương thức TDD (Time Division Duplex) và FDD (Frequency Division Duplex), trong khi WiMax chỉ hỗ trợ TDD TDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống qua một kênh tần số bằng cách phân chia theo thời gian, trong khi FDD sử dụng hai kênh tần số riêng biệt cho việc truyền dữ liệu Điều này đồng nghĩa với việc LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn so với WiMax.
Bảng 1.1 So sánh LTE với HSPA và WiMax
Các tiêu chí HSPA WiMax LTE
Phiên bản 3GPP release 6 802.16e (2005) 3GPP release 8
Cơ sở hạ tầng và các thiết bị
Bắt đầu từ năm 2007 Bắt đầu từ năm 2007 Bắt đầu từ năm 2010
700MHz, 850MHz, 1.5GHz, 1.8GHz, 1.7/2.1GHz
700MHz, 850MHz, 1.5GHz, 1.8GHz, 1.7/2.1GHz, 2.1GHz, 2.3GHz, 2.6GHz Các thông số hướng đến
Tốc độ dữ liệu lên 5.6Mbps đối với kênh 5MHz, bán kính cell là 680m
Tốc độ dữ liệu lên 75Mbps/25Mbps đối với kênh 10MHz với 2x2 MIMO, bán kính cell lên đến 2-7km, 100-200 người dùng
Tốc độ dữ liệu lên 100Mbps/50Mbps đối với kênh 10MHz với 2x2MIMO, bán kính cell lên đến 5km, lớn hơn 400 người dùng
Khả năng tương thích lùi
Tương thích lùi với Release 99
Không thích nghi lùi với 3GPP hoặc 3GPP2
Kế thừa chuẩn 3GPP, nhƣng khác kỹ thuật nên đòi hỏi thiết bị mới ở RAN nếu dải tần khác nhau đƣợc sử dụng
Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng, ưu điểm, nhược điểm và sự phát triển của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1, 2, 3 và 4, đồng thời đã sơ lƣợc đƣợc tổng quan của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 Hai thông số quan trọng đặc trƣng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động, ở các thế hệ tiếp theo thì các thông số này càng được cải thiện Nêu đƣợc sự khác biệt cũng nhƣ những ƣu điểm của mạng 4G LTE so với mạng 3G và WiMax xxxviii
CẤU TRÚC MẠNG 4G LTE VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠNG 4G LTE
Giới thiệu về công nghệ LTE
Hệ thống 3GPP LTE (Long Term Evolution) là bước tiến quan trọng trong mạng không dây 3G, dựa trên công nghệ GSM/UMTS và được coi là công nghệ tiềm năng cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã phân loại truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced, chia thành hai hệ thống: di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp, trong đó 3GPP LTE phục vụ cho di động tốc độ cao Công nghệ này tích hợp chuẩn 3GPP LTE với các dịch vụ ứng dụng khác, cho phép người dùng thực hiện cuộc gọi và truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và GSM/GPRS hoặc UMTS Kiến trúc mạng mới được thiết kế nhằm cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói với chất lượng dịch vụ tốt và độ trễ tối thiểu, sử dụng băng thông linh hoạt thông qua mô hình OFDMA và SC-FDMA Hệ thống cũng áp dụng bán song công FDD, giúp giảm chi phí cho thiết bị đầu cuối (UE) bằng cách không yêu cầu phát và thu cùng lúc Truy cập lên sử dụng SC-FDMA, cho phép tăng vùng phủ và cải thiện tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình, đồng thời nâng cao tốc độ dữ liệu đỉnh với hệ số phổ cell cao hơn so với HSPA Release 6.
3GPP đã đặt ra các yêu cầu cao cho LTE, bao gồm việc giảm chi phí cho mỗi bit thông tin và cung cấp dịch vụ tốt hơn Công nghệ này cũng hướng đến việc sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đồng thời đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở Một mục tiêu quan trọng khác là giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20MHz:
Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz so với mạng HSDPA Rel.6:
Tải lên: gấp 2 đến 3 lần
Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần
Hoạt động của dịch vụ tối ưu ở tốc độ di chuyển từ 0-15 km/h, vẫn đảm bảo hiệu suất tốt khi tốc độ từ 15-120 km/h và duy trì hoạt động ổn định ngay cả khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120-350 km/h.
Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30-100km thì không hạn chế
Hệ thống băng thông linh hoạt có khả năng hoạt động trên các băng tần 1.25MHz, 1.6MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz cho cả chiều lên và chiều xuống, hỗ trợ các trường hợp băng lên và băng xuống có độ dài bằng nhau hoặc khác nhau Để đạt được điều này, nhiều kỹ thuật mới như OFDMA và MIMO sẽ được áp dụng, đồng thời hệ thống sẽ hoạt động hoàn toàn trên nền IP và hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD.
Các mục tiêu thiết kế LTE
Vào đầu năm 2005, 3GPP đã khởi xướng các tiêu chí, yêu cầu và mục tiêu cho LTE, được ghi chép trong tài liệu 3GPP TR 25.91 Những yêu cầu này được phân chia thành bảy lĩnh vực khác nhau, nhằm định hướng phát triển công nghệ LTE.
Các khía cạnh liên quan đến triển khai
Kiến trúc và phát triển
Quản lý tài nguyên vô tuyến
Yêu cầu về tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbit/s và cho đường lên là 50Mbit/s, khi hoạt động trong phân bố phổ 20MHz, với khả năng biểu diễn 5bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5bit/s/Hz cho đường lên LTE hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD, trong đó TDD không cho phép truyền dẫn đường lên và đường xuống đồng thời, dẫn đến yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh không thể trùng nhau Ngược lại, chế độ FDD cho phép phát và thu đồng thời, đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh theo lý thuyết đã đề ra.
Yêu cầu về độ trễ được phân thành hai loại: độ trễ mặt phẳng điều khiển và độ trễ mặt phẳng người dùng Độ trễ mặt phẳng điều khiển xác định thời gian chuyển đổi từ trạng thái thiết bị đầu cuối không tích cực sang trạng thái tích cực, cho phép thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu Có hai số đo liên quan đến yêu cầu này.
Thời gian chuyển từ trạng thái rỗi trong mạng R6, nơi mà mạng không nhận diện được thiết bị người dùng (UE) và không có ngữ cảnh cũng như tài nguyên được phân bổ cho UE, được đo lường là 100ms Trong trạng thái này, UE sẽ ở trong chế độ ngủ và định kỳ thức dậy để nhận thông tin từ mạng trong những khoảng thời gian quy định.
Thời gian chuyển từ trạng thái ngủ (dormant) sang trạng thái hoạt động (Cell_PCH trong R6) là một chỉ số quan trọng, trong đó mạng truy cập vô tuyến nhận biết được vị trí của UE nhưng không cấp phát tài nguyên UE có khả năng ngủ và định kỳ thức dậy để nhận thông tin từ mạng trong các khoảng thời gian quy định, với yêu cầu thời gian là 50ms.
Yêu cầu về độ trễ trong mạng được xác định là thời gian cần thiết để truyền một gói IP nhỏ từ đầu cuối đến nút biên của RAN hoặc ngược lại ở lớp IP Thời gian truyền dẫn một chiều không được vượt quá 5ms trong điều kiện mạng không tải, tức là không có các đầu cuối khác trong ô Cả hai yêu cầu này đều không tính đến độ trễ trong chế độ ngủ và tín hiệu không phải RAN.
Các yêu cầu đặc tính của LTE liên quan đến hệ thống chuẩn sử dụng phiên bản 6 HSPA, với trạm gốc giả định có một anten phát và hai anten thu, trong khi thiết bị đầu cuối có tối đa một anten phát và hai anten thu Tuy nhiên, các đặc tính nâng cao trong việc cải tiến HSPA không được đưa vào tham chiếu chuẩn, do đó, dù thiết bị đầu cuối giả định có hai anten thu, một bộ thu RAKE đơn giản vẫn được áp dụng Ngoài ra, ghép kênh không gian cũng không được sử dụng trong hệ thống chuẩn Yêu cầu lưu lượng người dùng được xác định theo hai điểm: phân bố người dùng trung bình và phân bố người dùng vị thứ 5 Hiệu suất phổ được định nghĩa là lưu lượng hệ thống theo tế bào tính theo bit/s/MHz/cell, với các mục tiêu thiết kế được tổng hợp trong bảng.
Bảng 2.1 Các yêu cầu thông lượng của người dùng và hiệu suất sử dụng phổ tần
Số đo hiệu năng Mục tiêu đường xuống Mục tiêu đường lên
Thông lƣợng trung bình của người sử dụng (trên
Thông lƣợng tại biên ô của người sử dụng (trên
Hiệu suất sử dụng phổ tần (bit/s/Hz/ô) 3 lần – 4 lần 2 lần – 3 lần
Các yêu cầu về tính di động chú trọng vào tốc độ của các thiết bị di động Mục tiêu là đạt được hiệu suất tối ưu ngay cả khi tốc độ của đầu cuối di động ở mức thấp từ 0 đến xlii.
Tốc độ tối đa của LTE có thể đạt 350km/h, tuy nhiên hiệu năng có thể giảm nhẹ ở các đầu cuối với tốc độ cao hơn 15km/h Để duy trì kết nối ổn định trên toàn mạng ở tốc độ lên đến 120km/h, LTE cần đảm bảo hiệu suất cao Đồng thời, dịch vụ thoại của LTE phải tương đương với WCDMA/HSPA.
Yêu cầu về vùng phủ sóng chủ yếu tập trung vào phạm vi tế bào, với khoảng cách tối đa từ vùng tế bào đến thiết bị di động Đối với phạm vi tế bào lên đến 5km, các yêu cầu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ linh động vẫn được đảm bảo trong giới hạn không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Tuy nhiên, với các tế bào có phạm vi lên đến 30km, lưu lượng người dùng và hiệu suất phổ sẽ giảm đáng kể, mặc dù vẫn ở mức chấp nhận được.
LTE cung cấp dịch vụ vượt trội so với phiên bản 6, với hiệu suất phổ yêu cầu đạt 1bit/s/Hz, cho phép phát sóng khoảng 16 kênh TV di động trên băng tần 5MHz với tốc độ 300kbit/s Hơn nữa, LTE hỗ trợ dịch vụ MBMS trên một sóng mang duy nhất, đồng thời kết hợp các dịch vụ non-MBMS khác Do đó, LTE có khả năng cung cấp đồng thời cả dịch vụ thoại và dịch vụ MBMS một cách hiệu quả.
2.2.3 Các khía cạnh liên quan đến triển khai
Yêu cầu triển khai bao gồm kịch bản triển khai, độ linh hoạt phổ, trải phổ và sự tương thích giữa LTE và các công nghệ truy cập vô tuyến khác của 3GPP như GSM và WCDMA/HSPA.
Yêu cầu về kịch bản triển khai hệ thống LTE bao gồm cả việc triển khai độc lập và kết hợp với WCDMA/HSPA hoặc GSM Điều này đảm bảo rằng các tiêu chuẩn thiết kế không bị giới hạn.
Vấn đề tương thích và phối hợp giữa các hệ thống 3GPP, bao gồm LTE, GSM và WCDMA/HSPA, đặt ra yêu cầu về tính linh động cho thiết bị di động Bảng 2.2 chỉ ra các yêu cầu về thời gian gián đoạn, tức là khoảng thời gian tối đa mà kết nối vô tuyến bị gián đoạn khi người dùng di chuyển giữa các công nghệ truy cập khác nhau, bao gồm cả dịch vụ thời gian thực và phi thời gian thực.
Yêu cầu về khả năng cùng tồn tại và hợp tác giữa các công nghệ xác định việc chuyển đổi lưu lượng multicast từ phương pháp LTE sang phương pháp unicast trong cả GSM và WCDMA, mặc dù không có số lượng cụ thể được quy định.
Bảng 2.2 Các yêu cầu thời gian gián đoạn, LTE-GSM và LTE-WCDMA
Phi thời gian thực (ms) Thời gian thực (ms)
LTE sang WCDMA 500ms 300ms
LTE sang GSM 500ms 300ms
Tính linh hoạt phổ và triển khai
Cấu trúc mạng
LTE được thiết kế để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói, nhằm cung cấp kết nối IP liên tục giữa các thiết bị người dùng (UE) và mạng dữ liệu (PDN) mà không bị gián đoạn trong quá trình di chuyển Thuật ngữ LTE không chỉ đề cập đến việc cải tiến truy cập vô tuyến thông qua E-UTRAN, mà còn bao gồm các cải tiến không vô tuyến trong hệ thống SAE, với mạng lõi gói cải tiến EPC LTE, tạo thành hệ thống gói cải tiến EPS.
Hình 2.3 Sự chuyển đổi trong cấu trúc mạng từ UTRAN sang E-UTRAN
Mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến LTE có cấu trúc đơn giản hơn so với UMTS, với mục tiêu chính là giảm thiểu số lượng Node Các RNC đã được loại bỏ, và chức năng của chúng được chuyển giao một phần cho các trạm cơ sở, được gọi là Enhanced NodeB (eNodeB), và một phần cho nút Gateway trong mạng lõi Do không còn phần tử điều khiển trung ương, các trạm cơ sở LTE hiện thực hiện chức năng quản lý dữ liệu truyền tải độc lập và đảm bảo chất lượng dịch vụ, mặc dù các RNC vẫn tiếp tục điều khiển các kênh truyền tải cho dịch vụ thoại chuyển kênh.
Hình 2.4 minh họa cấu trúc của EPS, trong đó khái niệm “EPS bearers” được sử dụng để định tuyến IP từ Gateway trong PDN đến UE Thông báo này là một gói IP được gọi là QoS (Quality of Service) giữa Gateway và UE.
EPS cung cấp kết nối IP đến PDN để người dùng truy cập Internet và sử dụng các dịch vụ như VoIP Một thông báo EPS thường đi kèm với QoS, cho phép thiết lập nhiều thông báo cho một người dùng nhằm cung cấp các dòng QoS khác nhau hoặc kết nối đến các PDN khác nhau.
Hình 2.5 Các thành phần trong mạng EPS
Cấu trúc mạng EPS bao gồm nhiều thành phần và giao diện chuẩn, được thể hiện qua hình 2.5 Mạng này gồm hai phần chính: Core Network CN (EPC) và mạng truy cập E-UTRAN Trong khi Core Network bao gồm các nút vật lý, mạng truy cập chỉ có một nút duy nhất là eNodeB (evolved NodeB), kết nối với các thiết bị người dùng (UE) Các phần tử trong mạng kết nối với nhau thông qua các giao diện chuẩn cho phép tương tác hiệu quả.
Mạng lõi CN (đƣợc gọi là EPC trong SAE) đáp ứng cho việc điều khiển UE và thiết lập các thông báo Các Node chính của EPC:
Mobility Management Entity (MME) li
Hình 2.6 Phân chia chức năng giữa E-UTRAN và EPC
Ngoài các Node này, EPC cũng gồm có những Node và chức năng vật lí khác nhƣ HSS và PCRF
PCRF (Policy and Charging Rules Function) đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý chính sách và điều khiển các thực thể trong PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) tại P-GW (Packet Gateway) Nó chịu trách nhiệm cấp phép cho chất lượng dịch vụ (QoS), quyết định cách thức hoạt động của các dòng dữ liệu trong PCEF và đảm bảo sự phù hợp với các thuê bao của người dùng.
HLR là hệ thống lưu trữ dữ liệu thuê bao người dùng, bao gồm thông tin về các PDN mà người dùng có thể kết nối Nó cũng lưu trữ thông tin động liên quan đến việc nhận dạng người dùng đang đăng ký của MME HLR còn tích hợp AuC, một phần tử quan trọng trong việc phát mã bảo vệ và cấp phép.
P-GW có vai trò quan trọng trong việc định vị địa chỉ IP cho thiết bị người dùng (UE) và thực hiện chính sách chất lượng dịch vụ (QoS) từ PCRF PCRF sẽ xử lý và lọc các gói IP gửi đến người dùng dựa trên các thông báo QoS khác nhau.
S-GW: tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua S-GW, S-
GW như một trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi
UE di chuyển giữa các eNodeB và giữ lại thông tin về các thông báo khi ở trạng thái rỗi, đồng thời làm bộ đệm tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME gửi thông báo thiết lập lại đến UE Ngoài ra, S-GW thực hiện các chức năng điều khiển trong mạng khách, bao gồm thu thập thông tin để tính cước và cung cấp kết nối cho các trạm di động với các kỹ thuật khác của 3GPP như GPRS và UMTS.
MME: điều khiển các Node xử lí tín hiệu giữa UE và CN Giao thức giữa
UE và CN là Non-Access Stratum (NAS) Chức năng chính của MME đƣợc phân loại nhƣ sau :
Chức năng quản lý thông báo bao gồm việc thiết lập, duy trì và gửi đi các thông báo, được điều khiển bởi lớp quản lý phiên trong giao thức NAS.
Các chức năng quản lý kết nối bao gồm việc thiết lập và bảo mật kết nối giữa mạng và thiết bị người dùng (UE), được điều phối bởi lớp quản lý tính di động hoặc thông qua giao thức NAS.
Các thủ tục lớp không truy cập NAS (Non-Acess Stratum)
Các thủ tục NAS là quy trình quản lý kết nối đặc biệt, tương tự như UMTS, nhưng với sự khác biệt chính là EPS cho phép ghép nối nhiều thủ tục, giúp thiết lập kết nối và thông báo nhanh chóng hơn.
E-UTRAN là một cấu trúc phẳng Các eNodeB kết nối với nhau thông qua các đường giao tiếp x2, và kết nối với EPC bằng đường giao tiếp S1 Mạng truy cập của LTE, E-UTRAN, đơn giản bao gồm một mạng lưới các eNodeB như hình 2.3
Các trạm cơ sở hiện nay đảm nhiệm việc thực hiện các cuộc chuyển giao cho các UE tích cực thông qua các đường giao tiếp x2, cho phép eNodeB giao tiếp trực tiếp với nhau Những đường giao tiếp này không chỉ chuẩn bị cho các cuộc chuyển giao mà còn giúp giảm thiểu dữ liệu người dùng thất thoát trong quá trình chuyển giao, mặc dù dữ liệu không được chuyển tiếp trong trường hợp này Việc thực hiện chuyển giao cần phải nhanh chóng để tránh mất mát dữ liệu Khác với UMTS, mạng LTE chỉ thực hiện chuyển giao cứng, nghĩa là chỉ có một cell liên lạc với UE tại một thời điểm Đường giao tiếp S1 kết nối các eNodeB với các nút gateway giữa mạng vô tuyến và mạng lõi hoàn toàn dựa trên giao thức IP, không giống như UMTS, nơi sử dụng giao thức ATM cho các tầng thấp, dẫn đến sự phức tạp và thiếu linh hoạt LTE sử dụng vận chuyển IP từ đầu, với các trạm cơ sở được trang bị cổng Ethernet 100Mbit/s hoặc 1Gbit/s.
Giao thức giữa các eNodeB và UE là giao thức lớp truy cập AS E-UTRAN chịu trách nhiệm về các chức năng liên quan đến vô tuyến, gồm có :
Quản lí nguồn tài nguyên vô tuyến
Trong mạng LTE, mỗi EnodeB quản lý một số lượng cell nhất định, khác với 2G và 3G, LTE tích hợp chức năng bộ điều khiển vô tuyến ngay trong eNodeB Điều này giúp cải thiện sự tương tác giữa các lớp giao thức của mạng truy cập vô tuyến, giảm độ trễ và nâng cao hiệu suất Việc điều khiển phân phối giúp tránh việc cần một bộ điều khiển xử lý chuyên sâu, từ đó giảm chi phí Hơn nữa, do LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm, nên không cần chức năng liên kết dữ liệu tập trung trong mạng.
2.4.3 Đường giao tiếp giữa mạng lõi với mạng truy cập vô tuyến
Truy cập vô tuyến trong LTE
Khi người dùng chuyển vùng trong mạng LTE/SAE, họ sẽ kết nối với E-UTRAN, MME và S-GW của mạng LTE khách Tuy nhiên, LTE/SAE chỉ cho phép sử dụng P-GW từ mạng khách hoặc mạng nhà.
Sử dụng P-GW trong mạng nhà giúp người dùng truy cập dịch vụ mạng ngay cả khi đang ở trong mạng khách Điều này cho phép P-GW trong mạng khách cung cấp khả năng kết nối liên tục và thuận tiện cho người sử dụng.
“ngắt cục bộ” đối với mạng Internet trong mạng khách
2.4.6 Kết nối với các mạng khác
Hình 2.8 Kiến trúc liên mạng với 3G UMTS
EPS hỗ trợ kết nối và chuyển giao với các mạng sử dụng kỹ thuật truy cập vô tuyến khác như GSM, UMTS, CDMA2000 và WIMAX, với kiến trúc được thể hiện trong hình.
S-GW hoạt động nhƣ một trạm di động dùng để kết nối với các kĩ thuật 3GPP nhƣ GSM và UMTS trong khi P-GW cho phép kết nối với các mạng không phải của 3GPP nhƣ CDMA2000 hay WIMAX
2.5 Truy nhập vô tuyến trong LTE
2.5.1 Hệ thống truyền dẫn đường xuống và đường lên trong LTE
Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE sử dụng công nghệ OFDM, với thời gian ký tự OFDM dài kết hợp cùng tiền tố chu trình.
UTRAN sử dụng OFDM để cung cấp độ mạnh mẽ chống lại sự chọn lọc tần số kênh Mặc dù lý thuyết cho thấy việc kiểm soát sai lệch tín hiệu qua kỹ thuật cân bằng có thể thực hiện, nhưng sự phức tạp của kỹ thuật này làm giảm tính hấp dẫn khi triển khai trên thiết bị di động với băng thông trên 5MHz Do đó, OFDM, với khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, trở thành lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi kết hợp với ghép kênh không gian.
Một số lợi ích khác của kỹ thuật OFDM bao gồm:
OFDM cung cấp khả năng truy cập tần số với độ tự do bổ sung cho khối hoạch định, giúp cải thiện hiệu suất so với HSPA.
OFDM hỗ trợ linh hoạt trong việc phân bố băng thông bằng cách chuyển đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang phụ để truyền tải.
OFDM cho phép truyền dẫn quảng bá đa phương đơn giản, với thông tin được phát từ nhiều trạm gốc Trong đường lên LTE, truyền dẫn đơn sóng mang sử dụng kỹ thuật DFT-spread OFDM, mang lại tỷ số đỉnh trên trung bình tín hiệu thấp hơn so với truyền dẫn đa sóng mang như OFDM Tỷ số này càng nhỏ, công suất phát trung bình của bộ khuếch đại càng cao, giúp sử dụng hiệu quả hơn và mở rộng vùng phủ sóng, điều này rất quan trọng cho các thiết bị đầu cuối hạn chế năng lượng Đồng thời, việc kiểm soát lỗi tín hiệu đơn sóng mang do fading lựa chọn tần số trở nên dễ dàng hơn trong đường lên, nhờ vào ít giới hạn nguồn tạo tín hiệu tại trạm gốc so với thiết bị đầu cuối.
Khác với đường lên không trực giao của WCDMA/HSPA, đường lên LTE sử dụng kỹ thuật phân tách trực giao giữa người dùng trong miền thời gian và tần số, giúp tránh nhiễu trong tế bào Tuy nhiên, việc phân bổ tài nguyên băng thông lớn cho người dùng không phải là chiến lược hiệu quả khi tốc độ dữ liệu bị giới hạn bởi công suất truyền dẫn Trong các trường hợp này, thiết bị đầu cuối chỉ nhận một phần băng thông tổng, cho phép các thiết bị khác truyền song song trên phần phổ còn lại Do đó, đường lên LTE bao gồm thành phần đa truy nhập miền tần số, thường được xem như hệ thống Single Carrier FDMA (SC-FDMA).
2.5.2 Hoạch định phụ thuộc kênh truyền và sự thích ứng tốc độ
Trung tâm của hệ thống truyền dẫn LTE là kỹ thuật chia sẻ kênh truyền, cho phép tài nguyên tần số - thời gian được phân bổ tự động giữa các người dùng Việc áp dụng phương pháp này rất phù hợp với yêu cầu của dữ liệu gói, nhờ vào khả năng thay đổi tài nguyên nhanh chóng và hỗ trợ nhiều công nghệ quan trọng khác trong LTE.
Khối hoạch định (scheduler) đóng vai trò quan trọng trong việc phân phát tài nguyên chia sẻ cho người dùng và quyết định tốc độ dữ liệu cho mỗi đường truyền, được gọi là thích ứng tốc độ Đây là một phần thiết yếu của bộ scheduler, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất toàn bộ đường xuống, đặc biệt trong các mạng có tải trọng cao.
Cả quá trình hoạch định đường lên và đường xuống trong LTE cần được thực hiện một cách chặt chẽ, với việc chú ý đến đặc tính kênh truyền để tối ưu hóa khả năng hệ thống Hoạch định phụ thuộc kênh truyền cho phép lựa chọn kênh có đặc tính tốt nhất cho người dùng ở mỗi miền tần số, nhờ vào việc sử dụng OFDM cho đường xuống và DFTS-OFDM cho đường lên Điều này giúp LTE không chỉ quan tâm đến sự biến đổi kênh truyền trong miền thời gian mà còn trong cả miền tần số, như được minh họa trong hình 2.9.
Trong quá trình truyền dữ liệu xuống, mỗi thiết bị đầu cuối gửi đánh giá về chất lượng kênh truyền tức thời đến trạm gốc, thông qua việc đo tín hiệu tham khảo Thông tin này không chỉ phục vụ cho việc đánh giá chất lượng mà còn hỗ trợ trong giải điều chế Dựa trên các đánh giá này, bộ lập lịch đường xuống có thể phân bổ tài nguyên cho người dùng, đảm bảo chất lượng kênh truyền Về lý thuyết, một thiết bị đầu cuối có thể nhận được một tổ hợp bất kỳ của các khối tài nguyên rộng 180KHz trong mỗi khoảng thời gian 1ms.
Hình 2.9 Hoạch định phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số
2.5.2.2 Hoạch định đường lên Đường lên LTE dựa trên sự phân cách trực giao giữa các người dùng và nhiệm vụ của scheduler là phân phát tài nguyên cả về thời gian và tần số cho các người dùng khác nhau Quyết định phân bố đƣợc đƣa ra sau mỗi 1 ms, có nhiệm vụ điều khiển những thiết bị đầu cuối nào đƣợc phép truyền đi thuộc phạm vi 1 cell trong suốt một khoảng thời gian cho trước, và quyết định tài nguyên tần số nào được dùng cho quá trình truyền dẫn cũng nhƣ là tốc độ dữ liệu nào đang đƣợc sử dụng
Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE
Kiến trúc giao thức LTE cho đường xuống được mô tả trong hình 2.12, cho thấy cấu trúc và chức năng của các lớp giao thức Mặc dù kiến trúc giao thức LTE cho đường lên cũng tương tự như đường xuống, nhưng có một số khác biệt trong việc lựa chọn định dạng truyền tải và sử dụng công nghệ truyền dẫn đa anten.
Hình 2.12 Kiến trúc giao thức LTE đường xuống
Dữ liệu được truyền qua đường xuống dưới dạng các gói IP trên tải tin SAE Trước khi được phát qua giao diện vô tuyến, các gói IP này sẽ trải qua nhiều phần tử khác nhau, được tổng hợp và mô tả chi tiết trong các phần sau.
Giao thức hội tụ số liệu gói (PDCP) thực hiện nén tiêu đề IP, giúp giảm số lượng bit cần thiết cho truyền dẫn qua giao diện vô tuyến Cơ chế nén tiêu đề dựa trên ROHC, một thuật toán tiêu chuẩn sử dụng trong WCDMA và các tiêu chuẩn di động khác PDCP cũng đảm nhiệm mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu truyền đi Tại phía thu, PDCP sẽ giải nén và giải mã thông tin, với chỉ một phần tử PDCP trên mỗi tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động.
Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC) đảm nhận vai trò quan trọng trong việc phân đoạn ghép nối, điều khiển truyền lại và phân phát dữ liệu lên các lớp cao hơn theo thứ tự Khác với WCDMA, giao thức RLC được triển khai trong eNodeB do kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE chỉ bao gồm một loại node đơn RLC cung cấp dịch vụ cho PDCP dưới dạng các tải tin vô tuyến, với mỗi thiết bị đầu cuối chỉ được cấu hình một phần tử RLC trên một tải tin vô tuyến.
Điều khiển truy cập môi trường (Medium Access Control - MAC) đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý truyền lại HARQ và hoạch định đường lên, đường xuống Chức năng hoạch định được thực hiện tại eNodeB với một phần tử MAC duy nhất cho mỗi tế bào, phục vụ cả hai hướng truyền Giao thức HARQ hiện diện ở cả đầu phát và đầu thu của MAC, trong khi khối MAC cung cấp dịch vụ cho RLC thông qua các kênh logic.
Lớp vật lý (Physical layer – PHY) chịu trách nhiệm cho việc mã hóa, giải mã, điều chế và giải điều chế, cũng như các chức năng khác của lớp vật lý Nó cung cấp dịch vụ cho lớp MAC thông qua các kênh chuyển tải Bài viết sẽ đi sâu vào mô tả các giao thức RLC và MAC của LTE, đồng thời cung cấp cái nhìn tổng quan về lớp vật lý từ góc độ của lớp MAC.
2.6.1 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC)
RLC LTE, tương tự như WCDMA/HSPA, đảm nhiệm việc phân đoạn các gói
IP, hay còn gọi là RLC SDUs, được chuyển đổi từ PDCP thành các đơn vị nhỏ hơn, gọi là RLC PDUs RLC cũng có nhiệm vụ điều khiển việc truyền lại các PDUs bị nhận nhầm, loại bỏ các PDUs bị nhân đôi và ghép nối các PDUs đã nhận Cuối cùng, RLC đảm bảo việc phân phối các RLC SDUs theo đúng thứ tự lên các lớp phía trên.
Cơ chế truyền lại RLC đảm bảo cung cấp dữ liệu phân phát không bị lỗi cho các lớp cao hơn thông qua giao thức truyền lại giữa các phần tử RLC tại đầu thu và đầu phát RLC thu giám sát các số thứ tự để phát hiện PDUs bị thiếu, từ đó gửi báo cáo trạng thái về RLC phát yêu cầu truyền lại Các báo cáo này thường chỉ chứa thông tin về nhiều PDUs và ít khi được truyền đi Dựa trên báo cáo trạng thái, phần tử RLC tại đầu phát có thể thực hiện các hành động thích hợp và truyền lại các PDUs bị thiếu khi cần thiết.
RLC có thể được cấu hình theo hai chế độ: Không báo nhận (Unacknowledged Mode - UM) và Trong suốt (Transparent Mode - TM) Chế độ UM đảm bảo phân phát đúng thứ tự cho các lớp cao hơn nhưng không truyền lại các PDUs bị thiếu, thường được sử dụng cho dịch vụ như VoIP khi thời gian phân phát quan trọng hơn độ chính xác Mặc dù chế độ TM được hỗ trợ, nhưng chỉ dành cho các mục đích cụ thể như truy cập ngẫu nhiên Mặc dù RLC có khả năng kiểm soát lỗi truyền dẫn, nhưng hầu hết các lỗi này được quản lý bởi giao thức HARQ dựa trên MAC, do đó việc sử dụng cơ chế truyền lại trong RLC thường không cần thiết.
Hình 2.13 Phân đoạn và hợp đoạn RLC
RLC không chỉ quản lý việc truyền và phân phát dữ liệu theo trình tự mà còn đảm nhận vai trò phân đoạn và ghép nối dữ liệu, như minh họa trong hình 2.13 Dựa trên quyết định của scheduler, dữ liệu sẽ được chọn từ bộ đệm RLC SDU để tạo thành RLC PDU thông qua quá trình phân đoạn Kích thước RLC PDU trong LTE có tính động, khác với WCDMA/HSPA trước phiên bản 7, nơi kích thước PDU là bán tĩnh Khi tốc độ dữ liệu cao, kích thước PDU lớn sẽ dẫn đến phần mào đầu nhỏ hơn; ngược lại, khi tốc độ dữ liệu thấp, kích thước PDU cần giảm để tránh tải trọng quá lớn Do đó, kích thước PDU động sẽ được điều chỉnh bởi LTE trong khoảng tốc độ từ vài Kbit/s đến trên 100 Mbit/s, với RLC, scheduler và cơ chế thích ứng tốc độ đều được đặt tại eNodeB, giúp hỗ trợ dễ dàng cho kích thước PDU động trong LTE.
2.6.2 Điều khiển truy nhập môi trường (MAC)
2.6.2.1 Kênh logic và kênh truyền tải
MAC cung cấp dịch vụ cho RLC thông qua các kênh logic, được định nghĩa bởi loại thông tin mà chúng mang theo Các kênh này thường được phân loại thành kênh điều khiển, dùng để truyền tải thông tin cấu hình và điều khiển cho hệ thống LTE, và kênh lưu lượng, phục vụ cho dữ liệu người dùng Tập hợp các loại kênh logic được chỉ định cho LTE bao gồm nhiều loại khác nhau.
Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) là kênh quan trọng dùng để truyền tải thông tin điều khiển từ mạng đến tất cả các thiết bị đầu cuối di động trong một tế bào Trước khi kết nối vào hệ thống, các thiết bị di động cần đọc thông tin trên kênh BCCH để hiểu cách cấu hình của hệ thống, chẳng hạn như băng thông mà hệ thống sử dụng.
Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm các thiết bị đầu cuối di động khi mạng không xác định được vị trí của chúng trong từng tế bào Do đó, tin nhắn tìm gọi cần được truyền tải qua nhiều tế bào để đảm bảo kết nối hiệu quả.
Kênh điều khiển dành riêng (DCCH) là kênh sử dụng để truyền tải thông tin điều khiển đến hoặc từ thiết bị đầu cuối di động Kênh này cho phép cấu hình riêng lẻ từng thiết bị, ví dụ như gửi các tin nhắn chuyển giao khác nhau.
Kênh điều khiển multicast (Multicast Control Channel - MCCH): đƣợc dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển cần thiết để thu kênh MTCH
Kênh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel - DTCH) là một kênh logic quan trọng được sử dụng để truyền dữ liệu người dùng đến hoặc từ thiết bị di động Kênh này hỗ trợ việc truyền dữ liệu theo cả hai hướng, bao gồm đường lên và đường xuống, không sử dụng công nghệ MBMS (non-MBMS).
Kênh lưu lượng multicast (Multicast Traffic Channel – MTCH): được dùng cho truyền dẫn đường xuống những dịch vụ MBMS
HARQ
HARQ kết hợp mềm trong LTE tương tự như cơ chế HARQ trong HSPA, nhằm cung cấp khả năng chịu đựng chống lại lỗi truyền dẫn và nâng cao năng suất.
Giao thức HARQ trong LTE tương tự như giao thức HSPA, sử dụng nhiều tiến trình dừng và đợi song song Khi nhận các khối truyền tải, đầu thu giải mã và thông báo cho đầu phát kết quả thông qua một bit ACK/NAK, chỉ ra việc giải mã thành công hay yêu cầu truyền lại khối Để tiết kiệm chi phí, chỉ sử dụng một bit ACK/NAK, nhưng đầu thu cần biết bit này liên kết với tiến trình HARQ nào, như minh họa trong hình 2.16.
Hình 2.16 Giao thức HARQ đồng bộ và không đồng bộ
Giống như HSPA, giao thức không đồng bộ là nền tảng cho hoạt động của HARQ đường xuống, cho phép sự truyền lại diễn ra bất cứ lúc nào sau khi khởi tạo truyền dẫn, với một số tiến trình HARQ được sử dụng để chỉ định tiến trình đang xử lý Ngược lại, sự truyền lại đường lên dựa trên giao thức đồng bộ, diễn ra tại thời điểm xác định sau khi khởi tạo truyền dẫn, với số tiến trình có thể nhận được hoàn toàn Hai trường hợp này được minh họa trong hình 2.16; trong giao thức HARQ không đồng bộ, sự truyền lại được hoạch định tương tự như khởi tạo truyền dẫn, trong khi giao thức đồng bộ yêu cầu thời điểm truyền lại phải được cố định ngay từ đầu Bộ hoạch định sẽ xác định phần tử HARQ trong eNodeB di động nào thực hiện truyền lại.
Hình 2.17 Nhiều xử lý HARQ
Việc sử dụng nhiều tiến trình HARQ song song có thể dẫn đến sự không liên tục trong dữ liệu phân phối, như minh họa trong hình 2.17 Ví dụ, khối truyền tải thứ 5 có thể được giải mã thành công trước khối thứ 3 khi có yêu cầu truyền lại Điều này đòi hỏi cơ chế sắp xếp lại, trong đó khối truyền tải sau khi giải mã sẽ được phân kênh thành các kênh logic thích hợp và sắp xếp lại bằng số thứ tự HSPA sử dụng một con số thứ tự MAC riêng biệt để thực hiện việc này, nhằm hỗ trợ WCDMA và duy trì tính tương thích ngược Ngược lại, LTE có thiết kế các lớp giao thức đồng thời, giảm bớt các giới hạn trong thiết kế, nhưng nguyên lý sắp xếp lại vẫn tương tự, chỉ khác về số thứ tự được sử dụng.
Cơ chế HARQ giúp sửa các lỗi truyền dẫn do nhiễu hoặc biến đổi kênh không dự đoán được Mặc dù RLC cũng có khả năng yêu cầu truyền lại, điều này có vẻ không cần thiết vì HARQ thường sửa hầu hết các lỗi Tuy nhiên, HARQ đôi khi không thể phân phối chính xác các khối dữ liệu tới RLC, dẫn đến khoảng trống trong thứ tự dữ liệu Xác suất xảy ra tình huống này khoảng 1%, là mức cao đối với các dịch vụ TCP yêu cầu phân phối gói gần như không lỗi Đặc biệt, với tốc độ dữ liệu trên 100Mbit/s, xác suất mất gói chấp nhận được phải dưới 10^-5, vì TCP coi mọi lỗi gói dữ liệu là do tắc nghẽn.
Hai cơ chế truyền lại được đề cập có thể được giải thích qua tín hiệu phản hồi Dù cơ chế HARQ thực hiện việc truyền lại nhanh chóng, việc gửi bit báo cáo tình trạng ACK/NAK tới đầu phát cần được thực hiện càng nhanh càng tốt, tối thiểu một lần cho mỗi chu kỳ TTI.
Lớp vật lý
Lớp vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc mã hóa và xử lý HARQ, điều chế, xử lý đa anten, cũng như ánh xạ tín hiệu tới các tài nguyên thời gian-tần số vật lý phù hợp Hình 2.18 cung cấp cái nhìn tổng quan về quy trình xử lý DL-SCH, trong đó các khối lớp vật lý được điều khiển động bởi lớp MAC được thể hiện bằng màu xám, trong khi các khối vật lý cấu hình bán tĩnh được hiển thị bằng màu trắng.
Trong chu kỳ TTI trên kênh DL-SCH, khi một đầu cuối di động được hoạch định, lớp vật lý nhận một hoặc hai khối truyền tải chứa dữ liệu để truyền đi Mỗi khối truyền tải sẽ có một CRC được đính kèm và được mã hóa riêng biệt Tốc độ mã hóa kênh phụ thuộc vào kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều chế và tài nguyên được cấp phát, tất cả đều do bộ lập lịch đường xuống quyết định Phiên bản dư thừa được điều khiển bởi giao thức HARQ, ảnh hưởng đến quá trình xử lý thích ứng tốc độ để tạo ra các bit mã hóa chính xác Đối với trường hợp ghép kênh không gian, việc ánh xạ anten cũng do bộ hoạch định đường xuống quản lý.
Hình 2.18 minh họa cấu trúc và xử lý lớp vật lý cho DL-SCH, trong đó đầu cuối di động thực hiện việc thu tín hiệu phát đi và tiến hành quy trình lớp vật lý ngược lại Lớp vật lý tại đầu cuối di động cũng cung cấp thông tin cho giao thức HARQ về việc truyền dẫn có được giải mã thành công hay không Thông tin này giúp chức năng MAC HARQ trong đầu cuối di động quyết định có nên yêu cầu truyền lại hay không.
Xử lý lớp vật lý cho kênh UL-SCH tương tự như xử lý cho DL-SCH Tuy nhiên, cần lưu ý rằng bộ hoạch định MAC trong eNodeB đảm nhiệm việc lựa chọn định dạng truyền tải cho đầu cuối di động và phân bổ tài nguyên cho truyền dẫn đường lên.
Hình 2.19 Xử lý lớp vật lý ở dạng đơn giản hóa cho UL-SCH
Các trạng thái của LTE
Trong hệ thống LTE, đầu cuối di động có thể ở nhiều trạng thái khác nhau Khi khởi động, đầu cuối di động sẽ ở trạng thái LTE DETACHED, tức là chưa được hệ thống mạng nhận diện Để có thể giao tiếp với mạng, đầu cuối di động cần thực hiện thủ tục đăng ký thông qua truy cập ngẫu nhiên để chuyển sang trạng thái LTE ACTIVE Trạng thái LTE DETACHED chủ yếu được sử dụng khi bật nguồn, và sau khi đăng ký thành công, đầu cuối di động sẽ chuyển sang các trạng thái khác như LTE ACTIVE hoặc LTE IDLE.
Hình 2.20 Các trạng thái của LTE lxxviii
LTE ACTIVE là trạng thái cho phép đầu cuối di động phát và thu dữ liệu, khi thiết bị đã kết nối với một ô mạng Trong trạng thái này, thiết bị được gán một địa chỉ IP và chỉ số nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến tế bào (CRNTI) để giao tiếp với mạng LTE ACTIVE bao gồm hai trạng thái con: IN SYNC và OUT OF SYNC, tùy thuộc vào việc đường lên có được đồng bộ với hệ thống mạng hay không Do LTE sử dụng phương thức truyền dẫn trực giao FDMA/TDMA, eNodeB sẽ đo thời gian đến của các phiên truyền dẫn từ các đầu cuối di động và gửi mệnh lệnh hiệu chỉnh thời gian trong đường xuống.
Trạng thái LTE IDLE là trạng thái tiết kiệm năng lượng, trong đó thiết bị di động chủ yếu ở trong trạng thái ngủ để giảm tiêu hao pin Trong giai đoạn này, sự đồng bộ đường lên không được duy trì, và chỉ có thể thực hiện truy cập ngẫu nhiên để chuyển sang trạng thái LTE ACTIVE Thiết bị vẫn giữ địa chỉ IP và thông tin nội bộ cần thiết để nhanh chóng chuyển đổi khi cần Hệ thống mạng sẽ nhận biết vị trí cục bộ của thiết bị, giúp xác định nhóm tế bào để thực hiện việc paging hiệu quả.
Luồng số liệu
Để tóm tắt luồng dữ liệu đường xuống qua các lớp giao thức, hình 2.21 minh họa trường hợp với ba gói IP, trong đó hai gói trên một tải tin vô tuyến và một gói trên tải tin khác Luồng dữ liệu cho truyền dẫn đường lên tương tự PDCP thực hiện nén tiêu đề IP và mã hóa, sau đó thêm tiêu đề PDCP chứa thông tin giải mã cho thiết bị đầu cuối di động Đầu ra của PDCP được cung cấp cho RLC, nơi thực hiện hợp đoạn hoặc phân đoạn các PDCP SDUs và thêm tiêu đề RLC Tiêu đề này giúp phân phối theo trình tự tại đầu cuối di động và nhận dạng các RLC PDUs khi cần truyền lại Các RLC PDUs sau đó được chuyển tiếp tới lớp.
MAC, lớp này có đƣợc số lƣợng các RLC PDUs, sau đó kết hợp chúng lại vào trong
Khối truyền tải trong hệ thống MAC SDU được hình thành bằng cách đính kèm một tiêu đề MAC, với kích thước phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu tức thời do cơ chế thích ứng đường truyền quyết định Cơ chế này ảnh hưởng đến cả tiến trình xử lý của MAC và RLC Cuối cùng, lớp vật lý sẽ thêm mã CRC vào khối truyền tải để phát hiện lỗi, thực hiện mã hóa và điều chế, trước khi phát tín hiệu vào không gian.
Hình 2.21 Ví dụ về luồng số liệu
Các kỹ thuật sử dụng trong LTE
2.11.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
Kỹ thuật OFDM là một dạng đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng Các sóng mang con trong OFDM được thiết kế để trực giao với nhau, cho phép chồng lấn phổ tín hiệu mà không làm mất đi khả năng khôi phục tín hiệu ban đầu tại đầu thu Nhờ vào sự chồng lấn này, hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ vượt trội hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế truyền thống.
Hình 2.22 Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và sóng mang chồng xung (b)
Kỹ thuật truyền OFDM có thể đƣợc xem nhƣ là một loại của truyền đa sóng mang Đặc điểm cơ bản của truyền OFDM là:
Sử dụng nhiều sóng mang con băng hẹp trong truyền OFDM cho phép hàng trăm sóng mang con được truyền đồng thời trên cùng một liên kết vô tuyến đến một máy thu.
Dạng xung hình chữ nhật đơn giản nhƣ trong hình 2.23a Điều này đáp ứng phổ dạng sinc-square ở mỗi sóng mang, nhƣ minh họa trong hình 2.23b
Các sóng mang con được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con là ∆f=1/Tu, trong đó Tu là thời gian điều chế symbol trên mỗi sóng mang con Khoảng cách này tương ứng với tốc độ điều chế của từng sóng mang con.
Hình 2.23 Phổ và dạng xung của mỗi sóng mang cho truyền OFDM cơ bản
Tiết kiệm băng thông thông (b)
Hình 2.24 Khoảng cách sóng mang con OFDM
Bộ điều chế OFDM cơ bản, như minh họa trong hình 2.25, bao gồm một dãy Nc các bộ modulator phức tạp, mỗi bộ modulator này tương ứng với một sóng mang con trong hệ thống OFDM.
Tín hiệu OFDM cơ bản trong khoảng thời gian mTu ≤ t ≤ (m+1)Tu có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau: x(t) ∑ =∑
Trong truyền OFDM, sóng mang con thứ k được điều chế với tần số fk = k.∆f và áp dụng cho khoảng thời gian của symbol OFDM thứ m, cụ thể là từ mTu đến (m+1)Tu Phương pháp truyền này hoạt động theo khối, cho phép Nc symbol điều chế được truyền song song trong mỗi symbol OFDM Các kiểu điều chế có thể sử dụng bao gồm QPSK, 16QAM, và 64QAM.
Số sóng mang con trong hệ thống OFDM có thể dao động từ dưới một trăm đến vài ngàn, với khoảng cách giữa các sóng mang con từ vài trăm KHz xuống vài KHz Việc lựa chọn khoảng cách sóng mang con phụ thuộc vào môi trường hoạt động của hệ thống, bao gồm các yếu tố như tần số kênh vô tuyến tối đa và tốc độ biến đổi kênh Sau khi xác định khoảng cách sóng mang con, số lượng sóng mang con sẽ được quyết định dựa trên tổng băng thông truyền tải giả thuyết và các tiêu chí về phát sóng ngoài băng có thể chấp nhận.
Hai sóng mang đƣợc điều chế OFDM x k1 (t) và x k2 (t) trực giao lẫn nhau trong khoảng thời gian mTu ≤ t ≤ (m+1)Tu, nghĩa là:
Vì vậy, truyền OFDM cơ bản có thể đƣợc xem nhƣ điều chế của một nhóm những hàm trực giao , với:
Hình 2.26 minh họa nguyên tắc cơ bản trong giải điều chế OFDM với một dãy các bộ correlator, mỗi bộ tương ứng với một sóng mang con Theo công thức (2.2), trong điều kiện lý tưởng, các sóng mang con OFDM không gây nhiễu cho nhau nhờ tính trực giao Tuy nhiên, thực tế cho thấy phổ của các sóng mang con cạnh nhau có thể chồng lấp, dẫn đến mất trực giao nếu có sai lệch trong cấu trúc miền tần số, như do kênh vô tuyến lựa chọn tần số, gây ra nhiễu giữa các sóng mang con.
Thực hiện OFDM sử dụng xử lý IFFT/FFT
Cấu trúc đặc biệt của OFDM cho phép thực hiện xử lý phức tạp hơn thông qua biến đổi Fourier nhanh, nhờ vào việc chọn khoảng cách sóng mang ∆f bằng tốc độ symbol của mỗi sóng mang con Để đạt được điều này, tín hiệu OFDM được xem xét dưới dạng rời rạc theo thời gian, với tốc độ lấy mẫu fs là bội số của ∆f, tức là fs=1/Ts=N.∆f Tham số N có thể được điều chỉnh để thỏa mãn định lý lấy mẫu, cho phép Nc.∆f được coi là băng thông lý thuyết của tín hiệu OFDM, đồng nghĩa với việc N có thể lớn hơn Nc với một số dư hợp lý.
Với những giả thuyết nhƣ trên, tín hiệu rời rạc thời gian OFDM có thể đƣợc biểu diễn:
Hình 2.27 Điều chế OFDM bằng xử lý IFFT
Chuỗi tín hiệu OFDM được lấy mẫu từ biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) của khối symbol điều chế a0,…,aNc-1 Điều này cho phép thực hiện điều chế OFDM thông qua xử lý IDFT, tiếp theo là bộ chuyển đổi số sang tương tự Đặc biệt, khi chọn IDFT có kích thước N bằng 2m (với m là số nguyên), điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng IFFT cơ số 2 Tỷ số N/Nc có thể không phải là số nguyên; chẳng hạn, trong 3GPP LTE, số sóng mang con Nc khoảng 600 với băng tần 10MHz, và kích thước IFFT có thể được chọn là N=24, tương ứng với tốc độ lấy mẫu fs=N.∆f=36MHz.
∆fkHz là khoảng cách sóng mang con LTE
Hoạt động của bộ điều chế OFDM dựa trên IDFT/IFFT là tùy chọn của máy phát và không phải là đặc điểm của truy nhập vô tuyến Chẳng hạn, OFDM có thể được điều chế bằng cách sử dụng một nhóm song song các bộ modulator, như minh họa trong hình 2.27 Ngoài ra, việc sử dụng IFFT với kích thước lớn, như IFFT kích thước 2048, cũng có thể thực hiện ngay cả khi số sóng mang con OFDM ít hơn.
Giải điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng cách thay thế dãy Nc demodulator song song bằng xử lý FFT, với tốc độ lấy mẫu fs=1/Ts Quá trình này tiếp theo sử dụng DFT/FFT với kích thước N, như minh họa trong hình 2.28.
Hình 2.28 Giải điều chế OFDM bằng xử lý FFT
Trong một tín hiệu OFDM không bị hư hại, việc giải điều chế có thể diễn ra mà không có nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên, trong kênh phân tán thời gian, tính trực giao giữa các sóng mang con bị mất do khoảng thời gian tương quan giải điều chế cho một tuyến chồng lên đường biên symbol của tuyến khác Hệ quả là, trong kênh phân tán thời gian, không chỉ xảy ra nhiễu giữa các symbol trên cùng một sóng mang mà còn có nhiễu giữa các sóng mang khác nhau.
Để giảm thiểu ảnh hưởng của phân tán thời gian trên kênh vô tuyến đối với tín hiệu OFDM, việc chèn cyclic prefix (CP) là cần thiết Cụ thể, phần cuối của symbol OFDM được sao chép và thêm vào đầu symbol, làm tăng chiều dài của symbol từ Tu lên Tu + TCP, với TCP là chiều dài của CP Điều này dẫn đến việc giảm tốc độ symbol OFDM Nếu sự tương quan tại máy thu được thực hiện trong thời gian Tu = 1/∆f, tính trực giao của sóng mang vẫn được duy trì trong kênh phân tán thời gian, miễn là khoảng trễ do phân tán thời gian nhỏ hơn chiều dài của CP.
Trong quá trình phát tín hiệu OFDM, việc chèn chuỗi phụ (CP) được thực hiện tại ngõ ra rời rạc thời gian của máy phát IFFT Chuỗi phụ này, với độ dài NCP, được sao chép và thêm vào đầu khối dữ liệu, làm tăng tổng chiều dài khối từ N lên N + NCP Tại phía thu, các mẫu tương ứng sẽ được lấy ra trước khi tiến hành giải điều chế OFDM thông qua xử lý DFT/FFT.
Chèn CP giúp tín hiệu OFDM giảm thiểu ảnh hưởng từ phân tán thời gian, miễn là độ trễ do phân tán thời gian không vượt quá chiều dài của nó.
